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焊缝光纹快速提取算法研究

作　者: 崔明
导　师: 王滨；张文明
学　校: 沈阳大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 焊缝图像 图像处理算法 SOPC FPGA NiosⅡ软核处埋器
分类号: TG409
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 25次
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内容摘要


随着自动化焊接技术的发展,应用软件来实现焊缝光纹信息的提取无法满足焊接过程中的实时性要求,而SOPC技术和FPGA芯片的不断发展使得应用硬件来实现焊缝图像处理变得可行,特别是嵌入NiosⅡ软核处理器的FPGA芯片的应用使得焊缝图像处理系统的设计更加方便、灵活,图像的处理速度也得到了很大的提高。在分析了国内外焊缝图像处理的发展现状的基础上,介绍了SOPC技术和FPGA的开发环境、对图像处理算法进行了分析,并对焊缝图像处理系统进行了总体设计。整个焊缝图像处理系统由图像采集模块、图像处理模块、图像显示模块、焊枪控制模块等组成,其中图像处理模块负责具体算法的实现,是研究的重点。焊缝图像处理的第一步是进行预处理,去除图像中的噪声等干扰,预处理的数据量很大,对处理速度有很高的要求,.但其算法相对简单,基于FPGA的图像处理系统非常适合图像的预处理。另外,针对焊缝光纹图像的特点及对焊缝图像处理的要求,需要将焊缝光纹的特征信息快速提取出来传给控制机构来控制焊枪的行走,在进行焊缝中心位置提取之前要对焊缝光纹图像进行处理,使其达到理想效果。焊缝光纹图像处理算法包括中值滤波、二值化、边缘检测、中心位置提取等,文中对中值滤波算法进行了改进,设计了三点比较器模块,并利用模块复用原则7次调用该模块实现快速中值滤波,节省了硬件资源且处理速度也大大的提高了；边缘检测算法也进行了优化,采用流水线技术和模块化的设计思想,充分挖掘了算法内在的并行性。设计将二值化、边缘检测、中心位置提取等通常用软件来实现的算法采用硬件语言描述生成模块,并嵌入到FPGA芯片的NiosⅡ软核处理器中,在进行焊缝图像处理时可以方便的调用。算法的实现用Verilog HDL语言编写,开发软件是Altera公司的QuartusⅡ5.0,通过仿真波形可以看出算法正确可行,系统工作频率较高。图像处理结果显示使用FPGA芯片处理焊缝图像可以达到很好的处理效果,处理速度远远高于软件法处理图像,能够满足焊缝图像实时处理的要求。

全文目录


摘要  6-7
Abstract  7-13
1 绪论  13-23
  1.1 机器视觉与图像处理  13-14
    1.1.1 机器视觉概述  13
    1.1.2 数字图像处理  13-14
  1.2 焊缝跟踪与焊缝图像处理算法的研究现状  14-20
    1.2.1 焊缝跟踪的发展  14-17
    1.2.2 焊缝跟踪中的传感器  17-19
    1.2.3 焊缝图像处理算法的研究现状  19-20
  1.3 焊缝图像处理技术比较  20-21
  1.4 选题的目的及意义  21-22
  1.5 论文的主要内容  22-23
2 SOPC技术与FPGA的开发环境  23-31
  2.1 SOPC技术  23-25
    2.1.1 SOPC技术概述  23-24
    2.1.2 QuartuⅡ开发软件  24
    2.1.3 SOPC Builder  24
    2.1.4 NiosⅡIDE  24-25
  2.2 基于NIOS Ⅱ的SOPC设计流程  25-26
  2.3 FPGA简介及基本开发流程  26-29
    2.3.1 FPGA简介  26
    2.3.2 FPGA的基本设计流程  26-29
  2.4 硬件描述语言——Verilog HDL  29
  2.5 本章小结  29-31
3 焊缝光纹快速提取算法分析  31-39
  3.1 焊缝光纹图像  31
  3.2 影响焊缝光纹的因素  31-32
  3.3 图像处理算法分析  32-37
    3.3.1 中值滤波  32-33
    3.3.2 空域低通(卷积)滤波  33-34
    3.3.3 图像二值化  34
    3.3.4 图像边缘检测  34-37
    3.3.5 中心位置提取  37
  3.4 本章小结  37-39
4 焊缝图像处理系统总体设计  39-47
  4.1 系统设计方案  39
  4.2 系统的器件选择  39-44
    4.2.1 图像传感器  39-41
    4.2.2 FPGA芯片  41-42
    4.2.3 VGA显示器  42-43
    4.2.4 D/A转换器  43-44
  4.3 图像系统总体设计及流程  44-46
    4.3.1 系统总体设计  44-45
    4.3.2 图像处理流程  45-46
  4.4 本章小结  46-47
5 焊缝光纹快速提取算法系统的FPGA实现  47-83
  5.1 图像采集模块的设计  47-49
  5.2 中值滤波算法的设计实现  49-55
    5.2.1 中值滤波算法的选取  49-50
    5.2.2 快速中值滤波算法的设计  50-51
    5.2.3 快速中值滤波的FPGA实现  51-55
  5.3 二值化算法的设计实现  55-58
  5.4 边缘检测算法的设计实现  58-62
    5.4.1 边缘检测算法的选取  58
    5.4.2 Sobel边缘检测算法的原理及流程  58-59
    5.4.3 Sobel边缘检测算法的FPGA实现  59-62
  5.5 中线提取算法的设计实现  62-64
    5.5.1 中线提取方法  62
    5.5.2 中线提取算法的FPGA实现  62-64
  5.6 细化算法的设计实现及特征点信息的检测提取  64-69
    5.6.1 细化算法的选取  64-65
    5.6.2 形态学细化算法  65-66
    5.6.3 细化算法的FPGA实现  66-68
    5.6.4 特征点信息的检测  68-69
  5.7 基于NiosⅡ的图像处理系统  69-74
    5.7.1 NiosⅡ嵌入式处理器  69-71
    5.7.2 NiosⅡ系统生成与定制指令  71-74
  5.8 VGA图像显示模块设计  74-76
  5.9 图像处理结果与系统性能分析  76-81
    5.9.1 图像处理结果  76-79
    5.9.2 时序仿真与系统性能分析  79-81
  5.10 本章小结  81-83
6 结论与展望  83-85
  6.1 结论  83
  6.2 展望  83-85
参考文献  85-89
在学期间研究成果  89-91
致谢  91

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 焊接、金属切割及金属粘接 > 焊接一般性问题 > 焊接自动化技术
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