圖像實時檢測技術在激光切割中的應用研究

胡家兵+++郭宇斌+++梁依忱

摘 要：隨著科技的進步，激光切割已經開始廣泛應用，其中激光切割模切板具有高效率、高質量、高精度等特點。文章對于圖像實時檢測技術在激光切割模切板中的應用進行研究，設計基于數字圖像處理的實時在線檢測割縫寬度的軟硬件系統，以提高模切板工業生產的加工精度。

關鍵詞：圖像實時檢測；激光切割；數字圖像處理

1 研究背景

隨著科學技術的高速發展和人類文明的不斷進步，隨著市場競爭的激烈，傳統的模切板加工方式已不能滿足需要，而激光切割模切板具有高效率、高質量、高精度等特點，激光切割模切板取代傳統方式的趨勢日益明顯[1]。激光切割模切板生產過程中，激光切割頭和模切板運動速度可高達5m/min以上，割縫寬度往往小于1mm，很難用人工檢查。隨著數字圖像處理在工業生產自動化系統中越來越廣泛的應用，利用CCD提取割縫圖像，并將其數字化后送往DSP進行處理，提取圖像的特征，實現工業在線檢測割縫寬度。因此，研究圖像實時檢測技術在激光切割中的應用具有一定的理論和現實意義。

2 數字圖像處理方式

2.1 基于計算機

計算機上能用于圖像處理的軟件很多，如MATLAB，Visual C++等。C++通過圖形設備接口和位圖提供對數字圖像處理編程的最基本支持。MATLAB圖像處理工具箱封裝了一系列針對不同圖像處理需求的標準算法。但是缺點也很明顯：處理速度較慢，體積較大，功耗也很大。

2.2 基于FPGA

使用FPGA作為圖像處理系統的核心。FPGA集成了SRAM存儲器、數字信號處理（DSP）、乘法器模塊、串行收發器、存儲控制器和高級I/O接口等功能。FPGA的使用非常靈活，由于硬件的并行性，可以實現圖像的高速處理。不過FPGA的編程采用硬件描述語言，復雜的算法比較難實現。

2.3 基于DSP

DSP處理器是專門設計用來進行高速數字信號處理的微處理器。DSP易于滿足圖像處理中運算量大、實時性強、數據傳輸速率高等要求，而且有與計算機強大的多媒體交互能力。除了硬件結構的優越性之外，DSP還有特殊指令可以縮短程序運行時間。DSP的開發也相對簡單，如TI的DSP有自己的集成開發環境CCS，采用C語言編程，有過其他軟件編程經驗的開發人員都很容易上手。

3 工程設計

3.1 采取旁軸集成

檢測裝置采取旁軸的方式集成到激光切割機上，這主要是考慮到了旁軸結構的簡單性。

3.2 采用輔助光源加濾波片

通過采用“加裝恒定功率的藍紫光燈配合只能通過藍紫光的濾波片”的方案，完善了采集圖像的硬件設備。排除了光斑和燃燒焰的影響，很大程度上排除了存在不確定性的可見光干擾，從物理手段上大幅提高采集圖像的圖像質量，有助于提高系統的精確性。同時也降低了算法的難度，減輕了DSP的負擔，提高了系統的實時性。

3.3 采用基于DSP的圖像處理系統[2]

將CCD采集的圖像經過模數轉成數字圖像送入DSP，由DSP對圖像進行處理。這種設計方案的優點是簡單、靈活，成本比較低，便于實際中應用。

4 算法設計

4.1 濾波去噪

在獲取或傳輸圖像的過程中不可避免地會產生圖像噪聲，從而使圖像的質量下降、特征模糊，給后續的圖像分析帶來很大的麻煩。濾波的目的就是除去圖像中的噪聲，以便對圖像做進一步的處理。

圖像濾波我們采用的是中值濾波，中值濾波對脈沖噪聲有良好的濾除作用，特別是在濾除噪聲的同時，能夠保護信號的邊緣，使之不被模糊。此外，中值濾波的算法比較簡單，也易于用硬件實現。經過濾波以后，圖像的噪聲大幅度減小。

4.2 圖像分割

圖像分割的目的是為了從已有的圖像中提取感興趣的區域和信息，用于后續的處理。在本算法里面就是把割縫從背景中分離，用于后續的縫寬檢測。我們采用的是閾值二值化，閾值二值化（分割）具有快速和有效性，它的基本目的在于按照灰度級將圖像空間劃分成與現實景物相對應的一些有意義的區域。經過實踐，能夠很好地把背景和割縫分離開來。

4.3 縫寬計算

首先通過行掃描或列掃描，記錄下黑色像素點數目。然后求取差方和最小的幾行（列）作為圖像最佳計算區域。同時計算割縫走向斜率，把黑色像素點數（寬度）換算成割縫寬度，然后結合實驗數據換算成實際的割縫寬度。

5 系統的實時性，精確性論證

設計預期是測量精度達到0.1mm，響應時間小于0.1s。滿足模切板加工要求。

5.1 精確度的論證

當縫寬為1mm左右時，誤差為0.0144mm，最大誤差0.0246mm，滿足預期目標要求。同時，我們采用標準切割件做了一個簡單的定標。結果完全符合預期。

5.2 實時性的論證

把預處理和縫寬計算代碼放到MFC框架下運行。通過Profile功能查看算法耗時，可見耗時（加上調用的Windows庫函數）在12毫秒以內。測試使用PC機MIPS為25000左右。

6 結束語

文章對于圖像實時檢測技術在激光切割中的應用進行了研究。通過實時圖像檢測技術有利于進一步提高加工精度，提高模切板加工的良品率。這樣帶來了安裝的方便和低廉的成本，稍具水平的電子廠商都能生成系統的電路板和相關模塊，成本可以控制在絕大多數企業都能接受的范圍內。

可見“圖像實時檢測技術在激光切割中的應用研究”對于實際的工業生產有著很直觀的經濟效益。

參考文獻

[1]方石銀.激光切割模切板研究[D].湖南大學，2005：9.

[2]張妍.基于DSP的混凝土裂縫寬度測量系統的設計及實驗研究[D].

北京工業大學，2006：9-10、17-19、46-47.

作者簡介：胡家兵（1995，12-），男，南京理工大學本科在讀，單位：南京理工大學理學院，研究方向：激光與光電技術。