一種基於稜鏡的焊接熔池傳感單攝像機立體視覺成像裝置製造方法
2023-11-06 03:07:37
一種基於稜鏡的焊接熔池傳感單攝像機立體視覺成像裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於稜鏡的焊接熔池傳感單攝像機立體視覺成像裝置，包括一稜鏡、一成像裝置和圖像處理模塊，其中所述稜鏡放置在所述成像裝置和焊接熔池之間，所述稜鏡底面正對焊接熔池，成像裝置的成像平面平行於稜鏡的底面；在所述圖像處理模塊將獲得的熔池圖像依次進行圖像濾波和分割處理、圖像對立體匹配、熔池表面的三維建模。採用稜鏡和濾光片等光學元件，實現了採用一臺攝像機拍攝出熔池清晰的立體圖像對，以用於焊接熔池表面三維形貌傳感。
【專利說明】一種基於稜鏡的焊接熔池傳感單攝像機立體視覺成像裝置【技術領域】
[0001]本發明涉及的是ー種基於稜鏡的焊接熔池傳感單攝像機立體視覺成像裝置。
【背景技術】
[0002]在焊接過程中，熟練的焊エ通過雙眼觀察熔池表面，經過分析調整焊接姿態及參數等來獲得高質量的焊接。基於視覺傳感的焊接過程控制就是利用CCD攝像機等成像設備來模擬人眼獲得焊接過程圖像，通過一定的算法從圖像提取能夠反映焊接質量狀態的信息，從而判定當前的エ藝參數是否合適，並進行相應的調整。因視覺傳感不與焊接迴路接觸，檢測不影響焊接過程的進行，而且能提供豐富的特徵信息，如接頭形式、電弧形態、熔池形狀等，使得視覺傳感在焊接成形傳感中的到了廣泛的應用。
[0003]目前，熔池三維傳感技術主要有結構光法，陰影恢復形狀法和立體視覺法。
[0004]Kovacevic和Zhang在雷射頻閃系統的基礎上,通過毛玻璃光柵生成多條紋結構光，投射到熔池表面，攝像機直接拍攝的圖像中結構光條紋變形情況就包含了熔池表面的三維信息。Saseed向熔池表面投射單條紋結構光，直接使用攝像機拍攝熔池圖像，再利用標定參數也成功實現了 GTAW焊接熔池表面的三維重建。
[0005]在不使用輔助光源的被動視覺方法中，立體視覺和從陰影恢復形狀都被用來完成熔池表面的三維重建。哈爾濱エ業大學的趙冬斌等首次採用陰影恢復形狀技術，通過圖象灰度同物體形狀之間的關係計算得出物體的表面高度，實現了從單幅圖像恢復熔池的三維形貌，但從陰影恢復形狀理想條件為光源和攝像機無窮遠，物體表面為完全漫反射，這些條件在焊接的情況下均不滿足。趙等針對焊接熔池圖像的特點，引入了表面光滑約束、邊界條件和灰度加權調整等改進算法。但由於計算中一些約束參數確定時人為因素多，導致其計算結果的誤差較大，尤其是在圖像灰度變化明顯的區域(也就是特徵明顯的區域)，如熔池邊界部分，反光強烈的部分等`。
[0006]基於立體視覺的三維重建技術用兩個攝像機代替雙眼拍攝圖像對，通過計算可以獲得物體或者場景的三維形狀和信息。立體視覺原理簡單直觀，獲得信息量大，精度較高，因此一直是計算機視覺領域研究的熱點。
[0007]通常的立體視覺法是從兩個視點觀測同一物體，獲得在不同視角下的ー組圖像，並通過三角測量原理求取景物的深度信息，也就是說，通過拍攝同一場景的兩幅圖像就可以計算出圖像上每一點對應的空間位置坐標。
[0008]C.Mnich等採用兩個高速攝像機構成的立體視覺系統，同時拍攝熔化極氣體保護焊接熔池的圖像對，利用區域匹配算法完成立體匹配，實現了熄弧瞬間熔池的三維重建。由於使用兩個攝像機導致系統成本昂貴，且拍攝時必須保證同歩，因此該方法並不適合エ業應用，此外文中沒有給出弧光存在時的重建結果。
[0009]Zhao C.X.等則採用基於平面鏡的單目立體視覺技術來拍攝雷射焊接熔池的立體圖像對，實現了少數特徵點三維運動軌跡跟蹤。
[0010]大多數的視覺傳感在傳感熔池的應用中，得到的只是ー些二維的信息，比如熔寬、熔池邊緣、後拖角和熔池面積等。這些信息並不能直觀的反映焊接的熔透情況以及熔池的
二維信息。
【發明內容】
[0011]本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足提出了ー種基於稜鏡的單攝像機立體視覺成像裝置，採用稜鏡和濾光片等光學元件，實現了採用一臺攝像機拍攝出熔池清晰的立體圖像對，以用於焊接熔池表面三維形貌傳感。
[0012]本發明的技術方案如下:
[0013]一種基於稜鏡的焊接熔池傳感單攝像機立體視覺成像裝置，包括ー稜鏡、一成像裝置和圖像處理模塊，其中所述稜鏡放置在所述成像裝置和焊接熔池之間，所述稜鏡底面正對焊接熔池，成像裝置的成像平面平行於稜鏡的底面；在所述圖像處理模塊將獲得的熔池圖像依次進行圖像濾波和分割處理、圖像對立體匹配、熔池表面的三維建摸。
[0014]所述的裝置，所述稜鏡的坐標軸Zp軸和所述成像裝置光軸Z軸重合，tz是稜鏡中心和攝像機光學中心間的距離，a是稜鏡斜面和底面的夾角，設ω為成像裝置CCD晶片的長，w =6.4mm,鏡頭的焦距f=35mm, tz≥328mm,稜鏡與熔池之間的距離Zp=300mm,攝像機光學中心與熔池間距為Z=Zp+tz=330+300=620mm，稜鏡夾角a =13°，稜鏡厚度為hb=5.8mm。
[0015]基於稜鏡的單攝像機立體視覺系統相比於採用兩個攝像機的雙目立體視覺法，降低了成本，對應點的極線為圖像的同一掃描線，兩虛擬攝像機參數的一致性也降低了立體匹配難度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為稜鏡單攝像機立體視覺的原理圖，(a)是稜鏡單攝像機立體視覺成像原理圖，(b)是利用稜鏡鏡像出的兩虛擬攝像機Q和Ck示意圖、(C)是稜鏡和攝像機位置關係的不意圖；
[0017]圖2為基於稜鏡的單攝像機立體視覺系統不意圖；I攝像機，2鏡頭,3濾光片,4光學導軌，5稜鏡，6稜鏡支架，7防護玻璃； [0018]圖3為稜鏡結構參數定義；
[0019]圖4為稜鏡單攝像機立體視覺系統拍攝的立體圖像對；
[0020]圖5為單攝像機立體視覺系統熔池三維重建算法流程；
[0021]圖6為本發明得到的熔池表面形貌，(a)是熔池表面形貌的正面視圖，(b)是熔池表面形貌的側面視圖；
【具體實施方式】
[0022]以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。
[0023]單攝像機立體視覺系統的成像原理如圖1所示。假設攝像機坐標的X軸平行於稜鏡坐標的Xp軸，即實際攝像機的成像平面平行於稜鏡的底面；其中稜鏡的坐標軸Zp軸和攝像機光軸Z軸重合。tz是稜鏡中心和攝像機光學中心間的距離，a是稜鏡斜面和底面的夾角。稜鏡坐標軸Zp軸定義為通過底面幾何中心且垂直於底面且指向目標物體的方向為正方向。[0024]基於稜鏡的單攝像機立體視覺系統由一臺攝像機和ー個稜鏡組成，利用稜鏡折射把實攝像機C鏡像為存在一定角度、相互対稱的兩虛擬攝像機4和CK。攝像機像面平分為「左(CJ 」、「右(Ck) 」像面，使攝像機的「左」像面只能接受來自左光路所成的像，攝像機的「右」像面只能接受來自右光路所成的像。被測量物體的表面通過左右兩光路，分別成像在攝像機的「左、右」像面上。
[0025]測量時，兩虛擬攝像機的公共視場A內的被測點虛擬出兩個虛擬點，分別成像，它們之間形成一定的虛擬立體視差，然後利用空間點P在兩虛擬攝像機平面上的成像點坐標來求取空間點的三維坐標。這相當於傳統的攝像機從兩個不同位置獲取被測物體的兩幅圖像，從而實現雙目視覺的功能。
[0026]三維空間任意物點P發出的光線分別通過稜鏡兩斜面發生折射，光線發生角度為2 6的偏轉，空間點P轉變為兩個虛點P1和Pr。攝像機鏡頭匯集所有來自虛擬視點P1和Pr的光線，並形成了兩個相應的像點nir和1%。
[0027]利用上述原理設計的用於熔池表面三維傳感的稜鏡單攝像機立體視覺系統示意圖如圖2所示。系統中使用的稜鏡結構參數的設計需要綜合考慮攝像機成像晶片、鏡頭焦距、物距、稜鏡與鏡頭間距離等多個參數。此系統的主要結構參數有稜鏡和攝像機光學中心間的距離tz，稜鏡的結構尺寸——包括底面高し和底面寬斜面和底面的夾角a(如圖3所示)。稜鏡的結構設計參數是整個單攝像機立體視覺系統的關鍵步驟，稜鏡形狀決定了兩個虛擬攝像機的基線長短(兩個攝像機之間距離)，進而影響系統的三維重建精度。
[0028]在進行參數設計時，先對ー些參數進行初步設定，利用這些設定的參數來完成系統參數的設計。步驟如下:
[0029]l)tz 的確定:
[0030]設《為エ業攝像機(XD晶片(正方形)尺寸，本試驗中選用的攝像機成像晶片03=6.4mm，鏡頭的焦距f=35mm，根據這些數據可以得到攝像機的視場半角0 w=5.2
[0031]為保證所觀察的熔池目標(熔池寬加上預留觀察量約為60mm)，在傳感器視場之內，由幾何關係可得2tztan 0 w≥60mm,將0 w=5.2L代入而得到tz≥328mm。％值也不宜太大，上限以428mm為宜，否則將降低系統重建精度。
[0032]2)深度Z的確定:
[0033]考慮到稜鏡受熔池高溫度影響，為了安全一般稜鏡與熔池之間的距離Zp≥300mm,初步設定Zp=300mm，那麼攝像機光學中心與熔池間距為Z=Zp+tz=330+300=620mm。
[0034]3)稜鏡夾角a、厚度hb的確定:
[0035]深度Z與視差d、角度S之間的函數關係，在此基礎上由Z對d求偏導，得:
[0036]
【權利要求】
1.一種基於稜鏡的焊接熔池傳感單攝像機立體視覺成像裝置，其特徵在於，包括ー稜鏡、一成像裝置和圖像處理模塊，其中所述稜鏡放置在所述成像裝置和焊接熔池之間，所述稜鏡底面正對焊接熔池，成像裝置的成像平面平行於稜鏡的底面；在所述圖像處理模塊將獲得的熔池圖像依次進行圖像濾波和分割處理、圖像對立體匹配、熔池表面的三維建摸。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述稜鏡的坐標軸Zp軸和所述成像裝置光軸Z軸重合，tz是稜鏡中心和攝像機光學中心間的距離，a是稜鏡斜面和底面的夾角，設?為成像裝置CXD晶片的長，(60=6.4mm，鏡頭的焦距f=35mm，tz≥328mm，稜鏡與熔池之間的距離Zp=300mm,攝像機光學中心與熔池間距為Z=Zp+tz=330+300 = 620mm,稜鏡夾角a =13°，稜鏡厚度為hb=5.8_。
【文檔編號】G01B11/24GK103528540SQ201310470908
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月11日 優先權日:2013年10月11日
【發明者】梁志敏 申請人:河北科技大學