圖像處理技術(shù)在激光熔池溫度檢測(cè)的應(yīng)用

李文龍，戈海龍，任 遠(yuǎn)，成 巍

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省科學(xué)院激光研究所，濟(jì)南 250103)

引 言

激光熔覆是一種在基體材料表面通過激光技術(shù)熔上一種特殊涂層的技術(shù)[1]。涂上涂層的基體能夠大大地改善基體材料的表面性能，提高設(shè)備的使用壽命[2]。為了提高熔覆材料與基體的結(jié)合力，需對(duì)激光熔池的溫度進(jìn)行檢測(cè)。激光熔池的溫度檢測(cè)方法分為接觸式和非接觸式兩種[3]。接觸式測(cè)量一般采用熱電偶測(cè)量方法，該方法不能對(duì)熔池溫度進(jìn)行直接測(cè)量，測(cè)量結(jié)果不能直接用于系統(tǒng)反饋[4]。非接觸式測(cè)量主要包括單色或雙色高溫計(jì)[5]和CCD工業(yè)相機(jī)測(cè)量方法[3]。利用CCD與圖像處理的方法應(yīng)用較廣，該方法具有成本低、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)[6]，但利用CCD采集得到的圖像數(shù)據(jù)噪聲較多，容易產(chǎn)生較大的系統(tǒng)誤差，數(shù)據(jù)處理也較為復(fù)雜。現(xiàn)階段利用CCD與圖像處理結(jié)合測(cè)量熔池溫度的方法已經(jīng)進(jìn)行了部分研究，但大都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段[3]。

本文中采用OpenCV和VS2013搭建了溫度檢測(cè)系統(tǒng)[7]，利用CCD與圖像處理相結(jié)合的方法檢測(cè)熔池溫度場(chǎng)的溫度，采用中值濾波方法去除圖像噪聲，結(jié)合黑體輻射公式計(jì)算激光熔池溫度。該檢測(cè)系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)際的應(yīng)用，對(duì)粉末材料、送粉速率等參量選擇有一定的反饋和指導(dǎo)作用。

1 測(cè)溫原理

黑體的光譜輻射強(qiáng)度與其波長(zhǎng)和溫度有關(guān)[8]。物體的光譜輻射通量密度與溫度、波長(zhǎng)的數(shù)學(xué)公式與黑體的類似[9]。由普朗克定律得知，黑體的熱輻射通量密度Db(λ,T)與輻射物體的溫度T、輻射波長(zhǎng)λ的數(shù)學(xué)關(guān)系式如下：

(1)

式中,N1，N2為輻射常數(shù)，ε(λ,T)是輻射率。

由兩個(gè)不同波長(zhǎng)黑體的熱輻射通量密度之比即可得到測(cè)量物體的溫度[9]：

(2)

被測(cè)對(duì)象為金屬高溫激光熔池，不同波長(zhǎng)λ1和λ2對(duì)應(yīng)的輻射率ε(λ1,T)與ε(λ2,T)近似相等[8]，故公式可簡(jiǎn)化為：

T=-

(3)

彩色CCD相機(jī)拍攝得到的真彩色圖像包含λR，λG，λB3個(gè)通道的波長(zhǎng)值及對(duì)應(yīng)通道的像素值。由雙比色原理可知，選取兩個(gè)不同波長(zhǎng)黑體的熱輻射通量密度之比即可得到測(cè)量物體的溫度，故選擇彩色圖像中兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較，可推算得到激光熔池的溫度[8]。紅光R通道的波長(zhǎng)為700nm，綠光G通道的波長(zhǎng)為546nm，藍(lán)光B通道的波長(zhǎng)為436nm[8]。

本文中采用DALSA-C2050彩色CCD工業(yè)相機(jī)拍攝數(shù)據(jù)，相機(jī)幀率為38，滿足數(shù)據(jù)采集的速度需求。相機(jī)波長(zhǎng)與相對(duì)響應(yīng)系統(tǒng)關(guān)系如圖1所示。相機(jī)的采集波段為400nm～1000nm，滿足檢測(cè)436nm～700nm的實(shí)際需求，并且相機(jī)在要求波長(zhǎng)的相對(duì)系數(shù)較高，得到的圖像質(zhì)量效果較好。此型號(hào)工業(yè)相機(jī)的重復(fù)精度很高，誤差可以忽略。

Fig.1 Camera parameters

在波長(zhǎng)相近時(shí)，激光熔池的輻射率也大致相同，兩個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的方介質(zhì)折射率與光譜相應(yīng)系數(shù)比值近似為1[8]。由(3)式可知，選取波長(zhǎng)相近的通道數(shù)據(jù)可減少計(jì)算量。由比較得知，|λR-λB|>|λR-λG|>|λG-λB|，故CCD彩色相機(jī)的G通道波長(zhǎng)和B通道波長(zhǎng)最相近，因此選擇這兩個(gè)波段相關(guān)數(shù)據(jù)代入(3)式計(jì)算熔池溫度。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 圖像預(yù)處理

由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、拍攝角度、周圍環(huán)境光等方面的影響，由彩色CCD相機(jī)拍攝得到的圖像含有較多的噪聲，對(duì)處理結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。為了提高測(cè)量的精度，需要對(duì)原始采集圖像進(jìn)行預(yù)處理操作[10-12]。

中值濾波能夠有效去除圖像的噪聲、提高采集圖像的質(zhì)量，方便后續(xù)的圖像處理。中值濾波的原理為將圖像中某一個(gè)像素點(diǎn)值用其鄰域各個(gè)點(diǎn)值經(jīng)過排序后的中值代替[13]。中值濾波的數(shù)學(xué)定義為：圖像數(shù)據(jù)點(diǎn)為x1,x2,x2,…,xm(m為自然數(shù))，將此部分?jǐn)?shù)據(jù)從小到大排列，得到X1,X2,X2,…,Xm。設(shè)y為此鄰域點(diǎn)的中值，計(jì)算公式如下：

(4)

把圖像中某個(gè)像素點(diǎn)的固定形狀或長(zhǎng)度作為窗口，窗口中的像素值用窗口內(nèi)鄰域點(diǎn)的中值代替。本文中以現(xiàn)場(chǎng)拍攝的熔池為例，熔池的溫度大約在2250℃，將圖像經(jīng)中值濾波后，原圖與濾波后的效果圖對(duì)比如圖2和圖3所示。

Fig.2 The original image

Fig.3 The image after median filtering

由圖2與圖3分析比較可知，圖像經(jīng)中值濾波可消除或者減弱在激光熔覆過程中由于粉末迸濺造成的影響，提高了圖像質(zhì)量，為后續(xù)圖像處理奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.2 標(biāo)定

溫度檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定的原理為將黑體爐[14-15]輻射出的輻射能，利用彩色CCD工業(yè)相機(jī)、濾光片組成的硬件系統(tǒng)采集圖像數(shù)據(jù)，原始圖像數(shù)據(jù)經(jīng)濾波去噪后，通過雙比色原理比值測(cè)溫法得到不同數(shù)據(jù)圖像對(duì)應(yīng)的溫度值。

2.6.2 器官功能不全患者 器官功能不全患者，如心肺功能不全或肝腎功能不全等離子電切手術(shù)對(duì)心血管系統(tǒng)具有一定侵?jǐn)_性。因此重要器官功能不全患者應(yīng)該與相關(guān)科室合作制定治療方案，待器官功能不全得以糾正后方可實(shí)施手術(shù)。

本文中利用高精度HG-2標(biāo)準(zhǔn)高溫黑體爐用于檢測(cè)系統(tǒng)的溫度標(biāo)定，此型號(hào)的溫度范圍為0℃～3000℃。搭建的硬件系統(tǒng)如圖4所示。設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)溫度值后黑體爐可達(dá)到設(shè)定溫度并一直保持，通過搭建的硬件測(cè)溫系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)圖像。通過黑體爐顯示器設(shè)定需達(dá)到的溫度及監(jiān)測(cè)黑體爐中實(shí)際的溫度、電流等數(shù)值，黑體爐顯示器如圖5所示。

Fig.4 Calibration of temperature detection system

Fig.5 Display screen of blackbody furnace

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，熔池的溫度大約在1800℃～2300℃之間，根據(jù)此需求，標(biāo)定的數(shù)據(jù)范圍在1600℃～2300℃。標(biāo)定數(shù)據(jù)從1600℃開始，每隔100℃記錄一次數(shù)據(jù)，即用CCD相機(jī)拍攝圖像數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)于硬盤指定位置。拍攝得到的圖像如圖6所示。

Fig.6 Data diagram of different temperatures in the blackbody furnace

由彩色CCD拍攝得到的標(biāo)定圖片可知，圖像的亮度隨溫度的升高變亮，圖像的R通道、G通道、B通道的數(shù)值隨著溫度的升高變化明顯。圖像的R通道、G通道、B通道的數(shù)值分別為R,G,B。由前面測(cè)溫原理推導(dǎo)公式可知，只需提取圖像中某像素點(diǎn)的綠色和藍(lán)色通道的像素?cái)?shù)進(jìn)行比值溫度計(jì)算。提取1600℃～2300℃對(duì)應(yīng)圖像數(shù)據(jù)中的G和B值作為數(shù)據(jù)源。由于拍攝相同溫度區(qū)域，理論上得到的整幅溫度圖像中各個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)值完全相同，為消除系統(tǒng)誤差，任取圖像中的相同溫度區(qū)域的5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，取平均值，得到的G,B數(shù)據(jù)見表1。為方便后續(xù)的公式擬合，G,B數(shù)據(jù)值后對(duì)應(yīng)公式所需計(jì)算值，數(shù)值取小數(shù)點(diǎn)后4位。

Table 1 The extracted image data and the corresponding calculation value

T=

(5)

表1中的G,B通道數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)溫度下對(duì)應(yīng)的像素值，為驗(yàn)證公式的正確性，將表1中的G,B通道像素值通過(5)式計(jì)算得到黑體爐內(nèi)溫度，將此數(shù)據(jù)與黑體爐實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)溫度對(duì)比，得到的結(jié)果如表2所示。

Table 2 The fitting formula calculation value and the fitting point temperature error

GBcalculated temperature/℃actual temperature/℃error/℃resolution/%24191594.616005.40.3431221711.5170011.50.6843271800.518000.5062341886.01900140.7489442004.320004.30.22119562105.621005.60.27 173782237.6220037.61.712411082261.1230038.91.70

數(shù)據(jù)標(biāo)定的準(zhǔn)確性是利用比色測(cè)溫方法測(cè)量熔池溫度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，由表2中的計(jì)算結(jié)果可知,擬合公式數(shù)據(jù)點(diǎn)的最大誤差為1.71%，擬合公式滿足精度需求。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將計(jì)算所得數(shù)據(jù)用MATLAB表示，效果圖如圖7所示。其中橫坐標(biāo)為圖像G通道與B通道像素值比值，縱坐標(biāo)為黑體爐內(nèi)溫度，○點(diǎn)為擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)，黑色線為擬合公式曲線，★點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

分析表3及圖7得知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)★點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)計(jì)算溫度在擬合曲線附近，兩通道比值及對(duì)應(yīng)溫度呈擬合公式規(guī)律變化。實(shí)驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)通過擬合公式計(jì)算得出的溫度值與實(shí)際值最大誤差為1.23%，滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫要求。

Table 3 The error between the fitting formula calculation value and the actual temperature

GBcalculated temperature/℃actual temperature/℃error/℃resolution/%27201670.3165020.31.2330221680.516800.5037251751.617501.60.9144281792.3178012.30.6952301850.818500.8063351876.218803.80.2075391935.5195014.50.7490451986.419806.40.32103502036.9205013.10.64123592061.2208018.80.90142672135.8215014.20.66192882180.821800.802089422292250210.93

Fig.7 Contrast of the fitting data and the experimental data

2.4 獲取圖像偽彩色圖

為形象描述熔池各個(gè)部分的溫度，直觀了解熔池各個(gè)區(qū)域的溫度分布規(guī)律及變化趨勢(shì)，需將濾波后的圖像變換為偽彩色圖像。偽彩色圖像的定義為將熔池不同溫度區(qū)域?qū)?yīng)顏色變化差異明顯圖像[16-20]。通過彩色相機(jī)獲取熔池?cái)?shù)據(jù)后，將計(jì)算得到的溫度轉(zhuǎn)化為偽彩色圖像。熔池彩色圖像及對(duì)應(yīng)計(jì)算得到的偽彩色圖像效果如圖8和圖9所示。

Fig.8 Color diagram of laser pool

Fig.9 Pseudo color map of laser pool

圖9中右側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)顏色對(duì)準(zhǔn)圖，不同的溫度對(duì)應(yīng)著已定義的顏色。提取濾波后的圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)的R,G,B值，由(5)式計(jì)算得到圖像每點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熔池點(diǎn)溫度，由熔池溫度推算得到圖像偽彩色圖。圖9中橫縱坐標(biāo)值能夠反映出熔池的面積。由圖8與圖9對(duì)比可知，圖9能將溫度明顯區(qū)分，溫度對(duì)比更加明顯。

為驗(yàn)證系統(tǒng)的重復(fù)性及穩(wěn)定性，通過多次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10～圖13所示。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，該系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量激光熔池的溫度，系統(tǒng)的重復(fù)性及穩(wěn)定性較好，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)熔池的溫度檢測(cè)。

Fig.10 Color diagram of laser pool at 1700℃

Fig.11 Pseudo color map of laser pool at 1700℃

Fig.12 Color diagram of laser pool at 2150℃

Fig.13 Pseudo color map of laser pool at 2150℃

3 結(jié) 論

本文中采用彩色CCD工業(yè)相機(jī)采集熔池?cái)?shù)據(jù)圖片，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的影響，采用中值濾波的方法去除圖像噪聲，有效地提高了計(jì)算溫度的精度。標(biāo)定得到的圖像數(shù)據(jù)采用MATLAB最小二乘法擬合得到溫度計(jì)算公式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過擬合公式計(jì)算得到的黑體爐溫度與黑體爐內(nèi)實(shí)際溫度變化規(guī)律類似；經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比較，擬合公式滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫的精度要求；將采集得到的圖像經(jīng)變換后得到偽彩色圖像，偽彩色圖像能夠反映出各個(gè)區(qū)域的溫度分布規(guī)律及變化趨勢(shì)，增強(qiáng)了圖像顯示效果。通過圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光熔池溫度的檢測(cè)。