CN102780845A - 一种光源交替频闪同步摄像方法及视觉检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光源交替频闪同步摄像方法及视觉检测系统，其特征在于：设置包括有摄像机、窄带滤光片、光源、触发信号发生装置、图像采集卡和图像处理模块的视觉检测系统；将其放置在待测物体的上方；触发信号发生装置同时发送多路同步方波信号到摄像机快门和各光源触发其工作；在同步方波信号的某一触发周期中，各光源交替点亮照射待测物体，在每一光源点亮期间，摄像机摄取光源照射的待测物体图像，并将其经图像采集卡发送到图像处理模块；在整个同步方波信号的不同触发周期，各光源以一定的频率周期交替点亮或熄灭，摄像机交替摄取待测物体的图像，直到完成待测物体所有图像的采集。本发明可以广泛应用于机器人自动化焊接中的坡口检测、实时焊缝跟踪、焊缝成型质量检测等对待测物体进行图像摄取的过程中。

Description

一种光源交替频闪同步摄像方法及视觉检测系统

技术领域

本发明涉及一种图像的摄取方法及检测系统，特别是关于一种适用于机器人自动化焊接、焊缝跟踪检测、焊后无损检测跟踪及物体表面检测的光源交替频闪同步摄像方法及视觉检测系统。

背景技术

焊接视觉检测技术在焊接自动化与智能化发展中具有重要地位，此技术广泛应用于焊缝自动跟踪（包括焊前自动示教和在线跟踪）、焊接质量实时控制及焊后无损检测等先进制造领域。焊接视觉检测技术通常检测的对象特征包括有坡口三维形貌、焊缝纹理、颜色、反射规律、光影特征、熔池形状及焊缝成形等，获取上述对象特征的图像摄取方法包括有单独采用激光扫描、单线或多线激光结构光源在待测区域形成包含焊缝三维形貌信息的光条，或者单独采用均匀面光源（形状不限）照射待测区域通过提取图像纹理特征或颜色特征实现焊缝的识别。

现有技术对焊缝进行图像摄取的方法主要有：1、采用线结构光（多为激光结构光）照射坡口或焊缝表面，根据拍摄图像中结构光条发生的畸变获取焊缝边缘位置信息，此方法的不足：对于坡口或焊缝三维结构不明显的情况，例如多层多道焊的盖面焊跟踪、焊后磨削焊缝的无损检测自动导引等，结构光无明显的畸变，难以获得准确的边缘位置信息，而焊接工件表面的不平整或杂质也可能造成边缘的误判，无法保证稳定可靠的跟踪。2、采用黑白或彩色摄像机拍摄焊缝表面成形的外观，对焊接过程进行监视，并不能实现形貌测量和基于图像技术的缺陷判定和焊缝成形质量评价。3、采用双摄像机分别摄取投射在焊缝位置的线状激光和焊接熔池，分别进行焊缝跟踪和熔池观察，或者采用双摄像机获取多线结构光图像与自然光或电弧光照明下的图像，此方法的不足：采用双摄像机，增大了传感系统的体积，极大限制了机构在实际生产（特别是机器人焊接应用）中的可达性。4、通过连杆机构将滤光片在焊接开始前推至镜头前、在焊接结束后从镜头前移开，此方法无法在焊接过程中实现待测物体多种特征的同时获取。5、将熔池与凝固焊缝分别采集到图像的不同区域进行处理，此方法不能实现针对同一对象获取不同光学特征。6、拍摄时将照射焊缝区域的激光光源与线激光结构光源同时点亮，获得线激光光条与周围焊缝同时存在的图像，此方法不足：采集图像时焊缝同时被高亮面光源与线结构光源照亮，焊缝灰度信息与结构光条畸变互相干扰，给后续图像处理带来不便。

综上所述，现有技术均无法实现仅采用一个摄像机在焊接过程中对待测物体同一位置的多种光学特征进行同步、实时采集。但是在实际生产中，焊缝情况比较复杂，利用单一特征的视觉检测方法常常不足以实现稳定可靠的焊缝跟踪，更无法满足同时进行跟踪与质量控制的需求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够实现对待测物体同一位置的多种光学特征进行同步、实时获取的光源交替频闪同步摄像方法及视觉检测系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种光源交替频闪同步摄像方法，包括以下步骤：1）设置包括有摄像机、窄带滤光片、光源、触发信号发生装置、图像采集卡和图像处理模块的视觉检测系统；所述摄像机采用一个，所述光源采用两个以上；2）将所述视觉检测系统放置在一待测物体的上方，调节每一光源与摄像机和待测物体的相对位置；3）所述触发信号发生装置同时发送多路具有相位差的同步方波信号到所述摄像机的快门和各光源触发其分别进行工作；4）在所述同步方波信号的某一触发周期中，各所述光源交替点亮照射所述待测物体，在每一所述光源点亮期间，所述摄像机快门摄取所述光源照射的待测物体的图像，并将其经所述图像采集卡发送到所述图像处理模块；5）在整个同步方波信号的不同触发周期，各所述光源以一定的频率周期交替点亮或熄灭，所述摄像机快门交替摄取所述待测物体的图像，直到完成整个检测过程。

所述摄像机快门的信号触发沿与各所述光源的信号触发沿之间的时间差分别小于各所述光源的单独点亮时间，且同时摄像机快门时间t满足t<=ti，i=1，2…N，其中ti为第i个光源在一个频闪周期中单独点亮状态持续的时间，N为光源数量。

各所述光源k1、k2…kN分别满足小于di，其中，k1、k2…kN分别为各光源在每个频闪周期中同时处于发光状态的时间长度，di为各光源中任意一个光源在每个频闪周期中的点亮时间，其中i=1、2…N。

所述摄像机快门采用的曝光时间为0～20ms。

实现所述方法的视觉检测系统，其特征在于：它包括一摄像机、两个以上的光源、一触发信号发生装置、一图像采集卡和一图像处理模块；所述摄像机的前端设置有一窄带滤光片，每一所述光源通过一支架与所述摄像机固定连接，所述触发信号发生装置的输出端分别与所述摄像机和每一所述光源的触发接口相连接控制其进行工作，所述摄像机的输出端连接所述图像采集卡的输入端，所述图像采集卡输出端连接所述图像处理模块。

所述摄像机采用CCD数字摄像机、模拟摄像机、CMOS摄像机中的一种。

所述光源采用面光源、多线激光结构光源、单线激光结构光源、卤素灯和冷光灯中的一种及以上。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的视觉检测系统包括一摄像机、两个以上光源和一触发信号发生装置，触发信号发生装置同时发送多路具有相位差的同步方波信号分别控制摄像机和各光源工作，各光源以一定的频率周期交替点亮或熄灭，摄像机交替摄取待测物体的图像，由于采用一摄像机在近似同时的情况下完成对待测物体同一位置的多特征的实时采集，因此经过多特征融合可以获得更加精确的待测物体视觉信息，有利于在焊接过程或表面检测中对待测物体进行观察和监视，结合图像处理与识别技术，能够实现对待测物体稳定可靠地跟踪，并满足质量控制的需求。2、本发明仅仅采用了一摄像机完成对待测物体进行图像摄取，因此可以有效减少视觉传感系统的体积，使其能够更广泛应用在实际生产特别是机器人焊接中，提高设备的可达性，且能够以尽量少的图像处理计算量完成多重的特征识别与信息融合任务。3、本发明由于各光源交替点亮，摄像机摄取每一光源单独点亮时照射待测物体的图像，因此能够避免待测物体被不同光源同时照亮造成图像中各种信息互相干扰，极大地方便了后续图像的处理，效率得到很大提高。本发明可以广泛应用于焊接机器人或其它自动化设备的坡口检测、焊缝跟踪、焊后无损检测跟踪、焊缝成型质量检测及物体表面检测等技术对待测物体进行图像摄取的过程中。

附图说明

图1是本发明视觉检测系统的结构示意图；

图2是本发明中控制双光源与摄像机快门的三路同步触发信号示意图；

图3是采用本发明同时进行焊缝余高检测与表面缺陷检测的图像效果示意图，其中，图3（a）是面光源照射下的焊缝表面纹理效果示意图，其中排列的若干条纹为焊缝的纹理示意图，图3（b）是激光结构光源照射下的效果示意图；

图4是本发明对高反射率金属坡口进行检测的视觉检测系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例1：

如图1所示，本发明的视觉检测系统包括一摄像机1、一环形的面光源2、一多线激光结构光源3、一触发信号发生装置4、一图像采集卡5和一图像处理模块6。摄像机1镜头前端套设有一窄带滤光片（图中未示出），面光源2经一外设支架固定设置在摄像机1正下方，多线激光结构光源3经另一外设支架固定设置在摄像机1一侧，多线激光结构光源3的光平面与摄像机1镜头光轴方向成45°。触发信号发生装置4的输出端分别与摄像机1、面光源2和多线激光结构光源3的触发接口相连接控制其进行工作，摄像机1的输出端连接图像采集卡5的输入端，图像采集卡5输出端连接图像处理模块6。

上述实施例中，摄像机1可以采用CCD数字摄像机、模拟摄像机、CMOS摄像机中的一种，本发明的所有实施例均采用CCD数字摄像机，面光源2可以采用LED单色面光源。

上述各实施例中，面光源2和多线激光结构光源3根据实际需要均可以替换为卤素灯和冷光灯等具有较高动态特性的光源，面光源2和多线激光结构光源3的k1、k2均满足小于di，其中，k1、k2分别为两个光源在每个频闪周期中同时处于发光状态的时间长度，di为两个光源中任意一个光源在每个频闪周期中的点亮时间，其中i=1、2，即：在每个频闪周期中每一光源的点亮时间要大于两个光源同时处于发光状态的时间，保证两个光源是一直处于交替点亮的状态，若光源数量为两个以上，各光源k1、k2…kN分别满足小于di，其中，k1、k2…kN分别为各光源在每个频闪周期中同时处于发光状态的时间长度，di为各光源中任意一个光源在每个频闪周期中的点亮时间，其中i=1、2…N，N为光源数量。

如图1、图2所示，下面以焊缝7为待测对象作为具体实施例进一步说明光源交替频闪同步摄像方法的过程：

1、将视觉检测系统放置在待测焊缝7上方，根据实际需要，调节每一光源与CCD数字摄像机1和待测物体7的相对位置。

2、触发信号发生装置4同时发送三路具有相位差的同步方波信号分别到CCD数字摄像机1、LED单色面光源2和多线激光结构光源3触发其分别进行工作，如图2所示，触发信号包括：CCD数字摄像机1的触发信号、LED单色面光源2的触发信号和多线激光结构光源3的触发信号。

3、在T₁～T₂期间，LED单色面光源2的触发电压为高电平，多线激光结构光源3的触发电压为低电平，此时LED单色面光源2点亮发出均匀光照射焊缝7，多线激光结构光源3处于熄灭状态，在T₁～T₂期间，控制CCD数字摄像机1的触发信号的上升沿到来，启动快门，拍摄得到光照均匀的焊缝图像，并将摄取的焊缝图像通过图像采集卡5发送到处理模块6进行实时处理。

4、在T₂～T₃期间，LED单色面光源2的触发电压为低电平，多线激光结构光源1的触发电压为高电平，此时多线激光结构光源3点亮发出多条结构光照射焊缝7，LED单色面光源2处于熄灭状态，在T₂～T₃期间控制CCD数字摄像机1的触发信号的上升沿到来，启动快门，拍摄得到焊缝结构光图像，并将其通过图像采集卡5发送到处理模块6进行实时处理。

5、在整个同步方波信号的不同周期，LED单色面光源2和多线激光结构光源3交替点亮或熄灭，CCD数字摄像机1重复步骤3和4交替摄取焊缝图像，直到完成整个焊缝的图像采集。

6、图像处理模块6将摄取的所有图像进行实时处理，可以同时得到焊缝7的纹理特征和焊缝边缘位置信息。

上述实施例中，LED单色面光源2和多线激光结构光源3均为高电平时点亮低电平时熄灭，CCD数字摄像机1采用上升沿触发模式，在实际使用中可以根据需要灵活选择两个光源的点亮方式和摄像机的触发方式，例如摄像机可以采用下降沿触发，也可采用脉冲触发。

上述实施例中，为了保证CCD数字摄像机1可以摄取到每一光源单独点亮时照射待测物体的图像，要求触发CCD数字摄像机1的快门信号的触发沿与各光源的触发沿之间的时间差分别小于各光源的单独点亮时间，且同时CCD数字摄像机1的快门时间（拍摄时间）t满足t<=ti i=1，2…，其中ti为第i个光源在一个频闪周期中单独点亮状态持续的时间，N为光源数量。CCD数字摄像机1还可以根据各光源实际拍摄的需要，采用不同的曝光时间，曝光时间可以为0～20ms。

上述实施例中，LED单色面光源2的中心波长和多线激光结构光源3的激光波长均与窄带滤波片的中心波长一致，保证在CCD数字摄像机1摄取图像的过程中可以滤除大部分弧光干扰。

综上所述，通过基于纹理特征的图像分割能够稳定地反映焊缝与母材区的区别，基于结构光的焊缝边缘位置信息可以精确检出边缘，采用本发明的方法可以同时得到以上两种方法的信息，在焊缝识别的精度和统计正确率上互补，在后续处理时可以将获取的焊缝图像的两个特征信息进行融合，得到准确可靠的焊缝位置信息。

实施例2：

本实施例以焊缝表面的缺陷为待测对象为具体实施例进一步说明光源交替频闪同步摄像方法的过程，本实施例与实施例1所采用的视觉检测系统的结构相同，本实施例的视觉检测系统用于焊接完成后进行的视觉检测。

如图2、图3所示，检测时，LED单色面光源2垂直照射在焊缝表面，激光结构光源3倾斜投射在焊缝表面，在焊缝表面所形成的线状光条方向与焊缝方向垂直，采用上述实施例1的光源交替频闪同步摄像方法对焊缝表面缺陷图像进行摄取，过程为：（如图2所示）触发信号发生装置4同时发送三路具有相位差的同步方波信号分别到CCD数字摄像机1、LED单色面光源2和激光结构光源3触发其分别进行工作，在三路同步方波信号的触发下，LED单色面光源2和激光结构光源3交替点亮，CCD数字摄像机1交替摄取LED单色面光源2照射下的焊缝纹理图像和激光结构光源3照射下的焊缝结构光图像，并分别通过图像采集卡5将其发送到图像处理模块6进行实时处理。

本实施例中，激光结构光源3可以采用单线激光结构光源或多线激光结构光源。

综上所述，本实施例将焊缝的均匀光照图像进行处理可以判断焊缝的纹理规则程度，以及是否存在夹渣、咬边、表面裂纹等表面缺陷（如图3（a）所示），将焊缝结构光图像经过二值化处理可以得到每一条结构光条的畸变情况（如图3（b）所示），经过计算得到焊缝余高信息，因此采用本发明可以同时完成余高测量和焊缝表面缺陷和焊道外观的自动检测，生产效率得到很大提高。

实施例3：

本实施例与实施例1和实施例2的视觉检测系统的结构基本相同，不同点在于：将两个光源2、3分别通过外设支架固定在CCD数字摄像机1的两侧，每个光源的发光面法向与CCD数字摄像机1的轴线夹角为20～40度。摄像前，CCD数字摄像机1轴线正对金属坡口8。摄像时，CCD数字摄像机1的轴线垂直于待测区域表面。

如图4所示，本实施例以高反射率金属坡口8为待测对象作为具体实施例再次说明光源交替频闪同步摄像方法的过程，采用上述实施例1的光源交替频闪同步摄像方法对金属坡口8图像进行摄取的过程为：（如图2所示）触发信号发生装置4同时发送三路具有相位差的同步方波信号分别到CCD数字摄像机1、光源2和光源3触发其分别进行工作，在三路同步方波信号的触发下，光源2和光源3交替点亮，CCD数字摄像机1交替摄取两个光源1、2照射下的金属坡口图像，并将其分别通过图像采集卡5发送到图像处理模块6进行实时处理。

本实施例中，光源1和光源2可以根据需要分别采用LED面光源、多线激光结构光源、单线激光结构光源、卤素灯或冷光灯。

综上所述，本实施例中经光源1照射的金属坡口图像中，金属坡口左侧斜面因反射比坡口右侧斜面具有更大的亮度，因而在图像上具有更大灰度级；经光源2照射下的金属坡口图像中则反之。因此，利用图像处理模块6实时对两者进行逐像素对应作差和二值化的操作，可以得到金属坡口的中心位置；连续交替完成金属坡口所有图像采集后，可以实时获得金属坡口的位置信息，实现金属坡口的跟踪。

上述各实施例中，本发明的所有实施例中光源均采用两个，但是实际使用时，光源的数量可以根据需要采用两个以上，当光源的数目为两个以上时，触发信号发生装置4也需要同时发送与之相对应的具有相位差的同步方波信号对各光源分别进行控制。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各光学其间的结构和位置、摄像方法的步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种光源交替频闪同步摄像方法，包括以下步骤：

1）设置包括有摄像机、窄带滤光片、光源、触发信号发生装置、图像采集卡和图像处理模块的视觉检测系统；所述摄像机采用一个，所述光源采用两个以上；

2）将所述视觉检测系统放置在一待测物体的上方，调节每一光源与摄像机和待测物体的相对位置；

3）所述触发信号发生装置同时发送多路具有相位差的同步方波信号到所述摄像机的快门和各光源触发其分别进行工作；

4）在所述同步方波信号的某一触发周期中，各所述光源交替点亮照射所述待测物体，在每一所述光源点亮期间，所述摄像机快门摄取所述光源照射的待测物体的图像，并将其经所述图像采集卡发送到所述图像处理模块；

5）在整个同步方波信号的不同触发周期，各所述光源以一定的频率周期交替点亮或熄灭，所述摄像机快门交替摄取所述待测物体的图像，直到完成整个检测过程。

2.如权利要求1所述的一种光源交替频闪同步摄像方法，其特征在于：所述摄像机快门的信号触发沿与各所述光源的信号触发沿之间的时间差分别小于各所述光源的单独点亮时间，且同时摄像机快门时间t满足t<=ti，i=1,2…N，其中ti为第i个光源在一个频闪周期中单独点亮状态持续的时间，N为光源数量。

3.如权利要求1所述的一种光源交替频闪同步摄像方法，其特征在于：各所述光源k1、k2…kN分别满足小于di，其中，k1、k2…kN分别为各光源在每个频闪周期中同时处于发光状态的时间长度，di为各光源中任意一个光源在每个频闪周期中的点亮时间，其中i=1、2…N。

4.如权利要求2所述的一种光源交替频闪同步摄像方法，其特征在于：各所述光源k1、k2…kN分别满足小于di，其中，k1、k2…kN分别为各光源在每个频闪周期中同时处于发光状态的时间长度，di为各光源中任意一个光源在每个频闪周期中的点亮时间，其中i=1、2…N。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种光源交替频闪同步摄像方法，其特征在于：所述摄像机快门采用的曝光时间为0～20ms。

6.实现如权利要求1～5任一项所述方法的视觉检测系统，其特征在于：它包括一摄像机、两个以上的光源、一触发信号发生装置、一图像采集卡和一图像处理模块；所述摄像机的前端设置有一窄带滤光片，每一所述光源通过一支架与所述摄像机固定连接，所述触发信号发生装置的输出端分别与所述摄像机和每一所述光源的触发接口相连接控制其进行工作，所述摄像机的输出端连接所述图像采集卡的输入端，所述图像采集卡输出端连接所述图像处理模块。

7.如权利要求6所述的一种视觉检测系统，其特征在于：所述摄像机采用CCD数字摄像机、模拟摄像机、CMOS摄像机中的一种。

8.如权利要求6或7所述的一种视觉检测系统，其特征在于：所述光源采用面光源、多线激光结构光源、单线激光结构光源、卤素灯和冷光灯中的一种及以上。

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