CN109803092A - 在双光谱数字成像焊接头盔中实现高动态范围 - Google Patents

Abstract

披露了在电弧焊接过程期间提供双光谱、可实时查看、增强用户对电弧焊接特性之间的区分的电弧焊接系统、方法和装置。焊工面罩被配置用于防护用户免受有害辐射，并且包括用于提供双光谱(即，可见光谱和红外光谱两者)实时数字视频图像帧的一个或多个数字摄像机。曝光控制器在逐帧的基础上实时控制所述相机的曝光水平。所述焊工面罩还配置有光学显示组件，所述光学显示组件用于在所述用户佩戴所述面罩时向所述用户显示实时数字视频图像帧。对可见光谱视频图像帧和红外光谱视频图像帧执行图像处理以生成双光谱视频图像帧，从而提供所述电弧焊接过程中的可见特性和热特性两者的整合且优化的视图，所述视图可由所述用户在所述光学显示组件上实时查看。

Description

在双光谱数字成像焊接头盔中实现高动态范围

技术领域

某些实施例涉及在电弧焊接过程期间对电弧焊接特性的可视化。更具体地，某些实施例涉及一种在电弧焊接过程期间提供双光谱、可实时查看、增强用户对电弧焊接特性之间的区分的系统、方法和装置(例如，焊接头盔)。

背景技术

在电弧焊接过程期间，会发射各种形式的辐射，包括在可见光谱、红外光谱和紫外光谱中的光。所发射的辐射可能具有高强度，并且如果用户没有受到正确的保护，则可能伤害用户的眼睛和/或皮肤。传统上，用户佩戴具有带有一个或多个保护性透镜的窗口的常规焊接头盔，以使辐射强度降低到安全水平。然而，这种保护性透镜在为用户提供充分保护的同时减少了穿过镜片的光量，并且不允许用户以最优方式看到电弧焊接过程中的可见特性。例如，可能滤除了用户更希望看到的电弧和/或熔融金属熔池的某些可见特性，或者来自电弧焊接过程的烟雾可能在部分过程期间掩盖了电弧和/或熔融金属熔池。此外，这种保护性透镜根本不允许用户看到电弧、熔池、或周围金属的热特性或红外特性。而且，需要矫正透镜的用户当使用常规头盔时是不利的，并且仅限于使用提供某一放大率的一些“以假乱真”的透镜。

通过将常规的、传统的和所提出的方法与本申请的其余部分中参照附图阐述的本发明的实施例相比较，这些方法的进一步的局限性和缺点对本领域内的技术人员而言将变得明显。

发明内容

本文披露了在电弧焊接过程期间提供双光谱、可实时查看、增强用户对电弧焊接特性之间的区分的电弧焊接系统、方法和装置。焊工面罩被配置用于防护用户免受有害辐射，并且包括用于提供双光谱(即，可见光谱和红外光谱两者)实时数字视频图像帧的一个或多个数字摄像机。所述焊工面罩还配置有用于在电弧焊接过程期间佩戴所述面罩时向所述用户显示实时数字视频图像帧的光学显示组件。对可见光谱视频图像帧和红外光谱视频图像帧执行图像处理以生成双光谱视频图像帧，从而提供所述电弧焊接过程中的可见特性和热特性两者的、可由所述用户在所述光学显示组件上查看的整合且优化的视图。因此，对于给定的焊接过程，用户能够查看所述电弧焊接过程中的期望的可见特性和热特性。不想要的特性和障碍物被滤除，而想要的特性被保留并增强，从而实时地向用户提供对电弧焊接过程中的最大洞察力和意识。通过这种最大洞察力和意识，用户可以更加容易且有效地调整他的焊接技术以形成优质焊缝。例如，用户可以能够更加清楚地查看和理解焊接熔池的“冻结”或凝固特性并且具有更好的瞬时焊接知识，并且因此能够有更多控制，从而产生更好的焊缝。

在一个实施例中，披露了一种向用户提供电弧焊接特性之间的增强的区分的双光谱数字成像电弧焊接系统。所述系统包括焊工面罩，所述焊工面罩被配置成佩戴在用户的头部上并且用于至少防护所述用户的眼睛免受由电弧焊接过程发射的光谱辐射。所述系统还包括可见光谱数字摄像机，所述可见光谱数字摄像机与所述焊工面罩物理上整合，并且被配置用于提供原始可见光谱实时数字视频图像帧。所述系统进一步包括红外光谱数字摄像机，所述红外光谱数字摄像机与所述焊工面罩物理上整合，并且被配置用于提供原始红外光谱实时数字视频图像帧。所述系统还包括曝光控制器，所述曝光控制器与所述可见光谱数字摄像机和所述红外光谱数字摄像机可操作地接口连接。所述曝光控制器被配置用于根据由所述曝光控制器执行的曝光控制算法在逐帧的基础上实时调整所述可见光谱数字摄像机的曝光水平和所述红外光谱数字摄像机的曝光水平中的至少一者。所述系统进一步包括光学显示组件，所述光学显示组件与所述焊工面罩物理上整合，并且被配置用于在所述用户正在佩戴所述焊工面罩时向所述用户呈现实时数字视频图像。所述系统还包括视觉引擎，所述视觉引擎与所述可见光谱数字摄像机、所述红外光谱数字摄像机和所述光学显示组件可操作地接口连接。所述视觉引擎被配置用于生成以下各项中的至少一项：根据所述原始可见光谱实时数字视频图像帧和所述原始红外光谱实时数字视频图像帧生成双光谱实时数字视频图像帧；根据所述原始可见光谱实时数字视频图像帧生成增强型可见光谱实时数字视频图像帧；或者根据所述原始红外光谱实时数字视频图像帧生成增强型红外光谱实时数字视频图像帧。

在一个实施例中，所述曝光控制器被配置用于独立于调整所述红外光谱数字摄像机的所述曝光水平来调整所述可见光谱数字摄像机的所述曝光水平。在一个实施例中，所述曝光控制器被配置用于根据所述红外光谱数字摄像机的所述曝光水平来调整所述可见光谱数字摄像机的所述曝光水平。在另一实施例中，所述曝光控制器被配置用于根据所述可见光谱数字摄像机的所述曝光水平来调整所述红外光谱数字摄像机的所述曝光水平。在一个实施例中，所述曝光控制器被配置用于通过控制对所述可见光谱数字摄像机的曝光时间、光圈数值、灵敏度、或滤光器中的至少一者进行的调整来调整所述可见光谱数字摄像机的所述曝光水平。在一个实施例中，所述曝光控制器被配置用于通过控制对所述红外光谱数字摄像机的曝光时间、光圈数值、灵敏度、或滤光器中的至少一者进行的调整来调整所述红外光谱数字摄像机的所述曝光水平。在一个实施例中，所述视觉引擎被配置用于通过将所述原始可见光谱实时数字视频图像帧中以不同曝光水平获取的至少两个组合为单个可见光谱图像帧来增大所述双光谱实时数字视频图像帧中的一个双光谱实时数字视频图像帧内的图像数据的动态范围。在一个实施例中，所述视觉引擎被配置用于通过将所述原始红外光谱实时数字视频图像帧中以不同曝光水平获取的至少两个组合为单个红外光谱图像帧来增大所述双光谱实时数字视频图像帧中的一个双光谱实时数字视频图像帧内的图像数据的动态范围。在一个实施例中，所述系统包括用户接口，所述用户接口可操作地接口连接到至少所述曝光控制器，并且被配置用于允许用户从多个可选动态范围中手动地选择动态范围。所述动态范围指定有待在至少所述双光谱实时数字视频图像帧内生成的图像数据的范围。

在一个实施例中，披露了一种向用户提供电弧焊接特性之间的增强的区分的双光谱数字成像电弧焊接系统。所述系统包括焊工面罩，所述焊工面罩被配置成佩戴在用户的头部上并且用于至少防护所述用户的眼睛免受由电弧焊接过程发射的光谱辐射。所述系统还包括双光谱数字摄像机，所述双光谱数字摄像机与所述焊工面罩物理上整合，并且被配置用于提供原始可见光谱实时数字视频图像帧和原始红外光谱实时数字视频帧。所述系统进一步包括与所述双光谱数字摄像机可操作地接口连接的曝光控制器。所述曝光控制器被配置用于至少部分地基于从所述双光谱数字摄像机反馈给所述曝光控制器的图像帧的图像数据来在逐帧的基础上实时调整所述双光谱数字摄像机的至少一个曝光水平。所述系统还包括光学显示组件，所述光学显示组件与所述焊工面罩物理上整合，并且被配置用于在所述用户正在佩戴所述焊工面罩时向所述用户呈现实时数字视频图像。所述系统进一步包括视觉引擎，所述视觉引擎与所述双光谱数字摄像机和所述光学显示组件可操作地接口连接。所述视觉引擎被配置用于生成以下各项中的至少一项：根据所述原始可见光谱实时数字视频图像帧和所述原始红外光谱实时数字视频图像帧生成双光谱实时数字视频图像帧；根据所述原始可见光谱实时数字视频图像帧生成增强型可见光谱实时数字视频图像帧；或者根据所述原始红外光谱实时数字视频图像帧生成增强型红外光谱实时数字视频图像帧。

在一个实施例中，所述曝光控制器被配置用于基于所述曝光控制器的曝光控制分析器而在逐帧的基础上实时调整所述双光谱数字摄像机的可见光谱部分的曝光水平，所述曝光控制分析器对从所述双光谱数字摄像机反馈给所述曝光控制器的所述原始可见光谱实时数字视频图像帧进行操作。在一个实施例中，所述曝光控制器被配置用于基于所述曝光控制器的曝光控制分析器而在逐帧的基础上实时调整所述双光谱数字摄像机的红外光谱部分的曝光水平，所述曝光控制分析器对从所述双光谱数字摄像机反馈给所述曝光控制器的所述原始红外光谱实时数字视频图像帧进行操作。在一个实施例中，所述曝光控制器被配置用于独立于调整所述双光谱数字摄像机的红外光谱部分的曝光水平来调整所述双光谱数字摄像机的可见光谱部分的曝光水平。在一个实施例中，所述曝光控制器被配置用于根据所述红外光谱数字摄像机的所述红外光谱部分的曝光水平来调整所述可见光谱数字摄像机的所述可见光谱部分的曝光水平。在另一实施例中，所述曝光控制器被配置用于根据所述可见光谱数字摄像机的所述可见光谱部分的曝光水平来调整所述红外光谱数字摄像机的所述红外光谱部分的曝光水平。在一个实施例中，所述曝光控制器被配置用于通过控制对所述双光谱数字摄像机的所述可见光谱部分的曝光时间、光圈数值、灵敏度、或滤光器中的至少一者的调整来调整所述双光谱数字摄像机的可见光谱部分的曝光水平。在一个实施例中，所述曝光控制器被配置用于通过控制对所述双光谱数字摄像机的所述红外光谱部分的曝光时间、光圈数值、灵敏度、或滤光器中的至少一者的调整来调整所述双光谱数字摄像机的红外光谱部分的曝光水平。在一个实施例中，所述视觉引擎被配置用于通过将所述原始可见光谱实时数字视频图像帧中以不同曝光水平获取的至少两个组合为单个可见光谱图像帧来增大所述双光谱实时数字视频图像帧中的一个双光谱实时数字视频图像帧内的图像数据的动态范围。在一个实施例中，所述视觉引擎被配置用于通过将所述原始红外光谱实时数字视频图像帧中以不同曝光水平获取的至少两个组合为单个红外光谱图像帧来增大所述双光谱实时数字视频图像帧中的一个双光谱实时数字视频图像帧内的图像数据的动态范围。在一个实施例中，所述系统包括用户接口，所述用户接口可操作地接口连接到至少所述曝光控制器，并且被配置用于允许用户从多个可选动态范围中手动地选择动态范围。所述动态范围指定有待在至少所述双光谱实时数字视频图像帧内生成的图像数据的范围。

所要求保护的本发明的这些和其他特征及其所展示的实施例的细节将从以下描述和附图中得到全面理解。

附图说明

图1是用于提供电弧焊接特性之间的增强的区分的双光谱数字成像电弧焊接系统的第一示例实施例的图示；

图2是图1的系统的分解视图的图示，示出了所述系统的各个元件；

图3是图1和图2的双光谱数字成像电弧焊接系统的实施例的示意性框图，示出了各个成像元件；

图4是图1至图3的系统中所使用的视觉引擎的示例实施例的示意性框图；

图5是使用图1至图4的系统生成焊接过程中的增强型双光谱实时数字视频的方法的实施例的流程图；

图6是提供增强用户对电弧焊接特性之间的区分的双光谱数字成像电弧焊接系统的第二示例实施例的示意性框图；

图7是提供增强用户对电弧焊接特性之间的区分的双光谱数字成像电弧焊接系统的第三示例实施例的示意性框图；

图8是双光谱数字成像电弧焊接系统的另一实施例的示意性框图，示出了各个成像元件和控制元件；

图9是双光谱数字成像电弧焊接系统的又另一实施例的示意性框图，示出了各个成像元件和控制元件；并且

图10展示了可以在图8和图9的系统中用作曝光控制器的示例曝光控制器的实施例。

具体实施方式

本发明的实施例涉及一种在电弧焊接过程期间提供双光谱(例如，可见光谱和红外光谱)、可实时查看、增强电弧焊接特性的可见性的系统、方法和装置。根据本发明的某些实施例，在由执行焊接过程的用户佩戴的双光谱焊接头盔中提供了这种能力。

如本文中使用的，术语“物理上整合”是指被定位在……上、是……的整体部分或者被附接至……上(具有或不具有随后未附接的能力)。如本文中使用的，术语“实时”是指以图像采集与显示之间最小或很大程度上难以觉察的延迟显著地保持所成像的焊接过程场景的时间特性。

以下本文关于图1至图10来描述本发明的各实施例的细节。图1是用于向用户提供电弧焊接特性之间的增强的区分的双光谱数字成像电弧焊接系统100的第一示例实施例的图示。图1的系统100包括在焊接过程中由焊工佩戴的焊接头盔(焊工面罩)或焊接防罩110。焊接头盔110不像某些常规焊接头盔那样具有带有例如玻璃滤光透镜的窗口。替代地，系统100包括焊接头盔110，所述焊接头盔具有整合到头盔110中的数字成像技术，以采集焊接过程场景的期望方面并将其显示给焊工。分别通过头盔110前部上的可见光谱(VS)透镜120和红外光谱(IRS)透镜130来感测来自焊接过程的VS能量和IRS能量两者。

图2是图1的系统100的分解视图的图示，示出了系统100的各个元件，包括物理上整合到焊接头盔110中的各个成像元件。系统100包括具有VS透镜120和IRS透镜130的可移除透镜盖140。透镜盖140在头盔110的前部处附接至头盔110。透镜盖140当被移除时露出可见光谱(VS)数字摄像机150、红外光谱(IRS)数字摄像机160和视觉引擎170。当透镜盖140附接至头盔110时，透镜120和130与其对应的相机150和160可操作地整合，所述相机用于同时从焊接过程场景采集可见光谱光和红外光谱光并且生成原始可见光谱(VS)实时数字视频图像帧和原始红外光谱(IRS)实时数字视频图像帧。根据本发明的实施例，相机150和160是能够实时生成图像帧的高清晰度、高速摄像机。此外，根据本发明的各实施例，相机150和160可以提供灰度像素信息或者彩色像素信息。

系统100还包括与相机150和160可操作地接口连接的视觉引擎170。视觉引擎170从相机150和160接收原始VS实时数字视频图像帧和IRS实时数字视频图像帧，并且对所述数字视频图像帧执行图像处理以产生组合了来自对应的VS成像帧和IRS成像帧的期望VS图像属性和IRS图像属性的双光谱(DS)实时数字视频图像帧。如本文稍后更详细地描述的，视觉引擎170首先从相应的原始数字视频图像帧生成经预处理的VS数字视频图像帧和IRS数字视频图像帧，并且然后继续根据所述经预处理的VS帧和IRS帧生成DS实时数字视频图像帧。根据本发明的实施例，焊工可以选择在焊接过程期间查看DS、经预处理的VS、或经预处理的IRS实时数字视频图像帧。

系统100进一步包括光学显示组件，所述光学显示组件包括LCD显示器180和一组光学器件190。LCD显示器180可操作地接口连接至视觉引擎170以从视觉引擎170接收经处理的实时数字视频(例如，DS实时数字视频图像帧)。根据本发明的实施例，LCD显示器180是能够实时更新的全彩色高分辨率显示器。光学器件190可操作地接口连接至LCD显示器180以将经处理的实时数字视频投射到头盔110内的焊工的眼睛。根据本发明的实施例，光学器件190包括采用高分辨率的反射镜、光学透镜和电子器件的配置，所述配置被配置用于聚焦焊接过程场景以使得焊接过程场景在距焊工的正确距离处出现。光学器件190也可以提供其他能力，包括例如缩放特征。这种特征可以经由可操作地接口连接至光学显示组件的用户接口(参见图3的示意性元件310)进行选择。

图3是图1和图2的双光谱数字成像电弧焊接系统100的实施例的示意性框图，示出了各个成像元件。如在图3中所展示的，VS数字摄像机150将原始VS视频图像帧提供给视觉引擎170。类似地，IRS数字摄像机160将原始IRS视频图像帧提供给视觉引擎170。本文使用的术语“原始”是指视频图像帧仅由相机150和160进行光学地或电学地处理并且尚未由视觉引擎170进行处理，并且从相机150和160离开的视频图像帧高度表示焊接过程场景的所有方面，包括想要的场景属性和不想要的场景属性两者。也就是说，原始视频图像帧尚未由视觉引擎170处理以增强焊工期望查看的这些属性并移除焊工不期望查看的这些属性(例如，障碍物)。然而，透镜120和130和/或相机150和160可以提供一些光学过滤，以例如削减来自电弧的眩光。

视觉引擎170在接收到来自相机150和160的原始VS数字视频图像帧和原始IRS数字视频图像帧时继续处理原始图像帧，以产生在很大程度上维持了期望焊接过程场景的实时特性的双光谱(DS)实时数字视频图像帧(即，组合了来自最初的原始图像帧的可见光谱信息和红外光谱信息两者的图像帧)。将DS实时数字视频图像帧提供给光学显示组件180/190，以供由焊工查看。

根据本发明的实施例，视觉引擎被配置用于还生成增强型可见光谱(VS)实时数字视频图像帧和增强型红外光谱(IRS)实时数字视频图像帧。因此，焊工(用户)能够通过用户接口310选择在光学显示组件上显示这三种类型的视频(DS、增强型VS、增强型IRS)中的哪一种。此外，根据本发明的实施例，系统100被配置用于允许用户经由用户接口310从多种可选和预定义的成像模式中选择成像模式。根据本发明的各实施例，用户接口310可以被整合到焊接头盔110中(例如，如在头盔的一侧上的按钮)，或者可以是以有线或无线方式与头盔接口连接的物理上单独的装置。

成像模式与待由视觉引擎执行的图像处理的预定义配置相对应。例如，一种成像模式可以被定义成显示与熔融焊接熔池相关联的红外光谱信息以及与电弧相关联的可见光谱信息。类似地，另一成像模式可以被定义成显示与熔融焊接熔池相关联的可见光谱信息以及与电弧相关联的红外光谱信息。另一成像模式也可以被定义成显示与熔融金属熔池相关联的混合可见光谱信息和红外光谱信息、与远离熔融金属熔池的金属工件相关联的红外光谱信息、以及与电极焊丝和电弧相关联的可见光谱信息。许多其他成像模式也是可能的。

根据本发明的实施例，系统100被配置用于允许用户将成像参数预设更改成多个可选和预定义的成像参数预设之一。成像参数预设与成像参数的预定义设置相对应。例如，一个成像参数预设可以是彩色图。系统100可以提供用户在查看例如红外光谱信息时可以选择的多个彩色图。另一成像参数预设可以是空间过滤或平滑水平。系统100可以提供用户在查看例如双光谱信息时可以选择的多个空间过滤水平。另一成像参数预设可以是时间过滤或平滑水平。系统100可以提供用户可以选择以便例如从所显示的视频中滤除阻碍烟雾的多个时间过滤水平。

图4是图1至图3的系统100中所使用的视觉引擎170的示例实施例的示意性框图。视觉引擎170将来自VS摄像机150的原始VS视频图像帧带到第一可见光谱(VS)图像处理器171中。VS图像处理器171对原始VS视频图像帧进行操作以生成经处理(或经预处理)的VS视频图像帧。原始VS视频图像帧由VS图像处理器171来处理以增强视频帧中可用的可见光谱信息(例如，焊接电弧的某些可见特性)并且移除不想要的信息(例如，烟雾)。可以由VS图像处理器171执行的各种图像处理功能包括例如空间过滤、二值化、时间过滤、光谱过滤、对比度增强、边缘增强和颜色映射。根据本发明的各其他实施例，其他类型的图像处理功能也是可能的。

类似地，视觉引擎170将来自IRS摄像机160的原始IRS视频图像帧带到第二红外光谱(IRS)图像处理器173中。IRS图像处理器173对原始IRS视频图像帧进行操作以生成经处理(或经预处理)的IRS视频图像帧。原始IRS视频图像帧由IRS图像处理器173来处理以增强视频帧中可用的红外光谱信息(例如，熔融金属熔池的某些热特性)并且移除不想要的信息(例如，工件的背景温度)。类似地，可以由IRS图像处理器173执行的各种图像处理功能包括例如空间过滤、二值化、时间过滤、光谱过滤、对比度增强、边缘增强和颜色映射。根据本发明的各其他实施例，其他类型的图像处理功能也是可能的。例如，图像处理器可以包括用于将图像帧传入和传出并且用于在各个中间步骤处暂时存储经处理的图像帧的缓冲器和存储器。

所得增强型VS实时数字视频图像帧和IRS实时数字视频图像帧可以被输出至光学显示组件180/190以供向用户显示(例如，在用户选择一个或另一个时)，和/或被提供给第三双光谱(DS)图像处理器174以生成组合的双光谱(DS)实时数字图像视频帧。根据本发明的实施例，从相机150和160进入视觉引擎170的视频帧被假设成在时间上对准或相关。也就是说，相机150和160两者以相同的获取帧速率进行操作，并且因此，在特定时间进入VS图像处理器171的任何图像帧被假设为在时间上与在同一特定时间进入IRS图像处理器173的图像帧相对应。然而，根据某些其他实施例，VS图像处理器171和/或IRS图像处理器173可以被“谐调”、“微调”或校准以使彼此的视频帧在时间上对准。可替代地，可以在视觉引擎中提供单独的视频帧时间对准装置以使VS图像帧与IRS图像帧在时间上对准。

此外，如可以从图1中看到的，透镜120和130在透镜盖140上在空间上彼此偏移。这可能会导致以其他方式在时间上相关或对准的VS图像帧的像素与IRS图像帧的像素之间存在一定量的空间未对准。根据本发明的实施例，透镜120和130被定位和校准以确保原始VS图像帧与原始IRS视频图像帧在空间上对准。这种校准技术在本领域是众所周知的。

然而，作为选项，可以由可选视频帧对准装置172使从对应图像处理器171和173离开的时间上对准的VS视频帧和IRS视频帧在空间上对准。视频帧对准装置172在向DS图像处理器174提供VS帧和IRS帧之前使用空间对准算法来使VS帧的像素与IRS帧的像素在空间上排齐或匹配。这种空间对准算法可以是从实施最先进的对准技术的成熟算法到在一个或多个空间方向上简单地将已知的、校准的偏移应用到图像帧的简单偏移例程的任何事物。这种对准技术在本领域是众所周知的。

一旦增强型(即，经处理的)VS视频帧和IRS视频帧被提供给DS图像处理器174，DS图像处理器174就继续处理时间上相关的VS图像帧和IRS图像帧对，以产生在每个视频帧中都包含可见光谱信息和红外光谱信息两者的DS图像帧。DS图像处理器174在逐个像素的基础上对图像帧对执行图像处理，以判定从给定图像帧对导出的给定DS像素是否应该包含VS信息、IRS信息或这两者的某种混合组合。

可以应用各种图像处理决策算法来做出VS/IRS像素决策。例如，一种图像处理算法可以被配置用于将IRS信息分配给具有落在所定义的热范围内的IRS数据的这些像素，并且将VS信息分配给落在此热范围之外的所有其他像素。这可以是当已知所选焊接过程中的熔融金属熔池的热特性与电弧的热特性非常不同时的情况。因此，可以将熔池的热特性与电弧的热特性区分开。可以在显示电弧的增强的可见特性的同时向用户显示熔池的热特性，或者反之亦然。

此外，正如图像处理器171和173一样，可以由DS图像处理器174执行的各种图像处理功能可以包括例如空间过滤、二值化、时间过滤、光谱过滤、对比度增强、边缘增强和颜色映射。根据本发明的各其他实施例，其他类型的图像处理功能也是可能的。

即使来自相机的原始图像数据采用灰度数据形式，所得DS图像(以及增强型VS图像和IRS图像)也可以是通过将彩色图应用于像素数据来进行颜色编码。根据本发明的各实施例，各图像处理器171、173和174可以是例如运行图像处理软件的数字信号处理器(DSP)或可编程处理器。根据本发明的其他实施例，其他类型的处理器也是可能的。实时地完成图像处理，以便在很大程度上维持所成像的焊接过程场景的实时特性或时间特性。

图5是使用图1至图4的系统100生成焊接过程的增强型双光谱实时数字视频的方法500的实施例的流程图。在方法500的步骤510中，焊接过程的原始VS实时数字视频图像帧和原始IRS实时数字视频图像帧是经由防护装置来采集的，所述防护装置由执行焊接过程的焊工佩戴以防护焊工免受由焊接过程发射的有害辐射(例如，明亮的可见光、热、紫外光)。在步骤520中，通过维持并增强焊接过程的期望可见光谱属性并且通过移除焊接过程的不想要的可见光谱属性来预处理原始VS实时数字视频图像帧，以生成经预处理的VS实时数字视频图像帧。

在步骤530中，通过维持并增强焊接过程的期望红外光谱属性并且通过移除焊接过程的不想要的红外光谱属性来预处理原始IRS实时数字视频图像帧，以生成经预处理的IRS实时数字视频图像帧。在步骤540中(可选步骤)，使时间上相关的VS和IRS的经预处理图像帧对在空间上对准。在步骤550中，经预处理的VS图像帧和IRS图像帧的时间上相关的图像帧对被进一步处理以生成双光谱(DS)实时数字视频图像帧。在步骤560中，当焊工在焊接过程期间佩戴防护装置时，经由所述防护装置(例如，经由整合到头盔110中的光学显示组件180/190)向焊工显示DS实时数字视频图像帧、经预处理的VS实时数字视频图像帧以及经预处理的IRS实时数字视频图像帧之一。再次，用户可以选择要显示哪个视频通道(VS、IRS或DS)。再次，DS实时数字视频图像帧中的每一帧的每个像素与可见光谱信息、红外光谱信息、或可见光谱信息和红外光谱信息的混合相对应。

根据本发明的实施例，作为对原始VS实时数字视频图像帧进行的预处理的一部分而执行的特定图像处理功能可从多个图像处理选项中来选择。类似地，作为对原始IRS实时数字视频图像帧进行的预处理的一部分而执行的特定图像处理功能可从多个图像处理选项中来选择。此外，作为生成DS实时数字视频图像帧的处理的一部分而执行的特定图像处理功能可从多个图像处理选项中来选择。而且，根据本发明的实施例，作为方法500的预处理步骤和处理步骤的一部分而执行的特定图像处理功能取决于从多个焊接过程中选择焊接过程。

图6是为用户提供增强用户对电弧焊接特性之间的区分的双光谱数字成像电弧焊接系统600的第二示例实施例的示意性框图。系统600包括焊接头盔610，所述焊接头盔具有与其物理上整合的图2的透镜、相机和光学显示组件。然而，系统600还包括焊接电源和/或焊丝给送器620。在图6的实施例中，视觉引擎170不再与焊接头盔物理上整合，而是替代地，被整合到焊接电源或焊丝给送器中。在这种实施例中，原始数字视频(VS和IRS两者)经由有线装置或无线装置从焊接头盔的相机发送至视觉引擎170。经处理的视频(DS、VS和IRS)经由有线装置或无线装置从视觉引擎170发送回焊接头盔。例如，如果视觉引擎170在头盔内占据太多空间，或者如果视觉引擎在整合到头盔中时会导致头盔太重，则图6的配置可能是期望的。可替代地，可以将视觉引擎安装在头盔的外部(诸如，例如安装在头盔的顶部)以节省内部空间。视觉引擎170可以接收来自焊接电源和/或焊丝给送器710的信息，诸如，例如当前所选焊接模式、当前电极类型、或当前所选焊接波形和/或极性。这种信息可以由视觉引擎170用于做出图像处理选择或决策。此外，用户接口可以被整合到焊接电源或焊丝给送器中，以允许用户选择成像模式、成像参数预设等。

图7是为用户提供增强用户对电弧焊接特性之间的区分的双光谱数字成像电弧焊接系统700的第三示例实施例的示意性框图。系统700包括焊接头盔610，所述焊接头盔具有与其物理上整合的图2的透镜、相机和光学显示组件。然而，视觉引擎170与头盔在物理上分开。在这种实施例中，原始数字视频(VS和IRS两者)经由有线装置或无线装置从焊接头盔的相机发送至视觉引擎170。经处理的视频(DS、VS和IRS)经由有线装置或无线装置从视觉引擎170发送回焊接头盔。例如，如果视觉引擎170在头盔内占据太多空间，或者如果视觉引擎在整合到头盔中时会导致头盔太重，则图7的配置可能是期望的。再次，可替代地，可以将视觉引擎安装在头盔的外部(诸如，例如安装在头盔的顶部)以节省内部空间。再次，作为选项，视觉引擎170可以接口连接至焊接电源和/或焊丝给送器710(例如，有线或无线地)以接收来自焊接电源和/或焊丝给送器710的信息，诸如，例如当前所选焊接模式、当前电极类型、或当前焊接波形和/或极性。这种信息可以由视觉引擎170用于做出图像处理选择或决策。此外，用户接口可以被整合到视觉引擎中，以允许用户选择成像模式、成像参数预设等。

根据本发明的替代实施例，所述系统可以包括单个双光谱数字摄像机和单个透镜，其中，所述单个相机和透镜能够感测可见光谱辐射和红外光谱辐射两者。例如，单个相机可以包括与红外光谱传感器阵列交织的可见光谱传感器阵列，从而允许同时采集和形成VS图像帧和IRS图像帧两者。可替代地，单个相机可以例如在逐帧的基础上采用时间共享的方式在采集可见光谱数据与采集红外光谱数据之间交替。在这两种情况下，形成单独的VS图像帧的集合和IRS图像帧的集合并将其提供给视觉引擎170。在这种单个相机系统中，固有地实现了对VS图像帧和IRS图像帧的空间对准。从图1至图3显而易见的是，图1至图3的实施例如何可以被修改为这种单个相机配置。本文稍后所讨论的图9展示了使用单个双光谱数字摄像机和单个透镜的系统的实施例，其中，所述单个相机和透镜能够感测可见光谱辐射和红外光谱辐射两者。

根据本发明的替代实施例，所述系统包括一个或多个三维(3D)视图相机，从而允许用户采用3D方式来观看电弧焊接过程场景。光学显示组件被配置用于允许用户以3D方式查看焊接过程场景。

根据本发明的增强型实施例，可以在显示器180上生成、收集和显示非成像信息。例如，可以将各种引导信息或帮助属性叠加到所显示的实时视频上，以在焊接过程期间辅助用户。这种非成像信息可以包括例如：焊枪/焊炬角度或电焊条角度、距工件的伸出距离、焊枪/焊炬或电焊条的行进速度、焊枪/焊炬高度或电焊条高度、以及焊枪/焊炬角度或电焊条角度。非成像信息可以从如例如虚拟现实焊接仿真系统等另一系统获得，所述虚拟现实焊接仿真系统拴系至系统100中并且被配置用于至少在空间上跟踪焊枪/焊炬或电焊条。可替代地，例如，非成像信息可以由系统100通过使用系统100的至少一个相机来生成以在空间上跟踪焊接焊枪/焊炬或电焊条。在这种实施例中，系统100包括用于执行空间跟踪功能的跟踪模块。

其他非成像信息可以包括推荐(例如，“加速”、“减速”、“调整角度”等)。实际上，根据本发明的实施例，从双光谱视频获得的信息可以用于确定推荐。例如，如果焊接熔池的热特性指示焊接熔池的温度太低，则系统可以向用户显示使焊炬的行进速度减慢以允许更多的热能进入焊接熔池的推荐。基于公知的良好焊接技术以及所得焊接特性与焊接技术之间的关系，其他推荐也是可能的。

本发明的实施例包括提供电弧特性之间的增强的区分的双光谱数字成像电弧焊接系统。所述系统包括焊工面罩，所述焊工面罩被配置成佩戴在用户的头部上，以至少防护所述用户的眼睛免受由电弧焊接过程发射的光谱辐射。可见光谱(VS)数字摄像机与焊工面罩物理上整合，并且被配置用于提供表示在VS数字摄像机的视野内的电弧焊接过程中的原始VS实时数字视频图像帧。红外光谱(IRS)数字摄像机与焊工面罩物理上整合，并且被配置用于提供表示在IRS数字摄像机的视野内的电弧焊接过程中的原始IRS实时数字视频图像帧。光学显示组件与焊工面罩物理上整合，以在用户正在佩戴所述焊工面罩时向所述用户呈现实时数字视频图像。视觉引擎与VS数字摄像机、IRS数字摄像机和光学显示组件可操作地接口连接。视觉引擎被配置用于根据原始VS实时数字视频图像帧和原始IRS实时数字视频图像帧产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧，并且经由光学显示组件向用户显示所述DS实时视频图像帧。

视觉引擎可以与焊工面罩物理上整合，或者可以与焊工面罩物理上分开。例如，所述系统可以包括焊接电源，其中，视觉引擎物理上整合到焊接电源中和/或与所述焊接电源可操作地接口连接。所述系统可以包括焊丝给送器，其中，替代地，视觉引擎物理上整合到焊丝给送器中和/或与所述焊丝给送器可操作地接口连接。

所述系统还可以包括可操作地接口连接至所述视觉引擎和所述光学显示组件中的至少一者的用户接口。用户接口可以被配置成允许用户从多种可选和预定义的成像模式中手动地选择成像模式，或者可以被配置成允许用户手动地将成像参数预设更改成多个可选和预定义的成像参数预设之一。

根据本发明的实施例，视觉引擎包括第一图像处理器，所述第一图像处理器被配置用于对原始VS实时数字视频图像帧执行图像处理以生成表示焊接过程中的增强型VS属性的经处理VS实时数字视频图像帧。视觉引擎还包括第二图像处理器，所述第二图像处理器被配置用于对原始IRS实时数字视频图像帧执行图像处理以生成表示焊接过程中的增强型IRS属性的经处理IRS实时数字视频图像帧。视觉引擎进一步包括第三图像处理器，所述第三图像处理器被配置用于对经处理VS实时数字视频图像帧和经处理IRS实时数字视频图像帧执行图像处理以生成表示焊接过程中的组合的VS属性和IRS属性的双光谱(DS)实时数字视频图像帧。视觉系统还可以包括视频帧对准装置，所述视频帧对准装置被配置用于在向第三图像处理器提供经处理的实时数字视频图像帧之前，使经处理VS实时数字视频图像帧和经处理IRS实时数字视频图像帧的时间上相关的数字视频图像帧对在空间上对准。

本发明的另一实施例包括一种提供电弧特性之间的增强的区分的双光谱数字成像电弧焊接系统。所述系统包括：用于至少防护用户的眼睛免受由电弧焊接过程发射的光谱辐射的装置。所述系统进一步包括：用于生成表示电弧焊接过程中的可见光谱发射的原始可见光谱(VS)实时数字视频图像帧的装置，其中，用于生成原始可见光谱(VS)实时数字视频图像帧的装置与用于防护的装置物理上整合；以及用于生成表示电弧焊接过程中的红外光谱发射的原始红外光谱(IRS)实时数字视频图像帧的装置，其中，用于生成原始红外光谱(IRS)实时数字视频图像帧的装置与用于防护的装置物理上整合。所述系统进一步包括：用于显示实时数字视频图像帧的装置，其中，用于显示的装置与用于防护的装置物理上整合。所述系统还包括：用于根据原始VS实时数字视频图像帧和原始IRS实时数字视频图像帧产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧并且向用于显示的装置提供至少所述DS实时数字视频图像帧的装置。

用于产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧的装置可以与用于防护的装置物理上整合，或者可以与用于防护的装置在物理上分开。例如，所述系统还可以包括：焊接电源，其中，用于产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧的装置物理上整合到焊接电源中和/或与所述焊接电源可操作地接口连接。所述系统可以进一步包括：焊丝给送器，其中，用于产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧的装置替代地物理上整合到焊丝给送器中和/或与所述焊丝给送器可操作地接口连接。

所述系统可以进一步包括：用于允许用户从多种可选和预定义的成像模式中手动地选择成像模式的装置和/或用于允许用户手动地将成像参数预设更改成多个可选和预定义的成像参数预设之一的装置。

用于产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧的装置可以包括用于对原始VS实时数字视频图像帧执行图像处理以生成表示焊接过程中的增强型VS属性的经处理VS实时数字视频图像帧的装置。用于产生的装置还可以包括用于对原始IRS实时数字视频图像帧执行图像处理以生成表示焊接过程的增强型IRS属性的经处理IRS实时数字视频图像帧的装置。用于产生的装置可以进一步包括用于对经处理VS实时数字视频图像帧和经处理IRS实时数字视频图像帧执行图像处理以生成表示焊接过程的组合的VS属性和IRS属性的DS实时数字视频图像帧的装置。用于产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧的装置可以进一步包括用于在向用于对经处理的VS实时数字视频图像帧和IRS实时数字视频图像帧执行图像处理的装置提供经处理的VS实时数字视频图像帧和IRS实时数字视频图像帧之前，使经处理的VS实时数字视频图像帧和经处理的IRS实时数字视频图像帧的时间上相关的数字视频图像帧对在空间上对准的装置。

本发明的进一步实施例包括视觉引擎。所述视觉引擎包括若干个图像处理器。第一图像处理器被配置用于对原始VS实时数字视频图像帧执行图像处理以生成表示焊接过程中的增强型VS属性的经处理VS实时数字视频图像帧。第二图像处理器被配置用于对原始IRS实时数字视频图像帧执行图像处理以生成表示焊接过程中的增强型IRS属性的经处理IRS实时数字视频图像帧。第三图像处理器被配置用于对在时间上相关的经处理VS实时数字视频图像帧和经处理IRS实时数字视频图像帧对执行图像处理以生成表示焊接过程的组合的VS属性和IRS属性的DS实时数字视频图像帧。视觉引擎可以进一步包括视频帧对准装置，所述视频帧对准装置被配置用于在向第三图像处理器提供经处理VS实时数字视频图像帧和IRS实时数字视频图像帧之前，使经处理VS实时数字视频图像帧和经处理IRS实时数字视频图像帧的时间上相关的数字视频图像帧对在空间上对准。

本发明的另一实施例包括一种生成焊接过程的增强型双光谱实时数字视频的方法。所述方法包括：经由防护装置来采集焊接过程中的原始可见光谱(VS)实时数字视频图像帧和原始红外光谱(IRS)实时数字视频图像帧，所述防护装置由执行焊接过程的焊工佩戴以防护焊工免受由焊接过程发射的有害辐射。通过维持并增强焊接过程中的期望可见光谱属性并且通过移除焊接过程中不想要的可见光谱属性来预处理原始VS实时数字视频图像帧，以生成经预处理的VS实时数字视频图像帧。通过维持并增强焊接过程中的期望红外光谱属性并且通过移除焊接过程中的不想要的红外光谱属性来预处理原始IRS实时数字视频图像帧，以生成经预处理的IRS实时数字视频图像帧。然后，对经预处理的VS图像帧和IRS图像帧的时间上相关的图像帧对进行处理，以生成双光谱(DS)实时数字视频图像帧。例如，当焊工在焊接过程期间佩戴防护装置时，响应于焊工的选择经由所述防护装置向焊工显示DS实时数字视频图像帧、经预处理的VS实时数字视频图像帧以及经预处理的IRS实时数字视频图像帧之一。

根据本发明的实施例，DS实时数字视频图像帧中的每一帧的每个像素与可见光谱信息、红外光谱信息、以及可见光谱信息和红外光谱信息的混合中的一者相对应。所述方法可以进一步包括：在对时间上相关的图像帧对进行处理以生成DS实时数字视频图像帧之前，在逐个像素的基础上使时间上相关的图像帧对在空间上对准。

作为对原始可见光谱(VS)实时数字视频图像帧进行预处理的一部分而执行的特定图像处理功能可以从多个图像处理选项中来选择。类似地，作为对原始红外光谱(IRS)实时数字视频图像帧进行预处理的一部分而执行的特定图像处理功能可以从多个图像处理选项中来选择。而且，作为生成双光谱(DS)实时数字视频图像帧的处理的一部分而执行的特定图像处理功能可以从多个图像处理选项中来选择。此外，作为所述方法的预处理步骤和处理步骤的一部分而执行的特定图像处理功能可以取决于从多个焊接过程中选择焊接过程。

本发明的另一实施例包括一种向用户提供电弧特性之间的增强的区分的双光谱数字成像电弧焊接系统。所述系统包括焊工面罩，所述焊工面罩被配置成佩戴在用户的头部上并且用于至少防护所述用户的眼睛免受由电弧焊接过程发射的光谱辐射。所述系统还包括双光谱(DS)数字摄像机，所述双光谱数字摄像机与所述焊工面罩物理上整合，并且被配置用于提供原始可见光谱(VS)实时数字视频图像帧和原始红外光谱(IRS)实时数字视频图像帧。所述系统进一步包括光学显示组件，所述光学显示组件与所述焊工面罩物理上整合，并且被配置用于在所述用户正在佩戴所述焊工面罩时向所述用户呈现实时数字视频图像。所述系统还包括与DS数字摄像机和光学显示组件可操作地接口连接的视觉引擎，其中，所述视觉引擎被配置用于从原始VS实时数字视频图像帧和原始IRS实时数字视频图像帧产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧。

图8是双光谱数字成像电弧焊接系统800的另一实施例的示意性框图，示出了各个成像元件和控制元件。图8的系统800类似于图1至图3的系统100，其中，系统800包括可见光谱数字摄像机150、红外光谱数字摄像机160、视觉引擎170、光学显示组件180/190、以及用户接口310。然而，系统800还包括曝光控制器810，所述曝光控制器与可见光谱数字摄像机150、红外光谱数字摄像机160、以及用户接口310可操作地接口连接。

根据一个实施例，曝光控制器810被配置用于调整可见光谱数字摄像机150的曝光水平以及红外光谱数字摄像机160的曝光水平。相机的曝光水平与每帧由相机有效地采集多少光谱能量有关，这可能影响所得图像的外观(例如，亮度或暗度)。可以通过调整相机的曝光时间、相机的灵敏度、相机的滤光器或相机的光圈数值中的一者或多者来调整相机的曝光水平。根据一个实施例，相机150和160各自具有可以选择的两个或更多个滤光器。光圈数值是相机的焦距与相机有效光圈的直径的比值。一般而言，不同的曝光水平提供所采集图像数据的相应的不同动态范围。图像的动态范围指定图像内的图像数据的范围(例如，图像中的像素的幅值范围或颜色值范围)。

如图8中所示的，曝光控制器810接口连接至可见光谱数字摄像机150和红外光谱数字摄像机160，以调整每个相机的曝光水平。根据一个实施例，可以在逐帧的基础上实时地调整曝光水平。因此，第一采集图像可以与第一曝光水平相对应，下一个第二采集图像可以与第二曝光水平相对应，并且又下一个第三采集图像可以与第三曝光水平相对应，以此类推。以这种方式，可以采集具有不同动态范围的图像帧序列。可以由视觉引擎170组合图像帧序列，以生成具有例如大于最初的各个图像帧中的任何一个的动态范围的组合图像帧。具有较大动态范围的图像帧向用户提供比具有较小动态范围的类似图像帧更多的信息。

根据一个实施例，根据由曝光控制器810执行的曝光控制算法820来执行对曝光水平的调整。曝光控制算法820可以在曝光控制器810内采用例如硬件(例如，逻辑电路或数字信号处理器)、软件(例如，在处理器上运行的计算机可执行指令)、固件(例如，存储查找表(LUT)的可编程且可寻址存储器，比如EEPROM)、或其某种组合的形式来实施。

在图8中，曝光控制算法820确定待由相机获取的原始图像帧序列中的每一个的曝光水平。例如，根据一个实施例，曝光控制算法820规定，对于依次获取的每三个原始图像帧，将以第一曝光水平获取第一图像帧，将以第二曝光水平获取第二图像帧，并且将以第三曝光水平获取第三图像帧。将以第一曝光水平获取第四图像帧，将以第二曝光水平获取第五图像帧，并且将以第三曝光水平获取第六图像帧，以此类推。视觉引擎170将每三个图像帧序列进行组合以形成具有较大动态范围的单个图像帧(例如，单个可见光谱图像帧或单个红外光谱图像帧)。根据其他实施例，其他曝光控制算法也是可能的。

根据一个实施例，可以由用户经由用户接口310从多个可能的动态范围中选择由相机获取的所得图像帧的期望总体动态范围。根据曝光控制算法820，所选动态范围确定相机的待由曝光控制器810设置的(多个)曝光水平。在一个实施例中，可以独立于红外光谱数字摄像机160的动态范围以及由此(多个)所得曝光水平来选择可见光谱数字摄像机150的动态范围以及因此(多个)所得曝光水平。也就是说，在一个实施例中，曝光控制器810被配置用于独立于调整红外光谱数字摄像机160的(多个)曝光水平来调整可见光谱数字摄像机150的(多个)曝光水平。

在一个实施例中，曝光控制器810被配置成能够根据红外光谱数字摄像机160的(多个)曝光水平来调整可见光谱数字摄像机150的(多个)曝光水平。例如，在一个实施例中，曝光控制器包括存储在存储器中、使红外光谱数字摄像机160的所选曝光水平与可见光谱数字摄像机150的曝光水平相关的查找表(LUT)。以这种方式，当选择红外光谱数字摄像机160的(多个)曝光水平时，也可以有效地选择可见光谱数字摄像机150的(多个)曝光水平。

类似地，在一个实施例中，曝光控制器810被配置成能够根据可见光谱数字摄像机150的(多个)曝光水平来调整红外光谱数字摄像机160的(多个)曝光水平。例如，在一个实施例中，曝光控制器810包括存储在存储器中、使可见光谱数字摄像机150的所选曝光水平与红外光谱数字摄像机160的曝光水平相关的查找表(LUT)。以这种方式，当选择可见光谱数字摄像机150的(多个)曝光水平时，也可以有效地选择红外光谱数字摄像机160的(多个)曝光水平。可以通过对各种焊接过程的实验来确定可见光谱数字摄像机150与红外光谱数字摄像机160的曝光水平之间的依赖性。

在一个实施例中，视觉引擎170被配置用于通过将原始可见光谱实时数字视频图像帧中以不同曝光水平获取的至少两个组合为单个可见光谱图像帧来增大所得双光谱实时数字视频图像帧内的图像数据的动态范围。因此，当视觉引擎170将单个可见光谱图像帧(由以多次曝光的图像帧形成)与红外光谱图像帧组合时，由于单个可见光谱图像帧(由以多次曝光的图像帧形成)的较大动态范围，所得双谱图像帧也将具有较大的动态范围。

类似地，根据另一实施例，视觉引擎170被配置用于通过将原始红外光谱实时数字视频图像帧中以不同曝光水平获取的至少两个组合为单个可见光谱图像帧来增大所得双光谱实时数字视频图像帧内的图像数据的动态范围。因此，当视觉引擎170将单个红外光谱图像帧(由以多次曝光的图像帧形成)与可见光谱图像帧组合时，由于单个红外光谱图像帧(由以多次曝光的图像帧形成)的较大动态范围，所得双谱图像帧也将具有较大的动态范围。

此外，根据又另一实施例，视觉引擎170被配置用于通过将原始红外光谱实时数字视频图像帧中以不同曝光水平获取的至少两个组合为单个红外光谱图像帧并且通过将原始可见光谱实时数字视频图像帧中的至少两个组合到单个可见光谱图像帧中来增大所得双光谱实时数字视频图像帧内的图像数据的动态范围。因此，由于作为组成部分的单个红外光谱图像帧和单个可见光谱图像帧的两者都具有较大动态范围，所得双光谱图像帧也将具有较大动态范围。

根据一个实施例，视觉引擎被配置用于还生成增强型可见光谱(VS)实时数字视频图像帧和增强型红外光谱(IRS)实时数字视频图像帧。因此，焊工(用户)能够通过用户接口310选择在光学显示组件上显示这三种类型的视频(DS、增强型VS、增强型IRS)中的哪一种。每一种视频类型可以包括由于组合了以不同曝光水平获取的图像帧而具有较大动态范围的图像帧，如本文所描述的。

此外，根据一个实施例，系统100被配置用于允许用户经由用户接口310从多种可选和预定义的成像模式中选择成像模式。根据各实施例，用户接口310可以被整合到焊接头盔110中(例如，如在头盔一侧上的按钮)，或者可以是以有线或无线方式与头盔接口连接的物理上单独的装置。

图9是双光谱数字成像电弧焊接系统900的又另一实施例的示意性框图，示出了各个成像元件和控制元件。图9的系统900类似于图8的系统800，其中，系统900包括视觉引擎170、光学显示组件180/190、用户接口310、以及曝光控制器910。然而，系统900包括一个相机(具有单个透镜的双光谱数字摄像机920)，而不是可见光谱数字摄像机150和红外光谱数字摄像机160。根据一个实施例，双光谱数字摄像机920与焊工面罩物理上整合，并且被配置用于提供原始可见光谱实时数字视频图像帧和原始红外光谱实时数字视频图像帧两者。而且，由双光谱数字摄像机920产生的原始可见光谱实时数字视频图像帧和原始红外光谱实时数字视频图像帧被反馈给曝光控制器910以供分析。

具有单个透镜的双光谱数字摄像机920能够感测可见光谱辐射和红外光谱辐射两者。例如，双光谱数字摄像机920可以包括与红外光谱传感器阵列交织的可见光谱传感器阵列，从而允许同时采集和形成VS图像帧和IRS图像帧两者。可替代地，双光谱数字摄像机920可以例如在逐帧的基础上采用时间共享的方式在采集可见光谱数据与红外光谱数据之间来交替。在这两种情况下，形成单独的VS图像帧的集合和IRS图像帧的集合并将其提供给视觉引擎170。在这种单个相机系统中，固有地实现了对VS图像帧和IRS图像帧的空间对准。

根据一个实施例，曝光控制器910被配置用于调整双光谱数字摄像机920的曝光水平。再次，相机的曝光水平与每帧由相机有效地采集多少光谱能量有关，这可能影响所得图像的外观(例如，亮度或暗度)。可以通过调整相机的曝光时间、相机的灵敏度、相机的滤光器或相机的光圈数值中的一者或多者来调整相机的曝光水平。根据一个实施例，相机920具有可以选择的两个或更多个滤光器。光圈数值是相机的焦距与相机有效光圈的直径的比值。一般而言，不同的曝光水平提供所采集图像数据的相应的不同动态范围。图像的动态范围指定图像内的图像数据的范围(例如，图像中的像素的幅值范围或颜色值范围)。

如图9中所示的，曝光控制器910接口连接至双光谱数字摄像机920，以调整曝光水平(例如，双光谱数字摄像机920的可见光谱部分的曝光水平以及双光谱数字摄像机920的红外光谱部分的曝光水平)。根据一个实施例，可以在逐帧的基础上实时地调整曝光水平。因此，第一采集图像可以与第一曝光水平相对应，下一个第二采集图像可以与第二曝光水平相对应，并且又下一个第三采集图像可以与第三曝光水平相对应，以此类推。以这种方式，可以采集具有不同动态范围的图像帧序列。可以由视觉引擎170组合图像帧序列，以生成具有例如大于最初的各个图像帧中的任何一个的动态范围的组合图像帧。具有较大动态范围的图像帧向用户提供比具有较小动态范围的类似图像帧更多的信息。

根据一个实施例，可以由用户经由用户接口310从多个可能的动态范围中选择由相机920获取的所得图像帧的期望总体动态范围。所选动态范围确定相机920的待由曝光控制器910设置的(多个)曝光水平。在一个实施例中，可以独立于双光谱数字摄像机920的红外光谱部分的动态范围以及因此(多个)所得曝光水平来选择双光谱数字摄像机920的可见光谱部分的动态范围以及因此(多个)所得曝光水平。也就是说，在一个实施例中，曝光控制器910被配置用于独立于调整双光谱数字摄像机920的红外光谱部分的(多个)曝光水平来调整双光谱数字摄像机920的可见光谱部分的(多个)曝光水平。

在一个实施例中，曝光控制器910被配置成能够根据双光谱数字摄像机920的红外光谱部分的(多个)曝光水平来调整双光谱数字摄像机920的可见光谱部分的(多个)曝光水平。例如，在一个实施例中，曝光控制器910包括存储在存储器中、使双光谱数字摄像机920的红外光谱部分的所选曝光水平与双光谱数字摄像机920的可见光谱部分的曝光水平相关的查找表(LUT)。以这种方式，当选择双光谱数字摄像机920的红外光谱部分的(多个)曝光水平时，也可以有效地选择双光谱数字摄像机920的可见光谱部分的(多个)曝光水平。

类似地，在一个实施例中，曝光控制器910被配置成能够根据双光谱数字摄像机920的可见光谱部分的(多个)曝光水平来调整双光谱数字摄像机920的红外光谱部分的(多个)曝光水平。例如，在一个实施例中，曝光控制器910包括存储在存储器中、使双光谱数字摄像机920的可见光谱部分的所选曝光水平与双光谱数字摄像机920的红外光谱部分的曝光水平相关的查找表(LUT)。以这种方式，当选择双光谱数字摄像机920的可见光谱部分的(多个)曝光水平时，也可以有效地选择双光谱数字摄像机920的红外光谱部分的(多个)曝光水平。可以通过对各种焊接过程的实验来确定双光谱数字摄像机920的可见光谱部分与双光谱数字摄像机920的红外光谱部分的曝光水平之间的依赖性。

在一个实施例中，视觉引擎170被配置用于通过将原始可见光谱实时数字视频图像帧中以不同曝光水平获取的至少两个组合为单个可见光谱图像帧来增大所得双光谱实时数字视频图像帧内的图像数据的动态范围。因此，当视觉引擎170将单个可见光谱图像帧(由以多次曝光的图像帧形成)与红外光谱图像帧组合时，由于单个可见光谱图像帧(由以多次曝光的图像帧形成)的较大动态范围，所得双谱图像帧也将具有较大的动态范围。

类似地，根据另一实施例，视觉引擎170被配置用于通过将原始红外光谱实时数字视频图像帧中以不同曝光水平获取的至少两个组合为单个可见光谱图像帧来增大所得双光谱实时数字视频图像帧内的图像数据的动态范围。因此，当视觉引擎170将单个红外光谱图像帧(由以多次曝光的图像帧形成)与可见光谱图像帧组合时，由于单个红外光谱图像帧(由以多次曝光的图像帧形成)的较大动态范围，所得双谱图像帧也将具有较大的动态范围。

此外，根据又另一实施例，视觉引擎170被配置用于通过将原始红外光谱实时数字视频图像帧中以不同曝光水平获取的至少两个组合为单个红外光谱图像帧并且通过将原始可见光谱实时数字视频图像帧中的至少两个组合到单个可见光谱图像帧中来增大所得双光谱实时数字视频图像帧内的图像数据的动态范围。因此，由于作为组成部分的单个红外光谱图像帧和单个可见光谱图像帧的两者都具有较大动态范围，所得双光谱图像帧也将具有较大动态范围。

在一个实施例中，曝光控制器910包括曝光控制分析器915，所述曝光分析器被配置用于对从双光谱数字摄像机920反馈给曝光控制器910的原始可见光谱实时数字视频图像帧和原始红外光谱实时数字视频图像帧进行操作。根据一个实施例，对曝光水平的调整是基于由曝光控制分析器915对从双光谱数字摄像机920反馈给曝光控制器910的图像帧进行的分析而执行的。曝光控制分析器915可以在曝光控制器910内采用例如硬件(例如，逻辑电路或数字信号处理器)、软件(例如，在处理器上运行的计算机可执行指令)、固件(例如，存储查找表(LUT)的可编程且可寻址存储器，比如EEPROM)、或其某种组合的形式来实施。

例如，在一个实施例中，当将来自双光谱数字摄像机920的图像帧实时地反馈给曝光控制器910时，曝光控制分析器915分析图像帧内的图像数据并且确定图像帧内的图像数据的分布。根据各实施例，可以由单个图像帧的图像数据(例如，像素数据)或者由多个图像帧上的数据来形成分布。分布表征了正被分析的图像数据的某种特性的出现频率。根据一个实施例，分布表征了正被分析的图像数据的幅值的出现频率。根据另一实施例，分配表征了正被分析的图像数据的颜色的出现频率。根据各其他实施例，其他类型的分布也是可能的。

一旦曝光控制分析器915确定了分布，曝光控制器910就可以基于所述分布来调整双光谱数字摄像机920的相应部分(可见或红外)的曝光水平。例如，一种类型的分布可以指示需要增大曝光水平以实现由用户经由用户接口310选择的总体期望动态范围。另一类型的分布可以指示需要减小曝光水平以实现由用户经由用户接口310选择的总体期望动态范围。例如，可以以实验或分析的方式来确定图像数据分布与曝光水平之间的关系。以这种方式，当双光谱数字摄像机920正在实时地获取图像帧时，可以基于正被采集的实际图像数据的特性来实时地调整曝光水平。因此，可以针对可见光谱实时数字视频图像帧、红外光谱实时数字视频图像帧、或双光谱实时数字视频图像帧中的任何一个或全部来维持期望的动态范围。

在一个实施例中，当将来自双光谱数字摄像机920的图像帧实时地反馈给曝光控制器910时，曝光控制分析器915分析图像帧内的图像数据并且确定图像帧内的图像数据的统计参数(例如，平均数、方差、标准偏差)。根据各实施例，可以由单个图像帧的图像数据(例如，像素数据)或者由多个图像帧上的数据来形成统计参数。统计参数表征了正被分析的图像数据的某种统计特性。根据一个实施例，统计参数表征了正被分析的图像数据的幅值的平均值、方差和/或标准偏差。根据另一实施例，统计参数表征了正被分析的图像数据的颜色的平均值、方差和/或标准偏差。根据各其他实施例，其他类型的统计参数和特性也是可能的。

一旦曝光控制分析器915确定了统计参数，曝光控制器910就可以基于所述统计参数来调整双光谱数字摄像机920的相应部分(可见或红外)的曝光水平。例如，一种类型的统计参数可以指示需要增大曝光水平以实现由用户经由用户接口310选择的总体期望动态范围。另一类型的统计参数可以指示需要减小曝光水平以实现由用户经由用户接口310选择的总体期望动态范围。例如，可以以实验或分析的方式来确定图像数据统计参数与曝光水平之间的关系。以这种方式，当双光谱数字摄像机920正在实时地获取图像帧时，可以基于正被采集的实际图像数据的特性来实时地调整曝光水平。因此，可以针对可见光谱实时数字视频图像帧、红外光谱实时数字视频图像帧、或双光谱实时数字视频图像帧中的任何一个或全部来维持期望的动态范围。

根据替代实施例，对图像帧的分析可以由视觉引擎170来执行，而不是由曝光控制器910内的曝光控制分析器915来执行。在这种实施例中，视觉引擎170可以简单地在逐帧的基础上实时地向曝光控制器910提供分析结果(例如，分布信息、统计信息)。

图10展示了可以在图8和图9的系统中用作曝光控制器810和910的示例曝光控制器1000的实施例。控制器1000包括至少一个处理器1014，所述至少一个处理器经由总线子系统1012与多个周围设备通信。这些周围设备可以包括存储子系统1024(包括例如存储器子系统1028和文件存储子系统1026)、用户接口输入设备1022、用户接口输出设备1020、和网络接口子系统1016。这些输入设备和输出设备允许与控制器1000进行用户交互。网络接口子系统1016提供到外网的接口并且耦合到其他计算机系统中的相应接口设备上。例如，计算机化的焊接电源可以与控制器1000共享一个或多个特性，并且可以包括例如常规计算机、数字信号处理器和/或其他计算设备的元件。

用户接口输入设备1022可以包括键盘、定点设备(诸如鼠标、轨迹球、触摸板、或图形输入板、扫描仪、并入显示器中的触摸屏)、音频输入设备(诸如声音识别系统、麦克风)和/或其他类型的输入设备。总体上，使用术语“输入设备”旨在包括将信息输入到控制器1000或到通信网络上的所有可能类型的设备和方式。

用户接口输出设备1020可以包括显示子系统、打印机、传真机、或非可见显示器(例如，音频输出设备)。显示子系统可以包括阴极射线管(CRT)、平板设备(例如，液晶显示器(LCD))、投影设备，或者用于创建可见图像的某种其他机构。所述显示子系统还可以比如经由音频输出设备来提供非可见显示。总体上，使用术语“输出设备”旨在包括将来自控制器1000的信息输出到用户或另一个机器或计算机系统的所有可能类型的设备和方式。

存储子系统1024存储了提供本文所描述的一些或所有控制器功能的编程和数据构造。例如，存储子系统1024可以包括一个或多个软件模块，所述一个或多个软件模块包括用于分析图像数据和调整曝光水平的计算机可执行指令。

这些软件模块通常由处理器1014单独地或与其他处理器组合地执行的。存储子系统中使用的存储器子系统1028可以包括多个存储器，所述多个存储器包括：在程序执行过程中用于存储指令和数据的主随机存取存储器(RAM)1030和存储有固定指令的只读存储器(ROM)1032。文件存储子系统1026可以对程序和数据文件提供永久存储并且可以包括硬盘驱动器、与相关联的可移动介质一起的软盘驱动器、CD-ROM驱动器、光盘驱动器、或者可移动介质盒。实施某些实施例的功能的这些模块可以通过文件存储子系统1026存储在存储子系统1024中、或者存储在通过(多个)处理器1014可访问的其他机器中。

总线子系统1012提供了让控制器1000的这些不同部件和子系统如所预期地彼此通信的机构。虽然总线子系统1012被示意性地示为单一总线，但是所述总线子系统的替代实施例可以使用多条总线。

控制器1000可以具有各种实施方式，包括单个计算机、单个工作站、计算集群、服务器计算机或者被配置用于执行本文描述的控制器功能的任何其他数据处理系统或计算设备。由于计算设备和网络的性质不断变化，图10中所描绘的控制器1000的描述仅旨在作为出于说明一些实施例的目的的具体示例。控制器1000的许多其他配置(具有比图10所描绘的控制器更多或更少部件)是可能的。

总之，本文披露了在电弧焊接过程期间提供双光谱、可实时查看、增强用户对电弧焊接特性之间的区分的电弧焊接系统、方法和装置。可以实时地自动调整相机曝光水平，以影响向用户显示的图像数据的动态范围。

虽然所披露的实施例已经被相当详细地展示并且描述，但是并不意图对所附权利要求的范围进行约束或以任何方式限制到这样的细节。当然，出于描述本主题的不同方面的目的，描述部件或方法的每个可想到的组合是不可能的。因此，本披露不限于所示出并描述的具体细节或展示性实例。因此，本披露旨在包含落入所附权利要求的范围内的、满足35U.S.C.§101的法定主题要求的变更、修改以及变体。已经通过示例的方式给出了以上对特定实施例的描述。根据所给出的披露内容，本领域的技术人员将不仅理解总体发明概念和伴随的优点，而且还将发现对所披露结构和方法的各种明显的改变和修改。因此，所寻求的是涵盖落入如由所附权利要求及其等同物所限定的总体发明概念的精神和范围内的所有这样的改变和修改。

Claims (20)

1.一种双光谱数字成像电弧焊接系统，所述系统包括：

焊工面罩，所述焊工面罩被配置成佩戴在用户的头部上并且用于至少防护所述用户的眼睛免受由电弧焊接过程发射的光谱辐射；

可见光谱数字摄像机，所述可见光谱数字摄像机与所述焊工面罩物理上整合，并且被配置用于提供原始可见光谱实时数字视频图像帧；

红外光谱数字摄像机，所述红外光谱数字摄像机与所述焊工面罩物理上整合，并且被配置用于提供原始红外光谱实时数字视频图像帧；

曝光控制器，所述曝光控制器与所述可见光谱数字摄像机和所述红外光谱数字摄像机可操作地接口连接，其中，所述曝光控制器被配置用于调整以下各项中的至少一项：

(i)根据由所述曝光控制器执行的曝光控制算法在逐帧的基础上实时调整所述可见光谱数字摄像机的曝光水平，或者

(ii)根据由所述曝光控制器执行的曝光控制算法在逐帧的基础上实时调整所述红外光谱数字摄像机的曝光水平；

光学显示组件，所述光学显示组件与所述焊工面罩物理上整合，并且被配置用于在所述用户正在佩戴所述焊工面罩时向所述用户呈现实时数字视频图像；以及

视觉引擎，所述视觉引擎与所述可见光谱数字摄像机、所述红外光谱数字摄像机和所述光学显示组件可操作地接口连接，其中，所述视觉引擎被配置用于生成以下各项中的至少一项：

(i)根据所述原始可见光谱实时数字视频图像帧和所述原始红外光谱实时数字视频图像帧生成双光谱实时数字视频图像帧，

(ii)根据所述原始可见光谱实时数字视频图像帧生成增强型可见光谱实时数字视频图像帧，或者

(iii)根据所述原始红外光谱实时数字视频图像帧生成增强型红外光谱实时数字视频图像帧。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述曝光控制器被配置用于独立于调整所述红外光谱数字摄像机的所述曝光水平来调整所述可见光谱数字摄像机的所述曝光水平。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述曝光控制器被配置用于根据所述红外光谱数字摄像机的所述曝光水平来调整所述可见光谱数字摄像机的所述曝光水平。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述曝光控制器被配置用于根据所述可见光谱数字摄像机的所述曝光水平来调整所述红外光谱数字摄像机的所述曝光水平。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述曝光控制器被配置用于通过控制对所述可见光谱数字摄像机的曝光时间、光圈数值、灵敏度、或滤光器中的至少一者进行的调整来调整所述可见光谱数字摄像机的所述曝光水平。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述曝光控制器被配置用于通过控制对所述红外光谱数字摄像机的曝光时间、光圈数值、灵敏度、或滤光器中的至少一者进行的调整来调整所述红外光谱数字摄像机的所述曝光水平。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述视觉引擎被配置用于通过将所述原始可见光谱实时数字视频图像帧中以不同曝光水平获取的至少两个组合为单个可见光谱图像帧来增大所述双光谱实时数字视频图像帧中的一个双光谱实时数字视频图像帧内的图像数据的动态范围。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述视觉引擎被配置用于通过将所述原始红外光谱实时数字视频图像帧中以不同曝光水平获取的至少两个组合为单个红外光谱图像帧来增大所述双光谱实时数字视频图像帧中的一个双光谱实时数字视频图像帧内的图像数据的动态范围。

9.如权利要求1所述的系统，进一步包括：用户接口，所述用户接口可操作地接口连接到至少所述曝光控制器，并且被配置用于允许用户从多个可选动态范围中手动地选择动态范围，其中，所述动态范围指定有待在至少所述双光谱实时数字视频图像帧内生成的图像数据的范围。

10.一种向用户提供电弧焊接特性之间的增强的区分的双光谱数字成像电弧焊接系统，所述系统包括：

焊工面罩，所述焊工面罩被配置成佩戴在用户的头部上并且用于至少防护所述用户的眼睛免受由电弧焊接过程发射的光谱辐射；

双光谱数字摄像机，所述双光谱数字摄像机与所述焊工面罩物理上整合，并且被配置用于提供原始可见光谱实时数字视频图像帧和原始红外光谱实时数字视频图像帧；

曝光控制器，所述曝光控制器与所述双光谱数字摄像机可操作地接口连接，其中，所述曝光控制器被配置用于至少部分地基于从所述双光谱数字摄像机反馈给所述曝光控制器的图像帧内的图像数据而在逐帧的基础上实时调整所述双光谱数字摄像机的至少一个曝光水平；

光学显示组件，所述光学显示组件与所述焊工面罩物理上整合，并且被配置用于在所述用户正在佩戴所述焊工面罩时向所述用户呈现实时数字视频图像；以及

视觉引擎，所述视觉引擎与所述双光谱数字摄像机和所述光学显示组件可操作地接口连接，其中，所述视觉引擎被配置用于生成以下各项中的至少一项：

(i)根据所述原始可见光谱实时数字视频图像帧和所述原始红外光谱实时数字视频图像帧生成双光谱实时数字视频图像帧，

(ii)根据所述原始可见光谱实时数字视频图像帧生成增强型可见光谱实时数字视频图像帧，或者

(iii)根据所述原始红外光谱实时数字视频图像帧生成增强型红外光谱实时数字视频图像帧。

11.如权利要求10所述的系统，其中，所述曝光控制器被配置用于基于所述曝光控制器的曝光控制分析器而在逐帧的基础上实时调整所述双光谱数字摄像机的可见光谱部分的曝光水平，所述曝光控制分析器对从所述双光谱数字摄像机反馈给所述曝光控制器的所述原始可见光谱实时数字视频图像帧进行操作。

12.如权利要求10所述的系统，其中，所述曝光控制器被配置用于基于所述曝光控制器的曝光控制分析器而在逐帧的基础上实时调整所述双光谱数字摄像机的红外光谱部分的曝光水平，所述曝光控制分析器对从所述双光谱数字摄像机反馈给所述曝光控制器的所述原始红外光谱实时数字视频图像帧进行操作。

13.如权利要求10所述的系统，其中，所述曝光控制器被配置用于独立于调整所述双光谱数字摄像机的红外光谱部分的曝光水平来调整所述双光谱数字摄像机的可见光谱部分的曝光水平。

14.如权利要求10所述的系统，其中，所述曝光控制器被配置用于根据所述红外光谱数字摄像机的所述红外光谱部分的曝光水平来调整所述可见光谱数字摄像机的所述可见光谱部分的曝光水平。

15.如权利要求10所述的系统，其中，所述曝光控制器被配置用于根据所述可见光谱数字摄像机的所述可见光谱部分的曝光水平来调整所述红外光谱数字摄像机的所述红外光谱部分的曝光水平。

16.如权利要求10所述的系统，其中，所述曝光控制器被配置用于通过控制对所述双光谱数字摄像机的所述可见光谱部分的曝光时间、光圈数值、灵敏度、或滤光器中的至少一者进行的调整来调整所述双光谱数字摄像机的可见光谱部分的曝光水平。

17.如权利要求10所述的系统，其中，所述曝光控制器被配置用于通过控制对所述双光谱数字摄像机的所述红外光谱部分的曝光时间、光圈数值、灵敏度、或滤光器中的至少一者进行的调整来调整所述双光谱数字摄像机的红外光谱部分的曝光水平。

18.如权利要求10所述的系统，其中，所述视觉引擎被配置用于通过将所述原始可见光谱实时数字视频图像帧中以不同曝光水平获取的至少两个组合为单个可见光谱图像帧来增大所述双光谱实时数字视频图像帧中的一个双光谱实时数字视频图像帧内的图像数据的动态范围。

19.如权利要求10所述的系统，其中，所述视觉引擎被配置用于通过将所述原始红外光谱实时数字视频图像帧中以不同曝光水平获取的至少两个组合为单个红外光谱图像帧来增大所述双光谱实时数字视频图像帧中的一个双光谱实时数字视频图像帧内的图像数据的动态范围。

20.如权利要求10所述的系统，进一步包括：用户接口，所述用户接口可操作地接口连接到至少所述曝光控制器，并且被配置用于允许用户从多个可选动态范围中手动地选择动态范围，其中，所述动态范围指定有待在至少所述双光谱实时数字视频图像帧内生成的图像数据的范围。