[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及的是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。

背景技术

在焊接过程中，熟练的焊工通过双眼观察熔池表面，经过分析调整焊接姿态及参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，从而判定当前的工艺参数是否合适，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。

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。

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维信息。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，再利用标定参数也成功实现了GTAW焊接熔池表面的三维重建。

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。哈尔滨工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参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，反光强烈的部分等。

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。

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一组图像，并通过三角测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。

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步，因此该方法并不适合工业应用，此外文中没有给出弧光存在时的重建结果。

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。

大多数的视觉传感在传感熔池的应用中，得到的只是一些二维的信息，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三维信息。

发明内容

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一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。

本发明的技术方案如下：

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。

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，t_Z是棱镜中心和摄像机光学中心间的距离，α是棱镜斜面和底面的夹角，设ω为成像装置CCD芯片的长，ω=6.4mm，镜头的焦距f=35mm，t_z≥328mm，棱镜与熔池之间的距离Z_p=300mm，摄像机光学中心与熔池间距为Z=Z_p+t_z=330+300=620mm，棱镜夹角α=13°，棱镜厚度为h_b=5.8mm。

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，两虚拟摄像机参数的一致性也降低了立体匹配难度。

附图说明