一种基于棱镜的焊接熔池传感单摄像机立体视觉成像装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于棱镜的焊接熔池传感单摄像机立体视觉成像装置，包括一棱镜、一成像装置和图像处理模块，其中所述棱镜放置在所述成像装置和焊接熔池之间，所述棱镜底面正对焊接熔池，成像装置的成像平面平行于棱镜的底面；在所述图像处理模块将获得的熔池图像依次进行图像滤波和分割处理、图像对立体匹配、熔池表面的三维建模。采用棱镜和滤光片等光学元件，实现了采用一台摄像机拍摄出熔池清晰的立体图像对，以用于焊接熔池表面三维形貌传感。
【专利说明】一种基于棱镜的焊接熔池传感单摄像机立体视觉成像装置【技术领域】
[0001]本发明涉及的是ー种基于棱镜的焊接熔池传感单摄像机立体视觉成像装置。
【背景技术】
[0002]在焊接过程中，熟练的焊エ通过双眼观察熔池表面，经过分析调整焊接姿态及參数等来获得高质量的焊接。基于视觉传感的焊接过程控制就是利用CCD摄像机等成像设备来模拟人眼获得焊接过程图像，通过一定的算法从图像提取能够反映焊接质量状态的信息，从而判定当前的エ艺參数是否合适，并进行相应的调整。因视觉传感不与焊接回路接触，检测不影响焊接过程的进行，而且能提供丰富的特征信息，如接头形式、电弧形态、熔池形状等，使得视觉传感在焊接成形传感中的到了广泛的应用。
[0003]目前，熔池三维传感技术主要有结构光法，阴影恢复形状法和立体视觉法。
[0004]Kovacevic和Zhang在激光频闪系统的基础上,通过毛玻璃光栅生成多条纹结构光，投射到熔池表面，摄像机直接拍摄的图像中结构光条纹变形情况就包含了熔池表面的三維信息。Saseed向熔池表面投射单条纹结构光，直接使用摄像机拍摄熔池图像，再利用标定參数也成功实现了 GTAW焊接熔池表面的三维重建。
[0005]在不使用辅助光源的被动视觉方法中，立体视觉和从阴影恢复形状都被用来完成熔池表面的三维重建。哈尔滨エ业大学的赵冬斌等首次采用阴影恢复形状技术，通过图象灰度同物体形状之间的关系计算得出物体的表面高度，实现了从单幅图像恢复熔池的三维形貌，但从阴影恢复形状理想条件为光源和摄像机无穷远，物体表面为完全漫反射，这些条件在焊接的情况下均不满足。赵等针对焊接熔池图像的特点，引入了表面光滑约束、边界条件和灰度加权调整等改进算法。但由于计算中一些约束參数确定时人为因素多，导致其计算结果的误差较大，尤其是在图像灰度变化明显的区域(也就是特征明显的区域)，如熔池边界部分，反光強烈的部分等`。
[0006]基于立体视觉的三维重建技术用两个摄像机代替双眼拍摄图像对，通过计算可以获得物体或者场景的三维形状和信息。立体视觉原理简单直观，获得信息量大，精度较高，因此一直是计算机视觉领域研究的热点。
[0007]通常的立体视觉法是从两个视点观测同一物体，获得在不同视角下的ー组图像，并通过三角測量原理求取景物的深度信息，也就是说，通过拍摄同一场景的两幅图像就可以计算出图像上每一点对应的空间位置坐标。
[0008]C.Mnich等采用两个高速摄像机构成的立体视觉系统，同时拍摄熔化极气体保护焊接熔池的图像对，利用区域匹配算法完成立体匹配，实现了熄弧瞬间熔池的三维重建。由于使用两个摄像机导致系统成本昂贵，且拍摄时必须保证同歩，因此该方法并不适合エ业应用，此外文中没有给出弧光存在时的重建結果。
[0009]Zhao C.X.等则采用基于平面镜的单目立体视觉技术来拍摄激光焊接熔池的立体图像对，实现了少数特征点三维运动轨迹跟踪。
[0010]大多数的视觉传感在传感熔池的应用中，得到的只是ー些二维的信息，比如熔宽、熔池边缘、后拖角和熔池面积等。这些信息并不能直观的反映焊接的熔透情况以及熔池的
二维信息。
【发明内容】
[0011]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提出了ー种基于棱镜的单摄像机立体视觉成像装置，采用棱镜和滤光片等光学元件，实现了采用一台摄像机拍摄出熔池清晰的立体图像对，以用于焊接熔池表面三维形貌传感。
[0012]本发明的技术方案如下:
[0013]一种基于棱镜的焊接熔池传感单摄像机立体视觉成像装置，包括ー棱镜、一成像装置和图像处理模块，其中所述棱镜放置在所述成像装置和焊接熔池之间，所述棱镜底面正对焊接熔池，成像装置的成像平面平行于棱镜的底面；在所述图像处理模块将获得的熔池图像依次进行图像滤波和分割处理、图像对立体匹配、熔池表面的三维建摸。
[0014]所述的装置，所述棱镜的坐标轴Zp轴和所述成像装置光轴Z轴重合，tz是棱镜中心和摄像机光学中心间的距离，a是棱镜斜面和底面的夹角，设ω为成像装置CCD芯片的长，w =6.4mm,镜头的焦距f=35mm, tz≥328mm,棱镜与熔池之间的距离Zp=300mm,摄像机光学中心与熔池间距为Z=Zp+tz=330+300=620mm，棱镜夹角a =13°，棱镜厚度为hb=5.8mm。
[0015]基于棱镜的单摄像机立体视觉系统相比于采用两个摄像机的双目立体视觉法，降低了成本，对应点的极线为图像的同一扫描线，两虚拟摄像机參数的一致性也降低了立体匹配难度。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为棱镜单摄像机立体视觉的原理图，(a)是棱镜单摄像机立体视觉成像原理图，(b)是利用棱镜镜像出的两虚拟摄像机Q和Ck示意图、(C)是棱镜和摄像机位置关系的不意图；
[0017]图2为基于棱镜的单摄像机立体视觉系统不意图；I摄像机，2镜头,3滤光片,4光学导轨，5棱镜，6棱镜支架，7防护玻璃； [0018]图3为棱镜结构參数定义；
[0019]图4为棱镜单摄像机立体视觉系统拍摄的立体图像对；
[0020]图5为单摄像机立体视觉系统熔池三维重建算法流程；
[0021]图6为本发明得到的熔池表面形貌，(a)是熔池表面形貌的正面视图，(b)是熔池表面形貌的侧面视图；
【具体实施方式】
[0022]以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0023]单摄像机立体视觉系统的成像原理如图1所示。假设摄像机坐标的X轴平行于棱镜坐标的Xp轴，即实际摄像机的成像平面平行于棱镜的底面；其中棱镜的坐标轴Zp轴和摄像机光轴Z轴重合。tz是棱镜中心和摄像机光学中心间的距离，a是棱镜斜面和底面的夹角。棱镜坐标轴Zp轴定义为通过底面几何中心且垂直于底面且指向目标物体的方向为正方向。[0024]基于棱镜的单摄像机立体视觉系统由一台摄像机和ー个棱镜组成，利用棱镜折射把实摄像机C镜像为存在一定角度、相互対称的两虚拟摄像机4和CK。摄像机像面平分为“左(CJ ”、“右(Ck) ”像面，使摄像机的“左”像面只能接受来自左光路所成的像，摄像机的“右”像面只能接受来自右光路所成的像。被測量物体的表面通过左右两光路，分别成像在摄像机的“左、右”像面上。
[0025]测量时，两虚拟摄像机的公共视场A内的被测点虚拟出两个虚拟点，分别成像，它们之间形成一定的虚拟立体视差，然后利用空间点P在两虚拟摄像机平面上的成像点坐标来求取空间点的三维坐标。这相当于传统的摄像机从两个不同位置获取被测物体的两幅图像，从而实现双目视觉的功能。
[0026]三维空间任意物点P发出的光线分别通过棱镜两斜面发生折射，光线发生角度为2 6的偏转，空间点P转变为两个虚点P1和Pr。摄像机镜头汇集所有来自虚拟视点P1和Pr的光线，并形成了两个相应的像点nir和1%。
[0027]利用上述原理设计的用于熔池表面三维传感的棱镜单摄像机立体视觉系统示意图如图2所示。系统中使用的棱镜结构參数的设计需要综合考虑摄像机成像芯片、镜头焦距、物距、棱镜与镜头间距离等多个參数。此系统的主要结构參数有棱镜和摄像机光学中心间的距离tz，棱镜的结构尺寸——包括底面高し和底面宽斜面和底面的夹角a(如图3所示)。棱镜的结构设计參数是整个单摄像机立体视觉系统的关键步骤，棱镜形状决定了两个虚拟摄像机的基线长短(两个摄像机之间距离)，进而影响系统的三维重建精度。
[0028]在进行參数设计时，先对ー些參数进行初步设定，利用这些设定的參数来完成系统參数的设计。步骤如下:
[0029]l)tz 的确定:
[0030]设《为エ业摄像机(XD芯片(正方形)尺寸，本试验中选用的摄像机成像芯片03=6.4mm，镜头的焦距f=35mm，根据这些数据可以得到摄像机的视场半角0 w=5.2
[0031]为保证所观察的熔池目标(熔池宽加上预留观察量约为60mm)，在传感器视场之内，由几何关系可得2tztan 0 w≥60mm,将0 w=5.2L代入而得到tz≥328mm。％值也不宜太大，上限以428mm为宜，否则将降低系统重建精度。
[0032]2)深度Z的确定:
[0033]考虑到棱镜受熔池高温度影响，为了安全一般棱镜与熔池之间的距离Zp≥300mm,初步设定Zp=300mm，那么摄像机光学中心与熔池间距为Z=Zp+tz=330+300=620mm。
[0034]3)棱镜夹角a、厚度hb的确定:
[0035]深度Z与视差d、角度S之间的函数关系，在此基础上由Z对d求偏导，得:
[0036]
【权利要求】
1.一种基于棱镜的焊接熔池传感单摄像机立体视觉成像装置，其特征在于，包括ー棱镜、一成像装置和图像处理模块，其中所述棱镜放置在所述成像装置和焊接熔池之间，所述棱镜底面正对焊接熔池，成像装置的成像平面平行于棱镜的底面；在所述图像处理模块将获得的熔池图像依次进行图像滤波和分割处理、图像对立体匹配、熔池表面的三维建摸。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述棱镜的坐标轴Zp轴和所述成像装置光轴Z轴重合，tz是棱镜中心和摄像机光学中心间的距离，a是棱镜斜面和底面的夹角，设?为成像装置CXD芯片的长，(60=6.4mm，镜头的焦距f=35mm，tz≥328mm，棱镜与熔池之间的距离Zp=300mm,摄像机光学中心与熔池间距为Z=Zp+tz=330+300 = 620mm,棱镜夹角a =13°，棱镜厚度为hb=5.8_。
【文档编号】G01B11/24GK103528540SQ201310470908
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2013年10月11日
【发明者】梁志敏 申请人:河北科技大学