摘要：采用二维小波变换及二值化方法处理初始条件下管道焊缝坡口图像，获取焊缝坡口纹理信息，作为模板。对后续坡口图像进行同样的小波变换及二值化处理，利用模式识别方法获取后续图像焊缝坡口及其中心线的基本位置信息，研究的焊缝坡口识别算法为实现自然光下焊缝坡口实时跟踪提供了理论依据。
关键词：二维小波变换 模板 模式识别
前言
管道输送是一种安全、经济、对环境破坏小的运输方式，未来10年内，我国将建成14条油气输送管道，形成"两纵、两横、四枢纽、五气库"，总长超过万公里的油气管输格局。管道的建设地区跨度大，沿线施工环境恶劣，加之管道输送逐步向高压（7.5 MPa）、大口径(1 420 mm)方向发展，这对管道环焊缝的焊接提出了更高的要求，管道环焊缝的焊接成为制约整个工程质量和建设周期的关键工序。
鉴于世界范围内油气管线建设潜在的巨大市场，为提高焊缝质量，减轻工人劳动强度，实现管道建设野外作业自动化，缩短建设周期，国内外很多知名的管道企业都进行过管道自动焊接技术及设备的开发研制。
众所周知，管道环缝的自动跟踪是实现自动焊接的前提，而环缝信息的提取又是实现自动跟踪的必要条件，针对这一问题进行了管道环缝坡口识别研究。
目前在对焊缝图像处理方面普遍采用基于图像灰度突变的方法。这类方法不适用于坡口边缘灰度突变不明显、工件表面存在很多噪声干扰等情况。模式识别是60年代初迅速发展起来的一门新学科，属于信息、控制和系统科学的范畴。随着大规模集成技术的发展以及计算机性价比的迅速提高，无论在理论上，还是在应用上，模式识别技术都有显著的发展，促进了图像识别等学术方向和新技术的发展。模式被理解成取自世界有限部分的单一样本的 被测量值的综合；模式识别就是试图确定一个样本的类别属性，即把某一样本归属于多个模型中的某一个模型[1]。模式识别系统应该完成模式采集、特征提取/选择和分类等功能。对于环缝坡口来说，虽然不同管道环缝坡口的纹理特征不同，但同一道环缝坡口的纹理特征基本保持一致，因此针对每一环缝坡口建立一相应的模板，采用模板匹配方法识别环缝坡口。首先采用二维小波变换方法对初始坡口图像进行处理，对小波变换结果进行二值化处理，获取图像的纹理信息，然后通过优化算法确定较合适的小波变换尺度，确定该尺度下小波变换结果的二值化图像为模板；对后续图像做同一尺度下的小波变换及二值化处理，采用模板在二值化处理后的后续图像上进行模板匹配计算，确定后续图像坡口位置，最后输出后续图像坡口中心数据。概括地说，将环缝坡口识别分为4步进行。
（1）坡口图像的采集。
（2）建立环缝坡口模板。
（3）对环缝坡口进行识别。
（4）输出坡口中心位置数据。
1 坡口图像采集
鉴于在焊接机器人各种视觉传感器中,CCD传感器具有性能可靠, 获取图像清晰直观和使用方便等优点。本文采用面阵CCD来获取焊缝坡口图像。通过Matrox Meteor-II/Standard图像采集卡将获取模拟图像转化为数字信号送入计算机。图1为初始状态下焊枪对中良好时获取的环缝坡口图像。
（1）
式中
、 
（2）
式中 
——n次二维B样条函数的傅里叶变换
wx、wy ——分别为对应于x、y轴的实频率
（3）
式中 ——对图像矩阵f进行尺度为2m的低通平滑
表示用图像矩阵f在2m-1尺度下平滑后矩阵的行和列分别与一维过滤系数h卷积。平滑滤波系数h取：h2=0.0625, h3=0.25, h4=0.375, h5=0.25, h6=0.0625, hk=0 (k≠2,3,4,5,6)。符号d代表Dirac过滤系数，该系数在原点为1，在其它地方为0。
(a) 小波尺度为21 (b) 小波尺度为22
图2 采用不同尺度小波对图1进行小波变换结果
对小波变化结果进行二值化处理
(5)
式中
——用第一个方向小波对f进行尺度为21及22的小波变换
T1、T2——图2 a、b对应的二值图像
——第一个方向小波对焊缝坡口图像f进行尺度为21及22的小波变换后在（i，j）点处的值
t1、t2——对应于图2 a、b的阈值
f ——表示图1
其中t1、t2分别通过对变换矩阵
中各数据求绝对值后加和求平均得到。
所得二值图像如下图所示
目标函数的意义为在二值图像中心线长度达到图像长度的80%以上的条件下对图像进行最少次的小波变换，以减少计算时间。优化算法流程图如图4所示。最后获得模板如图5所示。为提高模式识别精度，没有取整个二值图像作为模板，而是取其中一段，取模板尺寸为100X280（像素）。
N
S(j)=Tp与 Ts(1:100, j:(j+Stc))的互相关计算结果
j=j+1
j
坡口中心=求得列数+（坡口宽度/2）
Y
对后续图象进行小波变换及二值化处理获得二值图象Ts；初始化 j=1
j—列数 S—存储模板在后续二值图像中平移时在每一相应位置的互相关值的数组 Tp—模板 Ts—后续坡口二值化图像 Stc—模板的总列数 Sbc—二值图像总列数
5 结论
（1）使用二维小波变换法可以获取焊缝坡口图像在水平方向及垂直方向的突变纹理信息。
（2）针对不同坡口，在焊接初始状态生成一相应动态模板，将该模板与焊缝坡口图像进行模板匹配计算，可以获取图像中坡口及其中心线的基本位置。