數學形態學理論在焊接熔池提取中的應用

武曉朦，吳 凱（通信作者），王 歡

（西安石油大學，電子工程學院，陜西省油氣井測控技術重點實驗室 陜西 西安 710065）

1 引言

在工業焊接熔池圖像處理中，由于焊接過程會產生煙霧，弧光以及火光飛濺，這樣會導致焊接熔池圖像中出現大量噪聲，影響焊接熔池圖像處理精度[1-2]。通過研究數學形態學理論中灰度形態學方法，并分析其應用優勢，并使用灰度形態學提取焊接熔池圖像，為今后工業提高焊接熔池圖像精度，發揮積極影響。本篇將對此做出具體分析。

2 熔池圖像處理中運用數學形態學的優勢

在工業熔池圖像處理中，其最終提取熔池圖像的目的，就是為了能夠獲取熔池圖像中最大的寬度信息，并根據熔池半長以及熔池后托角等相關信息特征，建立熔池特征圖像，從而根據熔池圖像映射模型，調節工業熔池焊接規范，實現對熔池焊接過程的控制發揮重要的作用。傳統提取焊接熔池圖像多基于空間運算方法聯合空域微分算子進行圖像邊緣檢測，如Prewitt算子、Robert算子以及Sober算子，聯合高斯函數對原始的熔池圖像進行分析。但這樣的熔池圖像處理方法對噪聲較為敏感，在檢測熔池圖像邊緣的同時，也會加強噪聲，降低熔池圖像處理精度，發揮不良影響。數學形態學理論方法，可以將圖像中孤立的或小段連續的邊界快捷的轉化為強連通邊界，能較好地達到邊緣檢測的目的，很容易的區分出圖像中的不同物體，從而快捷的提取到目標圖像[3-5]。處理焊接熔池圖像中，根據熔池灰度特性，在處理熔池圖像前判斷熔池灰度，這樣能有效避免圖像中大量高的背景像素點進入到形態學結構運算中，從而提高焊接熔池圖像的處理效率[6]。熔池圖像處理中，根據圖像中結構元素量度提取圖像中與之對應的形狀，不僅能達到對圖像進行識別分析的目的，也可以進一步簡化熔池圖像處理流程，運用形態學結構算子有效濾除噪聲。

3 基于數學形態學理論的灰度形態學方法

3.1 灰度形態學方法原理

數學形態學理論是基于集合論基礎上發展而來的。實際圖像處理中，能夠應用的數學形態學理論，不僅包括二值形態學方法，還包括灰度形態學。二值形態學及灰度形態學方法均屬于數學形態學理論的重要方法。其中二值形態學方法，是根據集合，經圖像中所有運算作為一個集合，然后根據集合運算（也就是并、交、補）定義，將圖像信息轉化為集合形式進而解決圖像處理問題。

灰度形態學理論，基于二值形態學方法，對灰度圖像進行自然擴展從而可以將膨脹、腐蝕、開運算以及閉運算這四種二值形態學算法，基于類比方法運用到灰度圖像的空間中。在灰度形態學算法中，針對某一圖像，若設函數 f(x，y)是輸入圖像；設b(x，y)是該圖像灰度結構元素。b(x，y)同時也具備一個灰階的子圖像，因此在提取處理圖像信息中，可以將圖像中鄰域結構元素定義域設為3×3的9點，設b(x，y)為常量函數，那么在實際處理灰度圖像中，能夠根據定義域基函數類型的不同，處理圖像灰度形態得出圖像處理結果。

3.2 膨脹算法

在灰度形態學方法中，膨脹是將與物體接觸的所有背景點合并到該物體中，使邊界向外部擴張的過程。可以用來填補物體中的空洞。在實際計算中，可以用b作為結構元素，然后針對圖像函數f進行灰度膨脹運算，設該算法以f⊕b表示，則算法公式可定義為：

3.3 腐蝕算法

在數學形態學理論中，腐蝕是一種消除邊界點，使邊界向內部收縮的過程。可以用來消除小且無意義的物體。圖像處理中的灰度腐蝕可以表示為f⊙b，算法公式定義如下所示：

在實際對圖像進行灰度形態學處理中，運用膨脹運算以及腐蝕運算，都能夠對較大的灰度變化邊緣產生敏感反應，降低噪聲敏感性，這樣能夠有效去除焊接熔池圖像陰極的霧化區，從而提取圖像信息，規避斷點、噪聲對圖像處理精度的影響發揮積極應用優勢。

4 灰度形態學提取焊縫熔池圖像的步驟

運用灰度形態學方法處理焊接熔池圖像中，熔池圖像背景區灰度值比200低，因此在設計提取焊接熔池圖像信息時設置灰度值為170以下，則對灰度值低于170的直接將其變為圖像背景區，程序不予處理。這樣不僅可以節約灰度形態學處理中對圖像進行腐蝕膨脹的時間，還可以提高熔池圖像的實時性。發揮應用優勢。針對焊接熔池圖像，應用灰度形態學方法進行圖像提取處理中，該算法具體實現步驟如下所示：

第一步：在提取焊接熔池圖像中，可以應用矩量保持法，得到灰度形態學處理中圖像結構因子的灰度值，從而可以針對熔池圖像，設計3×3的元素腐蝕結構。

第二步：可以在圖像處理過程中，申請二維的動態數組，數組的名稱分別是List、List1、List2，可以動態的將焊接熔池像素灰度值，復制到二維動態數組內。

第三步：對可以對數組內的List1進行膨脹算法處理，對圖像的List2數組進行腐蝕運算處理并將得到的結果保存在對應數組之中。

第四步：針對List1數組和List2數組行求差運算，判斷圖像邊緣的出界情況；可以將符合焊接熔池圖像提取條件的數組，賦值為255，不滿足條件則賦值為0；

在灰度形態學中，將其作為提取焊接熔池圖像的處理方法，不僅可以對原焊接熔池圖像進行腐蝕運算，也可以原圖像減去腐蝕的圖像，得到圖像處理結果。

5 試驗結果

基于MATLAB7，在提取焊接熔池圖像中可以用灰度形態學方法對熔池圖像進行處理。其仿真過程如下圖1所示。

圖1 提取熔池圖像過程

能夠從圖1中看出，應用數學形態學理論中的灰度形態學方法，可以用代數計算代替邏輯計算，使用灰度結構元素，提取焊接熔池圖像的邊緣信息。在保存原有熔池圖像幾何形狀的基礎上，去除焊接熔池的點、線噪聲，提升熔池圖像處理精度。

6 結語

在提取焊接熔池圖像中，運用灰度形態學方法處理圖像不僅可以快速、準確的檢測到焊接熔池圖像中熔池的信息，也可因提升焊接熔池圖像處理精度，為后續熔池特征圖像的建立，發揮積極應用價值。

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