一種水下焊縫自動識別方法本發(fā)明是申請?zhí)枮?01510035530.4、申請日為2015年1月24日、發(fā)明名稱為“一種水下焊縫自動識別方法”的專利的分案申請。技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及水下焊接領(lǐng)域，尤其涉及一種水下焊縫自動識別方法。

背景技術(shù)：
水下焊接是水下工程結(jié)構(gòu)的安裝、維修施工中不可缺少的重要工藝手段。這種工藝手段經(jīng)常被用于海上救撈、海洋能源、海洋采礦等海洋工程和大型水下設(shè)施的施工過程中。在水下焊接的過程中，由于水下工作環(huán)境的特殊性，施工方通常采用脫離水面的水上計算機控制系統(tǒng)對水下焊接設(shè)備進(jìn)行控制，例如，焊接設(shè)備和被焊接工件的位置確定和相互移動，焊接縫隙的確定以及焊接操作的控制，這樣的遠(yuǎn)程控制方式方便操作人員不需要下水親自操作，即可完成整個水下焊接操作過程。其中，被焊接工件的焊縫識別非常關(guān)鍵，關(guān)系著焊接的精確度和焊接效果?，F(xiàn)有技術(shù)中水下焊縫識別方案僅僅是通過水下攝像機對被焊接工件整個圖像進(jìn)行拍攝，將拍攝后的工件圖像整個壓縮編碼后實時傳輸給水上計算機控制系統(tǒng)，水上操作人員通過觀看工件圖像，憑借經(jīng)驗確定焊縫位置，操縱水下的焊接設(shè)備，按照焊縫位置進(jìn)行焊接。但是，這種識別方式存在以下弊端：(1)由于水下環(huán)境惡劣，遠(yuǎn)程傳輸過來的工件圖像往往模糊不清，影響焊縫位置的判斷；(2)由于工件圖像未經(jīng)過圖像處理即傳輸過來，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量偏大，而有效數(shù)據(jù)較少；(3)水下攝像機一直在拍攝狀態(tài)，浪費有限的水下電源。因此，需要一種水下焊縫自動識別方法，能夠?qū)λ聰z像機拍攝的工件圖像進(jìn)行有效處理，識別到與焊接縫隙相關(guān)的圖像，并僅僅傳輸與焊接縫隙相關(guān)的圖像，同時，能夠建立起水下攝像設(shè)備的省電管理機制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種水下焊縫自動識別方法，改造現(xiàn)有的水下焊縫識別系統(tǒng)，針對惡劣的水下環(huán)境，引用多種對應(yīng)的圖像處理技術(shù)自動識別出清晰的焊接縫隙圖像，僅僅向水上傳輸識別到的焊接縫隙圖像，而且，引入超聲波檢測技術(shù)，保障水下攝像設(shè)備只有在靠近焊接工件的情況下才啟動水下攝像操作，從而在提高焊接縫隙識別的智能化水平的同時，節(jié)省了緊缺的水下電力。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種水下焊縫自動識別方法，該方法包括下列步驟：1)提供一種水下焊縫自動識別系統(tǒng)，所述識別系統(tǒng)包括水下光源、水下攝像機、控制設(shè)備和無線通信設(shè)備，所述水下光源用于為所述水下攝像機的水下拍攝提供光源，所述水下攝像機用于拍攝水下工件被焊接時的焊接圖像，所述控制設(shè)備與所述水下攝像機連接，用于對所述焊接圖像執(zhí)行圖像處理，以識別出所述焊接圖像中的工件焊縫，所述無線通信設(shè)備位于水上，通過水下電纜與所述控制設(shè)備連接，以接收所述工件焊縫并將所述工件焊縫無線發(fā)送給水上計算機；以及2)使用所述系統(tǒng)來識別。更具體地，在所述水下焊縫自動識別系統(tǒng)中，還包括：固定橫桿，豎立在水中，用于將超聲波距離探測設(shè)備、水下光源和水下攝像機固定在同一垂直面上，所述固定橫桿正對所述水下工件放置；驅(qū)動設(shè)備，與所述固定橫桿連接，用于驅(qū)動所述固定橫桿向所述水下工件移動；靜態(tài)存儲設(shè)備，用于預(yù)先存儲超聲波水下傳輸速率、相對距離閾值和百分比閾值；超聲波距離探測設(shè)備，正對所述水下工件放置，包括RS-232串行通信接口、超聲波發(fā)射器、超聲波接收器和微控制器，所述超聲波發(fā)射器用于向所述水下工件發(fā)射超聲波信號，所述超聲波接收器用于接收所述水下工件發(fā)射回來的超聲波信號，所述微控制器與所述超聲波發(fā)射器、所述超聲波接收器和所述靜態(tài)存儲設(shè)備分別連接，根據(jù)所述超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波信號和所述超聲波接收器接收超聲波信號之間的時間差以及所述超聲波水下傳輸速率計算所述水下工件距離所述超聲波距離探測設(shè)備的相對距離，并在所述相對距離小于等于所述相對距離閾值時發(fā)出啟動拍攝信號，所述RS-232串行通信接口與所述微控制器連接，用于將所述相對距離和所述啟動拍攝信號以串行通信方式發(fā)送出去；所述水下光源為鹵鎢燈光源，與所述超聲波距離探測設(shè)備連接，當(dāng)接收到所述啟動拍攝信號時，啟動對所述水下工件的輔助照明；所述水下攝像機為高清攝像頭，與所述超聲波距離探測設(shè)備連接，當(dāng)接收到所述啟動拍攝信號時，啟動對所述水下工件的焊接圖像的拍攝，所述高清攝像頭的分辨率為1280×720；所述控制設(shè)備包括單片機和四塊FPGA芯片；所述四塊FPGA芯片分別用于實現(xiàn)小波濾波單元、灰度化處理單元、閾值確定單元和圖像分割單元，所述小波濾波單元與所述水下攝像機連接，用于對所述焊接圖像基于Harr小波濾波器執(zhí)行小波濾波，獲得濾波圖像，所述灰度化處理單元與所述小波濾波單元連接，用于對所述濾波圖像執(zhí)行灰度化處理，獲得灰度圖像，所述閾值確定單元與所述灰度化處理單元連接，逐一選擇0-255之間的每一個灰度值作為候選灰度值閾值，使用候選灰度值閾值將所述灰度圖像分割為目標(biāo)灰度圖像和背景灰度圖像，并統(tǒng)計所述目標(biāo)灰度圖像和所述背景灰度圖像之間的像素灰度值方差，取所述像素灰度值方差最大的候選灰度值閾值作為目標(biāo)灰度值閾值，所述圖像分割單元與所述閾值確定單元和所述灰度化處理單元連接，基于所述目標(biāo)灰度值閾值將所述灰度圖像分為目標(biāo)灰度圖像和背景灰度圖像，將基于所述目標(biāo)灰度值閾值分割到的目標(biāo)灰度圖像作為所述焊接圖像中的工件焊縫輸出；所述單片機與所述超聲波距離探測設(shè)備、所述圖像分割單元和所述水下攝像機分別連接，對所述焊接圖像執(zhí)行MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的圖像壓縮以生成壓縮焊接圖像，并將所述相對距離、所述工件焊縫和所述壓縮焊接圖像轉(zhuǎn)發(fā)給所述無線通信設(shè)備；所述無線通信設(shè)備與所述驅(qū)動設(shè)備和所述單片機分別連接，無線接收水上計算機發(fā)送的驅(qū)動控制信號，并將所述驅(qū)動控制信號轉(zhuǎn)發(fā)給所述驅(qū)動設(shè)備，以控制所述固定橫桿在水中的位置，還將所述相對距離、所述工件焊縫和所述壓縮焊接圖像無線發(fā)送給所述水上計算機；其中，所述單片機還與所述閾值確定單元和所述靜態(tài)存儲設(shè)備分別連接，以在自身資源占用率在百分比閾值以下時，替換執(zhí)行所述閾值確定單元的全部操作，在自身資源占用率在百分比閾值以上時，結(jié)束對所述閾值確定單元的全部操作的替換。更具體地，在所述水下焊縫自動識別系統(tǒng)中，所述微控制器在所述相對距離大于所述相對距離閾值時發(fā)出結(jié)束拍攝信號。更具體地，在所述水下焊縫自動識別系統(tǒng)中，所述水下光源當(dāng)接收到所述結(jié)束拍攝信號時，停止對所述水下工件的輔助照明。更具體地，在所述水下焊縫自動識別系統(tǒng)中，所述水下攝像機當(dāng)接收到所述結(jié)束拍攝信號時，停止對所述水下工件的焊接圖像的拍攝。更具體地，在所述水下焊縫自動識別系統(tǒng)中，將所述控制設(shè)備、所述靜態(tài)存儲設(shè)備和所述驅(qū)動設(shè)備集成在一塊集成電路板上，并將所述集成電路板封閉在防水外殼內(nèi)。更具體地，在所述水下焊縫自動識別系統(tǒng)中，所述水下光源、所述水下攝像機和所述超聲波距離探測設(shè)備分別具有防水外殼。附圖說明以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方案進(jìn)行描述，其中：圖1為根據(jù)本發(fā)明實施方案示出的水下焊縫自動識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明實施方案示出的水下焊縫自動識別系統(tǒng)的超聲波距離探測設(shè)備的結(jié)構(gòu)方框圖。具體實施方式下面將參照附圖對本發(fā)明的水下焊縫自動識別系統(tǒng)的實施方案進(jìn)行詳細(xì)說明。隨著陸地資源的日趨緊張，人們開始將開發(fā)的眼光投入水下，水下資源包括海洋資源和內(nèi)陸河道資源，由于水下環(huán)境的惡劣性，只有提高水下焊接技術(shù)的成熟度，才能加快水下資源開發(fā)速度，從而獲得更多的經(jīng)濟效益。傳統(tǒng)的水下焊接有干法、濕法和局部干法三種。干法焊接是采用大型氣室罩住焊件，焊接操作人員在氣室內(nèi)進(jìn)行焊接，具有安全性好的優(yōu)點，但是局限性很大，應(yīng)用不普遍。濕法焊接是焊接操作人員在水下直接焊接，而不是人為地將焊接區(qū)周圍的水排開，這種方式應(yīng)用較多，但安全性不高。局部干法焊接是焊接操作人員在水中施焊，但人為地將焊接區(qū)周圍的水排開，這種方法使用不普遍。當(dāng)前應(yīng)用越來越多的是將焊接設(shè)備和焊接工件置于水中，焊接操作人員在水上遠(yuǎn)程操控焊接設(shè)備尋找焊縫，執(zhí)行焊接操作，這種方式克服了上述三種水下焊接方法的缺點，但由于是遠(yuǎn)程控制，焊縫的識別精確度尤其關(guān)鍵。本發(fā)明的水下焊縫自動識別系統(tǒng)，通過高精度的圖像識別方法自動識別出清晰的焊縫圖像，并傳送給水上計算機系統(tǒng)為操作人員遠(yuǎn)程操作提供有效依據(jù)，另外，通過超聲波檢測技術(shù)確定水下攝像機與工件的距離，在距離在相對較近的位置時方啟動水下攝像機的操作，保障拍攝的圖像有參考意義的同時，降低了水下攝像機的用電需求。圖1為根據(jù)本發(fā)明實施方案示出的水下焊縫自動識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖，所述識別系統(tǒng)包括：水下光源1、水下攝像機2、控制設(shè)備3、無線通信設(shè)備4和電力供應(yīng)設(shè)備5，所述控制設(shè)備3與所述水下光源1、所述水下攝像機2、所述無線通信設(shè)備4和所述電力供應(yīng)設(shè)備5分別連接。其中，所述水下光源1用于為所述水下攝像機2的水下拍攝提供光源，所述水下攝像機2用于拍攝水下工件被焊接時的焊接圖像，所述控制設(shè)備3用于對所述焊接圖像執(zhí)行圖像處理，以識別出所述焊接圖像中的工件焊縫，所述無線通信設(shè)備4位于水上，通過水下電纜與所述控制設(shè)備3連接，以接收所述工件焊縫并將所述工件焊縫無線發(fā)送給水上計算機，所述電力供應(yīng)設(shè)備5在所述控制設(shè)備3的控制下為所述水下焊縫自動識別系統(tǒng)提供電力供應(yīng)。接著，繼續(xù)對本發(fā)明的水下焊縫自動識別系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的說明。所述識別系統(tǒng)還包括：固定橫桿，豎立在水中，用于將超聲波距離探測設(shè)備、水下光源1和水下攝像機2固定在同一垂直面上，所述固定橫桿正對所述水下工件放置。所述識別系統(tǒng)還包括：驅(qū)動設(shè)備，與所述固定橫桿連接，用于驅(qū)動所述固定橫桿向所述水下工件移動。所述識別系統(tǒng)還包括：靜態(tài)存儲設(shè)備，用于預(yù)先存儲超聲波水下傳輸速率、相對距離閾值和百分比閾值。如圖2所示，所述識別系統(tǒng)還包括：超聲波距離探測設(shè)備，正對所述水下工件放置，包括RS-232串行通信接口7、超聲波發(fā)射器8、超聲波接收器9和微控制器6，所述超聲波發(fā)射器8用于向所述水下工件發(fā)射超聲波信號，所述超聲波接收器9用于接收所述水下工件發(fā)射回來的超聲波信號，所述微控制器6與所述超聲波發(fā)射器8、所述超聲波接收器9和所述靜態(tài)存儲設(shè)備分別連接，根據(jù)所述超聲波發(fā)射器8發(fā)射超聲波信號和所述超聲波接收器9接收超聲波信號之間的時間差以及所述超聲波水下傳輸速率計算所述水下工件距離所述超聲波距離探測設(shè)備的相對距離，并在所述相對距離小于等于所述相對距離閾值時發(fā)出啟動拍攝信號，所述RS-232串行通信接口7與所述微控制器6連接，用于將所述相對距離和所述啟動拍攝信號以串行通信方式發(fā)送出去。所述水下光源1為鹵鎢燈光源，與所述超聲波距離探測設(shè)備連接，當(dāng)接收到所述啟動拍攝信號時，啟動對所述水下工件的輔助照明。所述水下攝像機2為高清攝像頭，與所述超聲波距離探測設(shè)備連接，當(dāng)接收到所述啟動拍攝信號時，啟動對所述水下工件的焊接圖像的拍攝，所述高清攝像頭的分辨率為1280×720。所述控制設(shè)備3包括單片機和四塊FPGA芯片；所述四塊FPGA芯片分別用于實現(xiàn)小波濾波單元、灰度化處理單元、閾值確定單元和圖像分割單元，所述小波濾波單元與所述水下攝像機2連接，用于對所述焊接圖像基于Harr小波濾波器執(zhí)行小波濾波，獲得濾波圖像，所述灰度化處理單元與所述小波濾波單元連接，用于對所述濾波圖像執(zhí)行灰度化處理，獲得灰度圖像。所述閾值確定單元與所述灰度化處理單元連接，逐一選擇0-255之間的每一個灰度值作為候選灰度值閾值，使用候選灰度值閾值將所述灰度圖像分割為目標(biāo)灰度圖像和背景灰度圖像，并統(tǒng)計所述目標(biāo)灰度圖像和所述背景灰度圖像之間的像素灰度值方差，取所述像素灰度值方差最大的候選灰度值閾值作為目標(biāo)灰度值閾值，所述圖像分割單元與所述閾值確定單元和所述灰度化處理單元連接，基于所述目標(biāo)灰度值閾值將所述灰度圖像分為目標(biāo)灰度圖像和背景灰度圖像，將基于所述目標(biāo)灰度值閾值分割到的目標(biāo)灰度圖像作為所述焊接圖像中的工件焊縫輸出。所述單片機與所述超聲波距離探測設(shè)備、所述圖像分割單元和所述水下攝像機2分別連接，對所述焊接圖像執(zhí)行MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的圖像壓縮以生成壓縮焊接圖像，并將所述相對距離、所述工件焊縫和所述壓縮焊接圖像轉(zhuǎn)發(fā)給所述無線通信設(shè)備4。所述無線通信設(shè)備4與所述驅(qū)動設(shè)備和所述單片機分別連接，無線接收水上計算機發(fā)送的驅(qū)動控制信號，并將所述驅(qū)動控制信號轉(zhuǎn)發(fā)給所述驅(qū)動設(shè)備，以控制所述固定橫桿在水中的位置，還將所述相對距離、所述工件焊縫和所述壓縮焊接圖像無線發(fā)送給所述水上計算機。其中，所述單片機還與所述閾值確定單元和所述靜態(tài)存儲設(shè)備分別連接，以在自身資源占用率在百分比閾值以下時，替換執(zhí)行所述閾值確定單元的全部操作，在自身資源占用率在百分比閾值以上時，結(jié)束對所述閾值確定單元的全部操作的替換。其中，在所述識別系統(tǒng)中，所述微控制器6還可以在所述相對距離大于所述相對距離閾值時發(fā)出結(jié)束拍攝信號，所述水下光源1當(dāng)接收到所述結(jié)束拍攝信號時，可以停止對所述水下工件的輔助照明，所述水下攝像機2當(dāng)接收到所述結(jié)束拍攝信號時，可以停止對所述水下工件的焊接圖像的拍攝，以及可以將所述控制設(shè)備3、所述靜態(tài)存儲設(shè)備和所述驅(qū)動設(shè)備集成在一塊集成電路板上，并將所述集成電路板封閉在防水外殼內(nèi)，所述水下光源1、所述水下攝像機2和所述超聲波距離探測設(shè)備分別具有防水外殼。另外，小波，即Wavelet，就是小區(qū)域、長度有限、均值為0的波形。所謂“小”是指它具有衰減性；而稱之為“波”則是指它的波動性，其振幅正負(fù)相間的震蕩形式。與Fourier變換相比，小波變換是時間(空間)頻率的局部化分析，他通過伸縮平移運算對信號(函數(shù))逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分，能自動適應(yīng)時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細(xì)節(jié)，解決了Fourier變換的困難問題，可以把小波變換稱為“數(shù)學(xué)顯微鏡”，其中小波濾波是小波變換的重要應(yīng)用之一。另外，串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有幾種，但都是在RS-232標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)而形成的。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)是美國EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會)與BELL等公司一起開發(fā)的1969年公布的通信協(xié)議。他適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20000b/s范圍內(nèi)的通信。這個標(biāo)準(zhǔn)對串行通信接口的有關(guān)問題，如信號線功能、電氣特性都作了明確規(guī)定。由于通信設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，他作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機通信接口中廣泛采用。RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA(ElectronicIndustryAssociation)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識號，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400波特。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。采用本發(fā)明的水下焊縫自動識別系統(tǒng)，針對現(xiàn)有水下焊縫識別模式識別精度不高導(dǎo)致焊接效果差的技術(shù)問題，一方面，通過對焊接圖像引入圖像處理方式，尤其引入用于圖像背景分割的閾值選擇機制，提高焊接縫隙識別的準(zhǔn)確度，另一方面，引入超聲波距離檢測機制以確保水下攝像機只有在較近距離時才啟動拍攝操作，在保障拍攝的焊接圖像的有效性的同時，也提高了作為圖像識別基礎(chǔ)的焊接圖像的清晰度?？梢岳斫獾氖?，雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然而上述實施例并非用以限定本發(fā)明。對于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。