CN114841999A - 一种调整焊接区域监控图像的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接图像处理技术领域，提供一种调整焊接区域监控图像的方法和系统，方法包括以下步骤：检测焊接区域光强，根据焊接区域光强调节到达光信号采集端的光线强度；采集焊接区域图像；对采集的图像进行处理，得到焊接熔池图像。本发明的方法和系统在焊接的同时直接采集并处理焊接区域的监控图像，及时发现焊接过程中出现的漏焊、焊接位移等问题，提高焊接工作效率，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及焊接图像处理技术领域，特别是涉及一种调整焊接区域监控图像的方法和系统。
背景技术
焊接是现代制造领域中重要工业方法之一，随着现代工业的发展，焊接生产的自动化和智能化越来越广泛，因此，如何提高焊接质量与焊接生产率成为焊接领域研究的重点。传统的焊接流水线上的焊接检测是通过人工进行抽检，该检测方法工作效率低，检测精度不高，发现问题不够及时，投入了大量人力，增加了投入成本。
因此，亟需开发一种调整焊接区域监控图像的方法和系统，在焊接的同时直接采集并处理焊接区域的监控图像，及时发现焊接过程中出现的漏焊、焊接位移等问题，提高焊接工作效率，降低生产成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种调整焊接区域监控图像的方法和系统，在焊接的同时采集并处理焊接区域的监控图像，实现对焊接的实时监控，及时发现焊接过程中出现的漏焊、焊接位移等问题，提高焊接工作效率，降低生产成本。
为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供了一种调整焊接区域监控图像的方法，包括以下步骤：
检测焊接区域光强，根据焊接区域光强调节到达光信号采集端的光线强度；
采集焊接区域图像；
对采集的图像进行处理，得到焊接熔池图像。
根据本发明一示例实施方式，所述检测焊接区域光强之前，先调节弧光检测的灵敏度阈值及响应光强变化的速率。
根据本发明一示例实施方式，所述弧光检测的灵敏度阈值为5kLus-10kLus；所述响应光强变化的速率为0.1ms-0.25ms。
根据本发明一示例实施方式，所述根据焊接区域光强调节到达光信号采集端的光线强度的方法包括：根据焊接区域光强计算出衰减率，根据衰减率调节到达光信号采集端的液晶模块的光衰减程度。
根据本发明一示例实施方式，所述衰减率的计算方法采用公式1：
其中，es表示感应光强设备对弧光的衰减率，用百分号表示；Ea表示信号探测器接受到的光信号强度；Emin、Emax是两个临界值，分别表示探测焊接起弧瞬间的光强阈值和衰减极限光强阈值；Ek表示衰减后的临界值，δ表示调整的比例因子，σ表示修正偏差。
根据本发明一示例实施方式，所述对采集的图像进行处理的方法依次包括：提取图像，转换图像格式，调光处理，滤波处理，图像数据处理。
根据本发明一示例实施方式，所述调光处理的方法依次包括：对数拉伸、对比度调节；
所述图像处理的方法包括：进行对数灰度变换，再次滤波去噪。
根据本发明一示例实施方式，所述对数灰度变换的方法包括：
先根据公式2对每个像素点的像素灰度值进行初步变换：
其中，t表示变换后的初步像素灰度值，s表示变换前的像素灰度值，c为常数；
再根据公式3通过灰度值拉伸将整张图片的像素灰度值扩充到0-255范围，得到最终灰度值：
t初=（t-tmin）×255÷（tmax-tmin） （3）；
如果t初＜0，则最终灰度值为s；
如果0≤t初≤255，则最终灰度值为t初；
如果t初＞255，则最终灰度值为255；
其中，tmin为灰度值最小临界阈值，tmax为灰度值最大临界阈值。
根据本发明一示例实施方式，所述再次滤波去噪的方法包括高斯滤波、和/或形态学噪声滤波、和/或高频滤波。
根据本发明的第二个方面，本发明提供一种调整焊接区域监控图像的系统，该系统执行所述调整焊接区域监控图像的方法，该系统包括：自适应光强调整设备和嵌入式处理系统；
所述自适应光强调整设备包括自适应光强调整模块和图像采集模块；所述自适应光强调整模块用于检测焊接区域光强，根据焊接区域光强调节到达光信号采集端的光线强度；所述图像采集模块用于采集焊接区域图像；
所述嵌入式处理系统包括图像处理模块，所述图像处理模块用于对采集的图像进行处理，得到焊接熔池图像。
根据本发明一示例实施方式，所述自适应光强调整设备还包括手动调整模块，所述手动调整模块用于调节弧光检测的灵敏度阈值及响应光强变化的速率。
根据本发明一示例实施方式，所述嵌入式处理系统还包括存储管理模块和显示播放模块，所述存储管理模块用于存储焊接熔池图像；所述显示播放模块用于显示焊接熔池图像。
本发明的有益效果是：
本发明的方法和系统可对全焊接过程中焊接区域进行实时监控，通过对焊接区域监控图像的处理，处理质量高，可清晰的显示焊接过程的焊接区域，及时找到焊接过程中出现的问题，使焊接相关人员可以迅速精准的掌握整个焊接过程的状态，提高焊接工作效率，降低生产成本。
附图说明
图1示意性示出了调整焊接区域监控图像的系统的结构图。
图2示意性示出了调整焊接区域监控图像的方法的步骤图。
图3示意性示出了采集焊接图像的步骤框图。
图4示意性示出了未经过光衰处理的相机采集的焊接区域的图像。
图5示意性示出了经过光衰处理的相机采集的焊接区域的图像。
图6示意性示出了处理焊接图像的步骤框图。
图7示意性示出了焊接熔池图像。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
作为本发明的第一个实施方式，提供一种调整焊接区域监控图像的系统，如图1所示，包括：自适应光强调整设备和嵌入式处理设备。
自适应光强调整设备设置在前端，用于采集图像。自适应光强调整设备安装在一个密封防护罩内， 防止接中出现的飞溅、火花对器件造成影响。自适应光强调整设备包括自适应光强调整模块、图像采集模块和手动调整模块。自适应光强调整模块用于检测焊接区域光强，根据焊接区域光强调节到达光信号采集端的光线强度。自适应光强调整模块包括：电弧光强探测器、光电信号转换模块和液晶调节模块。图像采集模块用于采集焊接区域图像。手动调整模块用于调节弧光检测的灵敏度阈值及响应光强变化的速率。
嵌入式处理设备设置在后端，用于对采集的图像进行处理。嵌入式处理设备包括图像处理模块、存储管理模块和显示播放模块。图像处理模块用于对采集的图像进行处理，得到焊接熔池图像。存储管理模块用于存储焊接熔池图像。所述显示播放模块用于显示焊接熔池图像。
作为本发明的第二个实施方式，提供一种调整焊接区域监控图像的方法，采用第一个实施方式的系统。如图2所示，该方法包括以下步骤：
S1：调节弧光检测的灵敏度阈值及响应光强变化的速率。
此步骤由手动调整模块完成，无需调节弧光检测的灵敏度阈值及响应光强变化的速率，此步骤可以省略。
弧光检测的灵敏度阈值为5kLus-10kLus。
响应光强变化的速率为0.1ms-0.25ms。
针对不同类型的焊接，存在不同强度的弧光和不同频率的光强变化，因此需要手动设置弧光检测的灵敏度阈值和响应光强的变化速率。通常情况下，焊接电流越大弧光越强，则相应的灵敏度阈值设置越高。脉冲焊接比直流焊接的弧光光强变化频率更高，就需要将弧光检测的相应速率相应的提升。弧光检测的灵敏度和响应光强变化速率均是影响电弧光强探测器检测光强的因素。
表1列出了不同的弧光强度及焊接脉冲频率对应不同的灵敏度阈值及相应光强变化的速率。
表1
S2：检测焊接区域光强，根据焊接区域光强调节到达光信号采集端的光线强度。
此步骤由自适应光强调整模块完成，当焊接起弧光后，感应光强设备通过检测进入相机内部的总光通量，实时调节总进光量的衰减率，从而保持图像质量获取的稳定性。
具体地，如图3所示，电弧光的主要成分包括紫外光和可见光，因此，可通过衰减掉大部分的紫外光和可见光来控制衰减光的效率。当有弧光进入电弧光强探测器后，电弧光强探测器检测焊接区域的弧光的光强度信号。光电信号转换模块会迅速给出相应的处理信号，根据焊接区域光强计算出衰减率。液晶调节模块根据述衰减率调节到达光信号采集端的液晶模块的光衰减程度，进而进行滤光，才能采集图像。
衰减率的计算方法采用公式1：
其中，es表示感应光强设备对弧光的衰减率，用百分号表示；Ea表示信号探测器接受到的光信号强度；Emin、Emax是两个临界值，分别表示探测焊接起弧瞬间的光强阈值和衰减极限光强阈值；Ek表示衰减后的临界值，δ表示调整的比例因子，σ表示修正偏差。
即为，当Ea≤Emin时，es=100%；当Emin＜Ea≤Emax时，es=
；当Ea＞Emax时，es=0%。
S3：采集焊接区域图像。
此步骤由图像采集模块完成。未经过光衰处理（步骤S2）的相机采集的焊接区域的图像如图4所示，衰减率过低，相机过曝严重，有用的信息几乎完全丢失，就算有用再强的后期图像处理技术也无法获得图像的细节。经过光衰处理（步骤S2）的相机采集的焊接区域的图像如图5所示，从图中能得到完整的焊接熔池及熔滴尺寸信息。
采集焊接区域图像的采样频率为5kHz-9kHz，根据实际需要调整采样频率。
S4：对采集的图像进行处理，得到焊接熔池图像。
此步骤由图像处理模块完成。由于采集的图像明暗对比度过大，损失掉过多的图像细节，因此需要对采集的图像再进行调光处理。
对采集的图像进行处理的方法依次包括：提取图像，转换图像格式，调光处理，滤波处理，图像数据处理。
具体地，如图6所示，提取采集的图像，对采集的图像进行A/D转换，进行对数拉伸和对比度调节处理，进行滤波处理。对数拉伸可增加动态范围，对比度提升可增强细节纹理，滤波处理可去噪减小干扰。减小噪声影响能够更大程度凸显图像细节。
接着进行图像数据处理，具体包括：进行对数灰度变换，再次滤波去噪。
对数灰度变换的方法包括：
先根据公式2对每个像素点的像素灰度值进行初步变换：
其中，t表示变换后的初步像素灰度值，s表示变换前的像素灰度值，c为常数；
再根据公式3通过灰度值拉伸将整张图片的像素灰度值扩充到0-255范围，得到最终灰度值：
t初=（t-tmin）×255÷（tmax-tmin） （3）；
如果t初＜0，则最终灰度值为s；
如果0≤t初≤255，则最终灰度值为t初；
如果t初＞255，则最终灰度值为255；
其中，tmin为灰度值最小临界阈值，tmax为灰度值最大临界阈值。
灰度值最小临界阈值和灰度值最大临界阈值为人为设定，灰度值最小临界阈值和灰度值最大临界阈值之间表达了图像细节信息，在计算出每个像素点的变换后的初步像素灰度值之后，可以知晓每个像素点变换后的初步像素灰度值的分布情况。这些像素点的初步像素灰度值不会严格地分布在0-255的整个区间，而是更集中在0-255中的某一个区间，集中的这一区间表达了图像细节信息，灰度值最小临界阈值和灰度值最大临界阈值通过初步像素灰度值集中的区间进行选取。由于灰度变换后被放大的图像的暗部区域存在底噪，暗部区域在硬件系统确定后它的灰度值不会有明显的浮动，暗部区域更多是环境光影响而产生的，对图像细节的贡献非常微弱，因此灰度值最小临界阈值大于暗部区域的灰度值10-20。亮部区域能够获取更多的图像信息，因此将灰度值最大临界阈值设置为200以上。例如初步像素灰度值集中在20-200之间，则设定灰度值最小临界阈值为30，灰度值最大临界阈值为255。灰度值最大临界阈值为255是为了简化算法。同理，如果计算出来的t初小于0，则表示该像素点为暗部区域，不需要注重其细节，因此设置为s；如果计算出来的t初大于255，则超出了数字图像的处理范围，也是不需要注重的细节，因此设置为255；如果计算的t初在0到255之间，则保留t初的数值，这才是需要注重的图像细节信息。分段处理能有效拉伸需要关注的高亮度部分的图像细节，抑制低亮度内包含的图像底噪。通过公式3，采用改进后的分段式的图像对数灰度变换，将暗部区域的影响减弱，将整体灰度宽度放大，更突出亮部区域，使需要观察的内容的细节更清晰。c小于或等于100，优选地，40≤c≤50。
再次滤波去噪的方法包括高斯滤波、和/或形态学噪声滤波、和/或高频滤波。
总共进行两次滤波，第一次滤波去噪用于去除原图像明显的噪声，第二次滤波去噪用于去除在图像灰度变换后图像信号经过一轮放大后被同时放大的图像噪声。
对采集的图像进行处理帧率为200Hz-500Hz。
采用高速实时图像处理技术、处理速度可达500帧每秒，同时对图像进行高速无损压缩传输，可实现焊接过程的实时图像监控及高帧率回放。由于相机动态范围受限、原图像明暗对比度较大、且不同时刻拍摄的图像明暗差异不同。通过分段式的图像灰度值变换，既能最大程度的获取焊接图像内部的细节信息同时又抑制了噪声对图像的影响，经过多层滤波以及增强处理，可清晰还原焊接过程中从融化、流动、凝固的全部过程。
S5：存储并显示焊接熔池图像，根据焊接熔池图像显示的焊接不良的地方进行补焊。
采样速度高以及处理速度快并不是为了实时显示，实时显示的帧率在人肉眼看来只需要30-50HZ，超出这个帧率范围后人眼分辨不出来。更快的采集帧率是为了能够适应后续的慢速回放。更有助于通过回放了解整个焊接过程中的一些快速变化的细节。因此，存储的焊接熔池图像为采样并处理好的图像，而显示焊接熔池图像为部分处理好的图像，显示的帧率为30-50HZ。
处理完成后的图像质量清晰，通过数据连接线传送至存储管理模块进行存储，通过VGA线传送至显示播放模块进行显示，如图7所示，经过处理后的焊接熔池图像可清晰显示熔化、氧化、凝固的全部信息。
通过本方案的方法，能对全焊接过程焊接区域进行实时监控，可直接观看焊接，发现焊接过程中出现的问题，精度高，可视性高，成本低廉。 具体包括以下优点：
1、本方案可以自动调节输入光通量，能够在高亮度的焊接环境下与未启动焊接的环境下均可以使用。
2、本方案采用了图像处理模块可去噪声影响，提高图像质量，并且图像处理软件也提供辅助调光功能作为硬件调光功能的辅助手段，提高了系统的适应性。
3、本方案通过显示播放可实时清晰的显示焊接过程焊接区域，及时对焊接区域进行监控，发现焊接过程中出现的问题，使焊接相关人员可以迅速精准的掌控整个焊接过程的状态。
4、本方案采用管理存储模块可记录全焊接过程焊接区域的视觉测量信息并提供回放功能，方便焊接工作的教学、研究以及过程分析等任务的完成。
5、本方案所需的结构只有相机、可控衰减片以及嵌入式的运行系统，结构简单，硬件成本低。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种调整焊接区域监控图像的方法，其特征在于，包括以下步骤：
检测焊接区域光强，根据焊接区域光强调节到达光信号采集端的光线强度；
采集焊接区域图像；
对采集的图像进行处理，得到焊接熔池图像；
所述根据焊接区域光强调节到达光信号采集端的光线强度的方法包括：根据焊接区域光强计算出衰减率，根据衰减率调节到达光信号采集端的液晶模块的光衰减程度；
所述衰减率的计算方法采用公式1：
其中，es表示感应光强设备对弧光的衰减率，用百分号表示；Ea表示信号探测器接受到的光信号强度；Emin、Emax是两个临界值，分别表示探测焊接起弧瞬间的光强阈值和衰减极限光强阈值；Ek表示衰减后的临界值，δ表示调整的比例因子，σ表示修正偏差。
2.根据权利要求1所述的调整焊接区域监控图像的方法，其特征在于，所述检测焊接区域光强之前，先调节弧光检测的灵敏度阈值及响应光强变化的速率。
3.根据权利要求2所述的调整焊接区域监控图像的方法，其特征在于，所述弧光检测的灵敏度阈值为5kLus-10kLus；所述响应光强变化的速率为0.1ms-0.25ms。
4.根据权利要求1所述的调整焊接区域监控图像的方法，其特征在于，所述对采集的图像进行处理的方法依次包括：提取图像，转换图像格式，调光处理，滤波处理，图像数据处理。
5.根据权利要求4所述的调整焊接区域监控图像的方法，其特征在于，所述调光处理的方法依次包括：对数拉伸、对比度调节；
所述图像数据处理的方法包括：进行对数灰度变换，再次滤波去噪。
6.根据权利要求5所述的调整焊接区域监控图像的方法，其特征在于，所述对数灰度变换的方法包括：
先根据公式2对每个像素点的像素灰度值进行初步变换：
其中，t表示变换后的初步像素灰度值，s表示变换前的像素灰度值，c为常数；
再根据公式3通过灰度值拉伸将整张图片的像素灰度值扩充到0-255范围，得到最终灰度值；
t初=（t-tmin）×255÷（tmax-tmin） （3）；
如果 t初 <0，则最终灰度值为s；
如果0≤t初≤255，则最终灰度值为t初；
如果 t初> 255，则最终灰度值为255；
其中，tmin为灰度值最小临界阈值，tmax为灰度值最大临界阈值。
7.根据权利要求5所述的调整焊接区域监控图像的方法，其特征在于，所述再次滤波去噪的方法包括：高斯滤波、和/或形态学噪声滤波、和/或高频滤波。
8.一种调整焊接区域监控图像的系统，该系统执行权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，包括：自适应光强调整设备和嵌入式处理系统；
所述自适应光强调整设备包括自适应光强调整模块和图像采集模块，所述自适应光强调整模块用于检测焊接区域光强，根据焊接区域光强调节到达光信号采集端的光线强度；所述图像采集模块用于采集焊接区域图像；
所述嵌入式处理系统包括图像处理模块，所述图像处理模块用于对采集的图像进行处理，得到焊接熔池图像。
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