研制了一套激光熔池CCD测温系统专用软件，用于激光熔池温度场分析。在熔池斜上方固定安装激光熔池CCD测温装置，拍摄激光熔池，CCD经过光电转换产生代表熔池辐照度信息的信号，经过图像卡采集后，采用专用软件处理，就可以通过计算机显示熔池热辐射过程图像，并得到熔池温度场分布。结果表明，该软件界面简洁、操作简单，能够给出激光熔池温度场分布、尺寸、加工工艺等信息，进一步发展，可用于激光加工的在线监控和反馈控制。
1 引言
研究激光熔池温度场分布情况，对于改进激光加工质量，调整激光加工工艺参数，具有重要的意义，近年来受到了广泛的关注。提出采用彩色CCD进行激光熔池温度场检测研究，硬件部分包括彩色CCD、光学系统、数据图像卡和计算机等，本文重点研究该测温系统的软件设计。由于激光熔池存在高亮度、尺寸小和热过程复杂等特点，而且检测激光熔池动态过程中存在许多不稳定因素，所以，根据激光加工中的实际情况，开发了专用的测温软件，能够实时驱动硬件系统拍摄并记录激光熔池动态过程信息，并给出熔池的温度场分布。
2 测温数据流程
激光熔池热辐射图像经过光学系统成像于CCD.经过光电转换产生代表辐照度信息的电荷信号，CCD电路处理系统完成二维扫描、信号放大和制式转换，最终经过图像卡将标准视频信号数字化为计算机可以处理的数字图像。CCD输出的是普通视频信号，为一维时间序列信号。为了进行计算机处理，必须把连续的图像视频信号离散为数字信号，用有限数列或数阵表示一幅图像，即进行图像的数字化，这一过程由图像采集卡来完成。视频信号经过图像采集卡后，就可以通过计算机显示CCD拍摄到的画面，可以保存某些画面为数字图像，再通过数字图像处理技术进行处理。
激光熔池信息从热辐射出发，最终被转化为一幅幅数字图像，需要经过多个转换环节，如图1所示。这一图像的数字化过程包括空间、时间和幅值离散化二个部分:空间离散化是指将连续的热辐射谱按CCD的光敏单元数离散(但每一像素接收到辐射信号在时间上仍连续);时间离散化是把每一个像素在时间上仍连续的辐射信息离散为单位时间内有限帧图像;幅值离散化是用有限离散数值表示连续的热辐射强度信息。
3 软件结构与模块
3. 1 软件结构
图2所示为软件的功能结构图，主要包含以下几个模块:图像采集、图像数据输人/输出、图像处理和温度场分析。
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3. 2 图像采集模块
1)功能:完成图片采集和抓拍图片，输人PC机存储在硬盘当中，同时完成界面的采集图像输出功能二
2)任务:要求CCD摄像机、光学系统、数据采集卡和PC机的正确连接和同步运行。
3)输人项:激光熔池热辐射。
4)输出项:A/D转换后的数字信号。图3所示为图像采集模块逻辑流程图。
3.3 数据输入厂输出模块
1) 功能:采集图片以位图文件的格式写人存储介质(PC硬盘)，并显示图片及各种数据处理结果。
该模块在设计时与图像采集模块是同步并行关系。
2)任务:实现图像数据的输人，保存在外部存储器中，并输出浏览。
3)输人项:图像采集模块后的输出数据。
4)输出项:.bmp格式的位图文件及对应的数据信息。
图4所示为数据输入/输出模块逻辑流程图。
3.4 图像处理模块
1)功能:对拍摄得到的热辐射图像进行处理，提取有用信息。
2)任务:对采集得到的图片做如下处理:去除噪声、图片缩放、图片裁剪、阂值分割、灰度化、伪彩色显示等处理。
3)输入项:*.bmp格式位图。
4)输出项:分析和处理结果。
图5所示为图像处理模块逻辑流程图。
3.4.1 噪声消除
噪声消除称为图像平滑或滤波，针对激光熔池图像的特点，采用邻域平均法消除噪声。设f(i,j)为给定含有噪声的图像，经过平滑处理后为g(i,j)，在数学上可表示为:
G(i,j)=Σf(i,j)/M
3.4.2 图像灰度化
图像卡采集过来的图像为彩色图像，为加快处理速度，要把彩色图像转换为灰度图像。由彩色转化为灰度的过程叫做灰度化处理，即是把含有亮度和色彩的彩色图像变换成灰度图像的过程门。
一般情况下彩色图像每个像素点用3个字节表示.每个字节对应着R,G,B(红、绿、蓝)三色分量信息而灰度图像的每个像素点只需要用一个字节表不，大大提高r计算机处理速度.其值范围在0~255之间。转换关系如下:
Gray(i,j)=0.11R(i,j)0.59G(i,j)+0.3B(i,j) (2)
其中Gray(i,j)为转换后的灰度图像在(i,j)点处的灰度值。nextpage
3.4 3 图像缩放与裁剪
图像缩放包括两种操作:一种是对图像进行缩放，另一种是改变空间尺寸.但不改变图像大小，将图像放在新的缩放后的空间中，就像改变相框大小，不改变相片大小一样。缩放的原理就是将原图的X轴和Y轴的坐标值乘上缩放比例系数得到新的坐标值。由于激光熔池尺寸小。拍摄得到的激光熔池热辐射图像在CCD成像区占比较小的区域，为了便于观察，需要增大熔池热辐射图像显示尺寸.并对拍摄图片进行裁剪，使熔池热辐射图像置于视场中心，突出检测的目标场。
3.4.4 阈值分割
由于拍摄图片中有火花飞溅、燃烧烟雾等的干扰，必须准确识别待测目标。激光熔池辐射属于主动热辐射其形成的热辐射图像场与背景在灰度特性上有比较大的差异，将CCD采集得到的图像视为具有不同灰度级别的两类区域(激光熔池目标场和背景场)的组合.通过选取一个合适的阂值，将其区分开来。
3.5 温度场分析模块
1)功能:根据图像处理后的图片和温度计算公式.得到激光熔池热辐射图像对应的温度场分布。
2)任务:提取热辐射图像每个像素点三色灰度值.代人温度计算公式进行计算，得到每个像素点对应温度，通过伪彩色显示激光熔池温度场分布。
3)输人项:图像处理后图片和温度计算公式。
4)输出项:温度值，伪彩色等值线显示。
图6所示为温度场分析模块逻辑流程图。
4 实验条件与结果分析
4. 1 实验条件
1)激光器:HL-5000型CO2连续激光器，主要参数为:波长λ=10.5μm，额定功率5000W ,稳定度±5%，光束发散角镇≤10mrad.
2)数控机床:配有SIEMENS 802D系统的五轴四联动数控机床。
3)激光熔池CDD测温系统:主要由彩色CCD,光学系统、数据卡和温度场分析软件等组成，使用前经中国计量科学研究院BF1400黑体标准辐射源标定。
4)试件:120*100*10mm的45#钢板。
4. 2 实验结果及分析
采用自主研制的激光熔池CCD测温系统，对运动状态下的激光熔凝熔池温度场进行了检测研究。如图7所示为软件分析界面。
界面主要由图像采集、图像处理、温度场伪彩色图、工艺参数和温度计算显示区等组成。
1) 图像采集区
该区显示采集得到的图像信息，结果是激光熔池热辐射过程图像。该部分图像直接由CCI)采集得到，由计算机显示、保存。可以看出熔池热辐射图像在整个视场区占比较小部分，由于激光熔池辐射为主动热辐射，所以，其形成的热辐射图像反映了它的热辐射信息，由普朗克定律可知其热辐射信息与温度和
波长有关，而背景则由于为环境被动反射辐射或热辐射强度太弱，所以，在视场里面显示为黑色。
2) 图像处理区
采集图片经过去除噪声、灰度化、缩放裁减和阂值处理等图像处理后，处理结果显示在该区内。图像经过了放大处理.并显示在视场中心。便于观察。
3) 温度场伪彩色显示
显示温度场分布、尺寸标尺和标定数值信息。在拍摄的时侯。Y轴负方向为激光运动方向，X,Y方向尺寸为激光熔池区域的尺寸;温度标尺为根据黑体炉图像提取的温度信息和温度计算公式计算得到的温度值。由标定获得。可以通过伪彩色分布看出激光熔池的动态温度分布信息。
4) 工艺参数显示区
显示的工艺参数包括工件材料、粉末材料、激光功率、扫描速度、送粉量、离焦量等.
5) 温度计算显示区
显示鼠标采集点的温度计算结果以及图片大小等信息。
5 结论
采用彩色CCD进行激光熔池温度场检测研究，根据激光熔池和测温装置的特征，开发了专用的温度场分析软件。该软件具有结构简洁、操作简单的特点。能够实时驱动测温装置拍摄并记录激光熔池热辐射信息，井给出激光熔池温度场分布、熔池尺寸、工艺参数等信息.进一步发展.将会成为激光加工在线监测和闭环反馈控制的有效工具。
