一种基于空间滤波技术的熔池图像采集方法与流程

1.本发明涉及焊接自动化和智能化的技术领域，尤其涉及一种基于空间滤波技术的熔池图像采集方法。


背景技术：

2.随着工业化的发展，焊接技术在航天工程、船舶制造、车辆工程、核工业建设、工程建造等领域的重要性愈发突出。焊接作为一门永久性连接金属材料的工艺方法，在制造大型结构或复杂地机器部件时，更显优越。熔池是焊接过程中形成的池状形液态金属区域，其内包含了大量的信息，可以用来预测熔深、焊缝形状、焊缝缺陷等。因此，使用视觉传感技术实时采集熔池图像是有效提高焊接自动化和智能化水平的关键技术之一。
3.在焊接领域中，同其他传感技术相比，视觉传感技术具有非接触、信息量大、抗干扰能力强、通用性好和易于智能化等优点。例如，在制造核反应堆压力容器时，为防止核反应堆压力容器开裂造成核电站辐射泄露事故，对于焊接质量的要求远高于常规压力容器，使用视觉传感器实时监测焊接时熔池的状态，根据熔池形貌实时调整焊接参数可保证核反应堆压力容器达到规定标准。视觉传感技术目前是最能够直接反应焊接状态且应用最广泛的传感技术之一。
4.视觉传感技术可分为被动视觉传感技术和主动视觉传感技术。被动视觉传感技术是指利用熔池对电弧光的反射或熔池的自身发光采集熔池图像，优点是降低了熔池图像采集装置的成本，但是会受到强烈弧光的干扰，无法获得清晰、完整的熔池图像。视觉传感器是视觉传感技术的主要光学器件，可分为ccd传感器和cmos传感器。cmos传感器阵列中传输的是电压信号，其像素单元中包含着积分电路结构，阵列中的每个像素由光电二极管或光电晶体管和源跟随器及时序开关等构成。cmos传感器因其具有良好的集成性、低功耗、高速传输和高抗辐射等优点应用于图像和机器视觉等领域，如工业制造与检测、3d应用和航空航天等领域。
5.目前国内外科研工作者使用复合滤光技术滤除焊接过程中存在的强弧光反射和电弧光谱图中的离散线性特征谱线，获得清晰的熔池图像。复合滤光技术是根据电弧光谱特征分析使用滤光片、减光片等光学透镜减少电弧光干扰，只允许特定波长的光通过的一种光学滤波方式。使用普通相机和复合滤光技术相结合，这种方法的优点是可以滤去大量不必要的电弧光且成本低，通用性好，缺点是会滤掉一部分熔池反射光线，使得图像中熔池区域较暗，弧光对熔池图像的采集的干扰较强。


技术实现要素：

6.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
7.鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
8.因此，本发明解决的技术问题是：现有技术会滤掉一部分熔池反射光线，使得图像中熔池区域较暗，弧光对熔池图像的采集的干扰较强。
9.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：将镜头聚焦，中性密度减光片的挡位调到初始位置，将其余光学器件安装至相应位置；调整拍摄角度，使得高通空间滤波器遮挡住熔池，调整摄像机镜头自带光圈以改变进光量，去除无用背景信息；调整中性密度减光片的衰减值至熔池信息清晰；试焊结束，开始焊接。
10.作为本发明所述的基于空间滤波技术的熔池图像采集方法的一种优选方案，其中：所述焊接过程中熔池特征信息采集装置包括中性密度减光片、带通滤光片、摄像机镜头、高通空间滤波器和摄像机模组。
11.作为本发明所述的基于空间滤波技术的熔池图像采集方法的一种优选方案，其中：所述高通空间滤波器根据焊接过程中的熔池频谱图进行制作，在熔池图像的频谱图像中，低频分量位于频谱图中心，高频分量位于频谱图边缘，将所述低频分量定义为振幅值高于1/2零频分量振幅峰值的频谱分量，其余是高频分量，通过计算频谱图中低频分量的宽度来定义所述高通空间滤波器的直径。
12.作为本发明所述的基于空间滤波技术的熔池图像采集方法的一种优选方案，其中：计算所述频谱图中低频分量的宽度的计算公式为：
[0013][0014]
其中，f
x
表示频率分量，t(f
x
)表示频率分量的振幅值，t(f0)表示频谱图中零频分量的振幅峰值。
[0015]
作为本发明所述的基于空间滤波技术的熔池图像采集方法的一种优选方案，其中：所述高通空间滤波器厚度计算过程包括，仅考虑光波垂直入射的情况，金属薄膜厚度与透射率的关系如公式：
[0016][0017]
其中，no表示入射介质的折射率，ns表示基底材料的折射率，表示金属的光学常数，d表示金属薄膜的厚度；
[0018]
在不同波长下，金属薄膜的透光率随着波长的增加而增加；在相同波长下，金属薄膜的透光率随着其厚度的增加而降低；根据所述金属薄膜厚度与透过率的关系，基于实际经验估算所需透过率，计算金属薄膜的厚度。
[0019]
作为本发明所述的基于空间滤波技术的熔池图像采集方法的一种优选方案，其中：所述熔池成像信号强度的计算公式包括，
[0020][0021]
式中，w表示熔池成像信号强度，λ1，λ2表示取像范围上、下限波长，l(λ)表示天空辐射特性，ρ(λ)表示熔池的光谱反射系数，τ
nd
表示中性密度减光片的透过率函数，τ
bp
表示带
通滤光片透过率函数，f(f
x
,fy)表示高通空间滤波器的透过率函数，η(λ)表示成像器件的量子效率。
[0022]
作为本发明所述的基于空间滤波技术的熔池图像采集方法的一种优选方案，其中：基于阿贝成像理论，所述熔池在成像的过程中需要经过两次傅里叶变换，在第一次傅里叶变换后，熔池频谱的光场复振幅为：
[0023][0024]fx
＝x/(λf)
[0025]fy
＝y/(λf)
[0026]
输出面上熔池的光场复振幅为：
[0027][0028]
空间滤波后熔池成像信号强度为：
[0029][0030]
即：
[0031][0032]
其中，表示傅里叶变换，表示傅里叶逆变换。
[0033]
作为本发明所述的基于空间滤波技术的熔池图像采集方法的一种优选方案，其中：采用去除所述熔池图像的干扰噪声，采用空间滤波技术改变熔池的空间频谱结构，获得清晰的熔池图像。
[0034]
本发明的有益效果：本发明可以有效去除熔池图像中的高频噪声与干扰，增强熔池边缘，去除熔池图像中的随机噪声，具有可靠性高、成本低、能够有效去除焊接过程中的干扰噪声、获得清晰的熔池图像等优点。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0036]
图1为本发明一个实施例提供的一种基于空间滤波技术的熔池图像采集方法的微距镜头及其内部光学装置示意图；
[0037]
图2为本发明一个实施例提供的一种基于空间滤波技术的熔池图像采集方法的光学滤光装置示意图；
[0038]
图3为本发明一个实施例提供的一种基于空间滤波技术的熔池图像采集方法的熔池图像采集装置安装示意图；
[0039]
图4为本发明一个实施例提供的一种基于空间滤波技术的熔池图像采集方法的典
型的熔池图像及其频谱示意图；
[0040]
图5为本发明一个实施例提供的一种基于空间滤波技术的熔池图像采集方法的金属铬膜与透射率关系示意图。
具体实施方式
[0041]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
[0042]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0043]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0044]
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0045]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0046]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0047]
实施例1
[0048]
参照图1～3，为本发明的一个实施例，提供了一种基于空间滤波技术的熔池图像采集方法，包括：
[0049]
s1：将镜头聚焦，中性密度减光片的挡位调到初始位置，将其余光学器件安装至相应位置。
[0050]
s2：调整拍摄角度，使得高通空间滤波器遮挡住熔池，调整摄像机镜头自带光圈以改变进光量，去除无用背景信息。
[0051]
s3：调整中性密度减光片的衰减值至熔池信息清晰。
[0052]
s4：试焊结束，开始焊接。
[0053]
需要说明的是，s1～s4步骤具体包括：
[0054]
焊接过程中熔池特征信息采集装置包括中性密度减光片、带通滤光片、摄像机镜头、高通空间滤波器和摄像机模组，其中，高通滤光片表面镀有不同尺寸和厚度的金属铬
层，用于改变熔池的空间频谱结构，改变熔池空间频谱中低频分量的振幅值，去除衍射光，增强图像的识别度，获得清晰的熔池图像。
[0055]
其中，摄像机镜头，即微距镜头如图1(a)所示，其内部光学装置如图1(b)所示。所示的一种基于空间滤波的熔池图像采集装置的光学系统如图2所示，熔池信息经中性密度减光片、带通滤光片进入微距镜头后，在镜头的后焦面(傅里叶频谱面)形成特殊的衍射光分布，将熔池结构分解成各个基本成分分别呈现在频谱面上的不同坐标处，通过高通空间滤波器改变傅里叶频谱面上的熔池信息，最终在cmos图像传感器的靶面上获得清晰的熔池图像。
[0056]
进一步的，如图2所示，中性密度减光片与带通滤光片的距离为l1，其典型值为5～30mm；带通滤光片与摄像机镜头距离为l2，其典型值为5～20mm；高通空间滤波器与摄像机镜头成像透镜的后焦面之间的距离为l3，其典型值根据镜头参数设定。
[0057]
熔池图像采集装置的工作拍摄角度为θ，θ为焊枪尖端与熔池图像采集装置中心光轴的夹角，θ的典型值为45～75
°
；熔池图像采集装置的工作距离为l，其典型值根据镜头参数设定，安装熔池图像采集装置时应尽可能增大物距u，减少像距v，安装示意图如图3所示。
[0058]
具体的，该熔池图像采集装置是在摄像机镜头前方依次放置一块带通滤光片和一块中性密度减光片，在摄像机镜头的后焦面放置一块高通空间滤波器，摄像机模组作为信息采集模块捕捉熔池特征信息；中性密度减光片用于改变进入摄像机的光波能量；带通滤光片用于选择熔池成像波段。熔池发出的光波经中性密度减光片和带通滤光片后，在镜头的后焦面(傅里叶频谱面)形成特殊的衍射光分布，通过高通空间滤波器改变熔池的频谱结构，改变频谱中低频分量的振幅值，增强熔池的识别度，获得熔池图像，根据所得熔池图像，改变中性密度减光片的衰减值得到清晰的熔池图像。
[0059]
其中，带通滤光片需分析焊接过程的电弧光谱图来选取，熔池的成像波段应满足电弧光能量强度弱、干扰噪声少等条件，所选取的带通滤光片的带宽应尽可能的宽以增加熔池的热辐射；中性密度减光片的调节挡位应尽可能的多以确保光能量衰减的精度。
[0060]
进一步的，高通空间滤波器应根据焊接过程中的熔池频谱图制作；典型的熔池图像被大量白光掩盖，无法提取到有效的熔池信息。在熔池图像的频谱图像中，低频分量位于频谱图中心，高频分量位于频谱图边缘；本发明将低频分量定义为振幅值高于1/2零频分量振幅峰值的频谱分量，其余是高频分量。高通空间滤波器的直径可通过计算频谱图中低频分量的宽度来设计，计算公式如下所示：
[0061][0062]
其中，f
x
表示频率分量，t(f
x
)表示频率分量的振幅值，t(f0)表示频谱图中零频分量的振幅峰值。
[0063]
高通空间滤波器厚度设计应按照如下公式计算，为便于计算，仅考虑光波垂直入射的情况，金属薄膜厚度与透射率的关系如公式：
[0064][0065]
其中，no表示入射介质的折射率，ns表示基底材料的折射率，表示金属的光学常数，d表示金属薄膜的厚度；
[0066]
其中，典型的金属薄膜厚度与透过率的关系为：在不同波长下，金属薄膜的透光率随着波长的增加而增加；在相同波长下，金属薄膜的透光率随着其厚度的增加而降低；根据金属薄膜厚度与透过率的关系，基于实际经验估算所需透过率，计算金属薄膜的厚度。
[0067]
更进一步的，熔池成像信号强度一般可用如下公式表示：
[0068][0069]
式中，w表示熔池成像信号强度，λ1，λ2表示取像范围上、下限波长，l(λ)表示天空辐射特性，ρ(λ)表示熔池的光谱反射系数，τ
nd
表示中性密度减光片的透过率函数，τ
bp
表示带通滤光片透过率函数，f(f
x
,fy)表示高通空间滤波器的透过率函数，η(λ)表示成像器件的量子效率。
[0070]
基于阿贝成像理论，熔池在成像的过程中需要经过两次傅里叶变换，在第一次傅里叶变换后，熔池频谱的光场复振幅为：
[0071][0072]fx
＝x/(λf)
[0073]fy
＝y/(λf)
[0074]
输出面上熔池的光场复振幅为：
[0075][0076]
空间滤波后熔池成像信号强度为：
[0077][0078]
即：
[0079][0080]
其中，表示傅里叶变换，表示傅里叶逆变换。
[0081]
另外，采用去除熔池图像的干扰噪声，采用空间滤波技术改变熔池的空间频谱结构，获得清晰的熔池图像。
[0082]
本发明可以有效去除电弧光对于熔池图像采集的干扰，通过改变熔池的空间频谱去除干扰噪声获得清晰的熔池信息，包括熔池轮廓、熔滴过渡过程、熔池表面熔渣、氧化层和熔池内锁眼等，与现有技术相比，具有可靠性高、成本低、能够有效去除焊接过程中的干扰噪声、获得清晰的熔池图像等优点。
[0083]
实施例2
[0084]
参照图4～5为本发明另一个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种基于空间滤波技术的熔池图像采集方法的验证测试，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用本发明方法进行测试，以科学论证的手段验证本方法所具有的真实效果。
[0085]
典型的熔池图像及其频谱图如图4所示，根据频谱分量计算公式，近似计算出低频分量的宽度，根据摄像机镜头尺寸设计的高通空间滤波器的基底材料尺寸，将熔池频谱与基底材料等比例对应，设计出高通滤波器金属膜层的大小。
[0086]
根据金属薄膜厚度与透射率的关系计算公式，绘制出金属铬膜与透射率的关系图如图5所示，通过经验估算出金属铬膜的透射率，算出金属铬膜的厚度，在此实例中，金属铬膜的厚度为120nm，高通空间滤波器设计完成，其中，图5中的曲线从左(y轴)向右依次表示300nm、400nm
……
1000nm。
[0087]
基于被动视觉传感技术，按照熔池图像采集装置按图3安装，该装置拍摄角度为45
°
，工作距离l为200mm，相机画面锁定焊枪正下方，中性密度减光片的挡位设置为初始位置，即衰减值最小处，在完成镜头调焦后，开始拍摄熔池图像，随后根据拍摄图像的清晰度调整中性密度减光片的挡位至熔池清晰。
[0088]
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
[0089]
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
[0090]
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器
上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
[0091]
如在本技术所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。
[0092]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。