图像实时检测技术在激光切割中的应用研究

胡家兵+++郭宇斌+++梁依忱

摘 要：随着科技的进步，激光切割已经开始广泛应用，其中激光切割模切板具有高效率、高质量、高精度等特点。文章对于图像实时检测技术在激光切割模切板中的应用进行研究，设计基于数字图像处理的实时在线检测割缝宽度的软硬件系统，以提高模切板工业生产的加工精度。

关键词：图像实时检测；激光切割；数字图像处理

1 研究背景

随着科学技术的高速发展和人类文明的不断进步，随着市场竞争的激烈，传统的模切板加工方式已不能满足需要，而激光切割模切板具有高效率、高质量、高精度等特点，激光切割模切板取代传统方式的趋势日益明显[1]。激光切割模切板生产过程中，激光切割头和模切板运动速度可高达5m/min以上，割缝宽度往往小于1mm，很难用人工检查。随着数字图像处理在工业生产自动化系统中越来越广泛的应用，利用CCD提取割缝图像，并将其数字化后送往DSP进行处理，提取图像的特征，实现工业在线检测割缝宽度。因此，研究图像实时检测技术在激光切割中的应用具有一定的理论和现实意义。

2 数字图像处理方式

2.1 基于计算机

计算机上能用于图像处理的软件很多，如MATLAB，Visual C++等。C++通过图形设备接口和位图提供对数字图像处理编程的最基本支持。MATLAB图像处理工具箱封装了一系列针对不同图像处理需求的标准算法。但是缺点也很明显：处理速度较慢，体积较大，功耗也很大。

2.2 基于FPGA

使用FPGA作为图像处理系统的核心。FPGA集成了SRAM存储器、数字信号处理（DSP）、乘法器模块、串行收发器、存储控制器和高级I/O接口等功能。FPGA的使用非常灵活，由于硬件的并行性，可以实现图像的高速处理。不过FPGA的编程采用硬件描述语言，复杂的算法比较难实现。

2.3 基于DSP

DSP处理器是专门设计用来进行高速数字信号处理的微处理器。DSP易于满足图像处理中运算量大、实时性强、数据传输速率高等要求，而且有与计算机强大的多媒体交互能力。除了硬件结构的优越性之外，DSP还有特殊指令可以缩短程序运行时间。DSP的开发也相对简单，如TI的DSP有自己的集成开发环境CCS，采用C语言编程，有过其他软件编程经验的开发人员都很容易上手。

3 工程设计

3.1 采取旁轴集成

检测装置采取旁轴的方式集成到激光切割机上，这主要是考虑到了旁轴结构的简单性。

3.2 采用辅助光源加滤波片

通过采用“加装恒定功率的蓝紫光灯配合只能通过蓝紫光的滤波片”的方案，完善了采集图像的硬件设备。排除了光斑和燃烧焰的影响，很大程度上排除了存在不确定性的可见光干扰，从物理手段上大幅提高采集图像的图像质量，有助于提高系统的精确性。同时也降低了算法的难度，减轻了DSP的负担，提高了系统的实时性。

3.3 采用基于DSP的图像处理系统[2]

将CCD采集的图像经过模数转成数字图像送入DSP，由DSP对图像进行处理。这种设计方案的优点是简单、灵活，成本比较低，便于实际中应用。

4 算法设计

4.1 滤波去噪

在获取或传输图像的过程中不可避免地会产生图像噪声，从而使图像的质量下降、特征模糊，给后续的图像分析带来很大的麻烦。滤波的目的就是除去图像中的噪声，以便对图像做进一步的处理。

图像滤波我们采用的是中值滤波，中值滤波对脉冲噪声有良好的滤除作用，特别是在滤除噪声的同时，能够保护信号的边缘，使之不被模糊。此外，中值滤波的算法比较简单，也易于用硬件实现。经过滤波以后，图像的噪声大幅度减小。

4.2 图像分割

图像分割的目的是为了从已有的图像中提取感兴趣的区域和信息，用于后续的处理。在本算法里面就是把割缝从背景中分离，用于后续的缝宽检测。我们采用的是阈值二值化，阈值二值化（分割）具有快速和有效性，它的基本目的在于按照灰度级将图像空间划分成与现实景物相对应的一些有意义的区域。经过实践，能够很好地把背景和割缝分离开来。

4.3 缝宽计算

首先通过行扫描或列扫描，记录下黑色像素点数目。然后求取差方和最小的几行（列）作为图像最佳计算区域。同时计算割缝走向斜率，把黑色像素点数（宽度）换算成割缝宽度，然后结合实验数据换算成实际的割缝宽度。

5 系统的实时性，精确性论证

设计预期是测量精度达到0.1mm，响应时间小于0.1s。满足模切板加工要求。

5.1 精确度的论证

当缝宽为1mm左右时，误差为0.0144mm，最大误差0.0246mm，满足预期目标要求。同时，我们采用标准切割件做了一个简单的定标。结果完全符合预期。

5.2 实时性的论证

把预处理和缝宽计算代码放到MFC框架下运行。通过Profile功能查看算法耗时，可见耗时（加上调用的Windows库函数）在12毫秒以内。测试使用PC机MIPS为25000左右。

6 结束语

文章对于图像实时检测技术在激光切割中的应用进行了研究。通过实时图像检测技术有利于进一步提高加工精度，提高模切板加工的良品率。这样带来了安装的方便和低廉的成本，稍具水平的电子厂商都能生成系统的电路板和相关模块，成本可以控制在绝大多数企业都能接受的范围内。

可见“图像实时检测技术在激光切割中的应用研究”对于实际的工业生产有着很直观的经济效益。

参考文献

[1]方石银.激光切割模切板研究[D].湖南大学，2005：9.

[2]张妍.基于DSP的混凝土裂缝宽度测量系统的设计及实验研究[D].

北京工业大学，2006：9-10、17-19、46-47.

作者简介：胡家兵（1995，12-），男，南京理工大学本科在读，单位：南京理工大学理学院，研究方向：激光与光电技术。