摘要：隨著視覺傳感、圖像處理和人工智能等技術的發展，計算機視覺以其信息量大、精度高、通用性好、檢測范圍大等特點，在焊接領域得到了廣泛的應用。簡要地介紹了目前出現的三維計算機視覺技術和方法，綜述了該技術在焊接中的典型應用，并在此基礎上提出了目前存在的問題和未來的發展趨勢。

關鍵詞：三維計算機視覺；焊接；應用；發展

焊接過程是一個電、光、熱、力等綜合作用下的復雜的物理化學過程，為實現焊接生產的機械化和自動化，科技人員不斷地致力于開發機械、機電、電磁、電容、超聲、紅外、光電、激光、視覺、電弧、光譜等多種形式的弧焊傳感器。事實上，人類感知外界環境，80%以上是通過視覺得到的。同樣，熟練的焊工主要通過其視覺來從事焊接操作與控制。隨著計算機視覺技術的發展，借助于CCD攝像機、紅外攝像儀、X射線探傷儀、高速攝像機等圖像傳感設備及智能化的處理方法，許多機器人及特定的自動焊機也具備了一定的視覺功能。它們不僅可以模擬熟練焊工的視覺感知能力，而且可以超越人類局限，完成諸如：獲取并處理強弧光及飛濺干擾下的焊縫圖像、實時提取焊接熔池特征參數、預測焊縫的組織、結構及性能等工作，實現在人類難以直接作業的特殊場合（如水下、空間、核輻射環境等）下的自動焊接，確保焊縫質量的穩定性和可靠性。

筆者介紹了三維計算機視覺技術，綜述該技術在焊接中的典型應用實例，并在此基礎上指出了當前存在的問題及未來的發展趨勢。

1 三維計算機視覺

在使用攝像機對一個3D目標進行攝像得到目標的二維圖像的過程中，丟失了一些形狀信息，同時另外一些信息以各種各樣的形式，如：陰影、紋理、輪廓、遮擋、光流等信息保留在物體的圖像中，因此通過物體的圖像、圖像中隱含的線索和其他已知條件、假設條件可以得到物體的形狀信息和尺寸。三維計算機視覺就是研究由2D圖像恢復場景目標即3D信息的一門學科。目前用于三維恢復的方法主要有：結構光法、立體視覺法、光流法、光度立體法、陰影法和紋理法。

結構光成像和三維恢復

經典的結構光三維視覺方法是將基準光柵條紋結構光投影到物體表面，條紋隨著物體表面形狀的變化而發生畸變，攝像機攝取物體表面圖像，然后采用計算機圖像技術，從被物體表面形狀所調制了的畸變條紋模式中，提取出物體的三維信息。工業應用中很少采用基準光柵條紋結構光，而是采用一種簡化的激光掃描照射系統。這種方法的計算精度高，但價格昂貴、設備龐大，限制了其應用范圍。

立體視覺方法

屬于雙目或者多目視覺，采用兩個或者多個攝像機從不同的位置拍攝圖像，通過三角測距原理得到物體的三維尺寸。其缺點是設備安裝復雜，需要在多幅圖像之間進行對應點的匹配。

光流法

當目標在相機前運動或相機在一個固定的環境中運動時我們都能獲得對應的圖像變化，這些變化可用來恢復（獲得）相機和目標間的相對運動以及場景中多個目標間的相互關系。在具體技術上就是通過求解光流方程來求取表面朝向。要求：（1）圖像要有足夠的采樣密度；（2）在圖像平面中每一點上的灰度變化應該完全是由圖像中模式的運動引起的，不應該包括反射性質變化帶來的影響。其缺點是需要控制照明或物體運動且條件要求苛刻，適用范圍窄。

光度立體法

屬單目視覺，基本原理是在同一光照條件下，物體不同的表面朝向對應圖像中的不同灰度即反射圖方程。由于反射圖方程屬于病態方程，所以通過變換光源得到不同光照條件下的圖像，利用反射圖方程組來求解表面朝向，進而計算三維尺寸。應用的最理想情況是：成像光源和攝像機為無窮遠，物體表面為均勻漫反射表面，則可以得到理想反射圖方程；物體表面為光滑表面，并且已知物體表面的特征點高度。 陰影法 屬單目視覺，成像的基本原理同光度立體法，但不需要控制光源，是一種簡單可行的方法。此方法需要采用附加的約束如惟一性、連續性（表面、形狀）、相容性（對稱、外極線）等來求解反射圖方程，進而求得三維尺寸。運用的理想情況同光度立體法。

紋理法

屬單目視覺，利用物體表面上紋理的變化可以去確定表面取向并進而恢復表面的形狀。在獲取圖像的透射投影過程中，原始的紋理結構有可能發生變化，這種變化隨紋理所在表面朝向的不同而不同，因而帶有物體表面取向的信息。要求紋理元清晰、均勻、有固定的形狀。

2 三維計算機視覺在焊接中的應用

當焊接控制要求和精度提高到一定程度時，就需要用到工件、焊縫、熔池等目標的空間坐標、位置狀態等三維信息。

文獻4-7采用簡化的激光掃描照射系統已將三維恢復用于焊縫跟蹤、坡口形狀與接頭形式檢測、多道焊排道等方面。為了獲取熔池表面的三維信息，文獻8-9設計了一套由強脈沖激光柵格狀多結構光條紋和高電子快門攝像機組成的熔池視覺檢測系統，攝像機的電子快門與激光脈沖同步。試驗裝置如圖1A所示。圖1B為獲得的TIC焊熔池表面的三維圖像，電流為118A，弧長為3mm，材料為SS304不銹鋼。采用一定的圖像處理算法可提取結構光條紋的柵格框架和輪廓，如圖1C所示。進而可計算出熔池正面的高度。

文獻10開發了一套基于雙目立體視覺的機器人路徑規劃系統，該系統將雙目攝像機安裝在機器人的末端執行器上，使其能跟隨焊槍沿焊縫走向一起移動，采用自然光作為視覺系統的光源。經典的雙目立體視覺采用兩個圖像平面上特征點匹配，并根據三角測量原理來確定對象的三維坐標。對于焊縫來說，坡口邊緣內外不存在明確的特征點，所以無法使用特征點匹配。針對在局部圖像窗口中，焊縫可以近似為直線段的特點，作者設計了一種簡化的特征匹配算法來計算焊縫三維坐標，并通過人工神經網絡提高了精度和速度。該系統可以實現對直線和曲線焊縫的路徑規劃。

文獻11對填絲脈沖CTAW低碳鋼對接焊熔池圖像視覺傳感進行了研究。在文獻中，首次將三維計算機視覺中的陰影恢復形狀方法引入到焊接熔池表面高度信息提取上，通過對成像實際條件的深入分析，提出了符合實際成像條件的通用反射圖模型，并提出了求解方程的基本算法；針對實際焊接熔池圖像的特點，引入了表面光滑約束、邊界條件、灰度加權調整。在基本算法的基礎上形成了改進算法，成功地由單幅熔池圖像獲得了熔池正面三維形狀信息。圖2A是填絲CTAW的凸起形熔池圖像，圖2B是計算的結果。

3 存在的問題

鑒于焊接過程的復雜性以及先進制造業對焊接技術更高層次的需求，當前還必須解決以下問題。

3.1 三維計算機視覺的計算仍局限于mARR理論的計算機視覺理論框架

目前在焊接中應用的三維恢復算法，僅僅強調計算理論，整個處理過程也是自底向上沒有反饋的，沒有充分地利用知識，忽視了知識的表示、推理和知識庫的構建。

3.2 視覺傳感系統復雜

目前使用的視覺傳感系統一般都較為復雜，如結構光三維視覺傳感系統有激光發生器、CCD攝像機、光學轉換機構、機械掃描機構等組成，因此需要研制更為簡單化的、高可靠性的視覺傳感系統。積極推廣單目被動視覺的研究，簡化視覺傳感系統。

3.3 視覺計算速度慢

焊接質量的視覺傳感與閉環控制、機器人焊接的路徑規劃與姿態控制等都要求計算視覺傳感與控制具有很強的實時性和很高的控制精度，常用的視覺計算方法很難滿足實時控制的要求，因此在視覺計算中可采用并行計算信息處理技術。"發展趨勢隨著電子技術、計算機技術、自動控制技術以及信息和軟件技術迅速地引入到焊接領域，焊接生產自動化、智能化已經成為21世紀焊接技術發展的重要方向。采用最新的計算機視覺理論，開發焊接機器人視覺傳感與控制技術，研制能夠識別目標環境、實時精確跟蹤軌跡并調整焊接參數的智能焊接機器人已經成為焊接領域的重要發展趨勢之一。

國內外許多研究人員對機器人視覺系統在焊接接頭特征識別、焊接參數優化、焊槍姿態調節、焊接路徑規劃、焊縫跟蹤、焊縫熔透控制等方面的應用開展了卓有成效的研究。在此基礎上，國外知名的焊接機器人廠家，如KUKA，CMF，Motoman，Adept等相繼開發出裝備有新型視覺傳感系統的機器人。與普通機器人相比，新型機器人因具有更為廣闊的應用領域、更為強大的功能及更為優越的性能，而受到廣泛歡迎，其售價通常是普通機器人的2倍。國內也相繼開發出具有視覺傳感功能的智能化的特種機器人產品。具有視覺功能的機器人已經應用于汽車、航天和重型構件的生產以及鍋爐、管道、大型球罐的焊接生產。可以預見，在不久的將來，具有視覺功能的智能機器人必將在深水、外層空間及核輻射環境等惡劣的工作環境下完全替代焊工，完成焊接操作。

隨著視覺傳感設備和圖象處理算法的發展，不需要輔助光源知覺攝取 目標的視覺傳感方法將越來越受到重視。