📚 课程目录第1章焊缝图像采集与预处理

1. 焊缝图像采集与预处理

任务目标

本案例面向视觉引导焊接系统，完成焊缝图像的采集方案设计，并实现灰度化、滤波与增强预处理流程，为后续焊缝特征提取与定位提供高质量输入图像。

环境与依赖

Python 3.8+，OpenCV 4.5+，NumPy 1.20+
图像采集：USB工业相机（如海康威视MV-CA013-20UC），通过OpenCV VideoCapture调用
若暂无相机，可使用本地焊缝图像文件验证预处理流程

图像采集方案

采用工业相机配合LED条形光源，以低角度（约15°～30°）照射焊缝区域，减少反光与弧光干扰。相机光轴与焊缝法线夹角控制在5°以内，采集分辨率设为1280×960，帧率30fps。曝光时间根据环境光自动调整，建议初始值5000μs，增益不超过12dB以避免噪声放大。

预处理流程与关键代码

预处理流程为：灰度化 → 中值滤波 → 直方图均衡化 → 伽马校正。灰度化将三通道图像转为单通道，降低计算量；中值滤波在去噪同时保留焊缝边缘锐度；直方图均衡化增强对比度；伽马校正补偿低灰度区域细节，使焊缝坡口与母材边界更清晰。

import cv2
import numpy as np

def capture_frame(camera_id=0, width=1280, height=960):
    """从工业相机采集一帧图像，返回BGR格式"""
    cap = cv2.VideoCapture(camera_id)
    cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH, width)
    cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, height)
    ret, frame = cap.read()
    cap.release()
    if not ret:
        raise RuntimeError("相机采集失败，请检查连接")
    return frame

def preprocess_weld_image(bgr_img, gamma=1.5):
    """
    焊缝图像预处理主流程
    输入: BGR图像
    输出: 增强后的单通道灰度图
    """
    # 1. 灰度化
    gray = cv2.cvtColor(bgr_img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

    # 2. 中值滤波去噪（核大小5，保留边缘）
    denoised = cv2.medianBlur(gray, 5)

    # 3. 直方图均衡化增强对比度
    equalized = cv2.equalizeHist(denoised)

    # 4. 伽马校正提升暗部细节
    look_up_table = np.array([
        ((i / 255.0) ** (1.0 / gamma)) * 255 for i in range(256)
    ]).astype("uint8")
    enhanced = cv2.LUT(equalized, look_up_table)

    return enhanced

if __name__ == "__main__":
    # 方式一：从相机实时采集
    # frame = capture_frame(0)
    # 方式二：从本地文件读取（验证用）
    frame = cv2.imread("weld_seam.jpg")
    if frame is None:
        raise FileNotFoundError("未找到weld_seam.jpg，请放置焊缝图像")

    result = preprocess_weld_image(frame)

    # 保存结果用于对比
    cv2.imwrite("weld_preprocessed.jpg", result)
    print("预处理完成，结果已保存为 weld_preprocessed.jpg")

运行与验证

安装依赖：pip install opencv-python numpy
将一张焊缝原始图像命名为weld_seam.jpg放在脚本同目录
运行脚本：python weld_preprocess.py
观察输出文件weld_preprocessed.jpg，与原图对比

通过判定标准：预处理后图像中焊缝坡口边缘与母材背景的灰度差异明显增大，焊缝区域纹理细节（如坡口边界线）肉眼可辨，且无明显椒盐噪声残留。若使用相机实时采集，程序能正常读取一帧图像并完成上述处理，即视为采集与预处理链路打通。

常见问题

图像过暗或过曝：调整相机曝光时间（建议2000～10000μs范围）或光源亮度，确保焊缝区域灰度均值在100～180之间。
滤波后边缘模糊：中值滤波核从5降至3，或改用双边滤波（cv2.bilateralFilter）在去噪同时保护边缘。
弧光干扰严重：在相机镜头前加装窄带滤光片（中心波长与光源一致），并在软件中增加ROI裁剪，仅保留焊缝附近区域。