基于焊接熔池的数字相机自动对焦系统及其自动聚焦方法
【专利摘要】一种基于焊接熔池的数字相机自动对焦系统及其自动聚焦方法，涉及一种自动对焦系统及其自动聚焦方法，系统包括滤光模块、摄像头、嵌入式处理器，滤光模块包括隔热玻璃、滤光片，隔热玻璃、滤光片依次设置在焊接工件与摄像头之间，摄像头与嵌入式处理器连接，嵌入式处理器与焊接设备的控制系统连接；方法是采用图像清晰度评价函数实时对相邻的图像帧进行判断，对评价函数构成的图像清晰度曲线采用爬坡法，实时调整摄像头镜头的焦距倍率，使评价函数曲线点处于峰值位置，达到图像清晰效果。本发明能够在焊接过程中，不用借助外面光源就能够准确快速完成自动焊接视频对焦，其性能比较可靠，可适用于各种焊接。
【专利说明】基于焊接熔池的数字相机自动对焦系统及其自动聚焦方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种自动对焦系统及其自动聚焦方法，特别是一种基于焊接熔池的数字相机自动对焦系统及其自动聚焦方法。
【背景技术】
[0002]生产加工企业大量需要使用焊接技术。目前，许多焊接过程中由于工件本身构造不同，使得焊接定位不精确影响焊接质量。焊接跟踪约束条件较大，自动化跟踪焊接相对水平不高。由于焊接过程中出现弧光辐射、高温气体、灰尘飞溅；表面结构、工件热变形等因素造成焊矩偏离焊缝。工作环境恶劣，要求弧焊机器人能够实时检测焊缝的偏差，并调整焊接路线和焊接参数。
[0003]而目前市场上普遍的自动焊接机自动跟踪系统一般采用双向接触式焊缝跟踪传感器技术、光电传感器技术、非接触式超声跟踪技术等，这几种技术都存在相对的优缺点，如双向接触式跟踪技术能够直接探测到焊缝的位置，方法简单，但当出头运行到焊点时，会发生堵塞；光电传感器技术在焊缝高低不平时，直接影响焊接质量。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:提供一种基于焊接熔池的数字相机自动对焦系统及其自动聚焦方法，使其能够在焊接过程中能够快速对焦，获取清晰的焊接熔池图像信息。
[0005]解决上述技术问题的技术方案是:一种基于焊接熔池的数字相机自动对焦系统，包括滤光模块、摄像头、嵌入式处理器，所述的滤光模块包括隔热玻璃、滤光片，该隔热玻璃、滤光片依次设置在焊接工件与摄像头之间，摄像头与嵌入式处理器连接，嵌入式处理器还与焊接设备的控制系统连接。
[0006]本发明的进一步技术方案是:所述的隔热玻璃设置在焊接工件与滤光片之间，用于隔离焊接熔池时产生的热量；
所述的滤光片接收到焊接工件产生的弧光，滤除掉部分光线，只让波长与该滤光片峰值波长相同的光线进入摄像头；
所述的摄像头作为视觉感光传感器，采集经滤光片过滤后的光源数据信号，并将该光源数据信号转化为图像视频数据信号，经过Α/D转化后输入至嵌入式处理器，同时还根据嵌入式处理器输出的调整焦距信号进行自动调焦；
所述的嵌入式处理器接收摄像头传输来的图像视频数据信号并将该信号进行处理，根据处理结果或输出调整焦距信号至摄像头，或输出清晰焊接熔池图像信号至焊接设备的控制系统。
[0007]所述滤光片的峰值波长为6328A。
[0008]所述摄像头的采集速度为50?70巾贞/秒。
[0009]本发明的另一种技术方案是:一种基于焊接熔池的数字相机自动对焦系统的自动聚焦方法，该方法是采用图像清晰度评价函数实时对相邻的图像帧进行判断，对图像清晰度评价函数构成的图像清晰度曲线采用爬坡法，实时调整摄像头镜头的焦距倍率，使图像清晰度评价函数曲线点处于曲线的峰值位置，达到图像清晰效果；当焊接熔池场景变化和图像信息出现模糊使图像清晰度评价函数曲线点不处于曲线的峰值时，系统调整摄像头镜头反向运动，自动搜索调整聚焦使图像稳定在最清晰处。
[0010]本发明的进一步技术方案是:该方法包括以下步骤:
A.图像预处理: 嵌入式处理器接收到摄像头传输来的图像视频数据信号后，采用中值滤波法把选择小区域的像素点的灰度值从小到大排列去其中间的灰度作为噪声点的灰度值；
B.对相邻的两个图像帧进行判断:
采用图像清晰度评价函数，对相邻的两个图像帧进行判断，得出相邻两个图像帧的评价函数值；
C.连续对多个图像帧进行判断:
采用图像清晰度评价函数，连续对多个图像帧进行判断，得出多个图像帧的评价函数
值；
D.判断镜头运动方向:
根据评价函数值进行分析，判断摄像头镜头的运动方向；
E.镜头调焦:
驱动摄像头镜头转动调整焦距倍数；
F.再次判断聚焦峰值处:
再次使用图像清晰度评价函数判断聚焦峰值处，调整摄像头镜头的移动步进值；
G.判断函数曲线点是否在函数曲线的峰值处:
对比图像清晰度评价函数曲线点是否在清晰度评价函数曲线的峰值处，若图像不处于清晰度评价函数曲线的峰值，重复步骤B;若摄像头镜头已经超越走过清晰度评价函数曲线的峰值，则驱动电动镜头反向运动，重复步骤C ;若3次来回跨过该清晰度评价函数曲线的峰值，则获取到清晰焊接熔池图像，嵌入式处理器将该清晰焊接熔池图像信号传输至焊接设备的控制系统，调焦结束。
[0011]所述的图像清晰度评价函数采用灰度差分梯度函数，该灰度差分梯度函数为:
【权利要求】
1.一种基于焊接熔池的数字相机自动对焦系统，其特征在于:包括滤光模块(I)、摄像头(2)、嵌入式处理器(3)，所述的滤光模块(I)包括隔热玻璃(101)、滤光片(102)，该隔热玻璃(101)、滤光片(102 )依次设置在焊接工件(5 )与摄像头(2 )之间，摄像头(2 )与嵌入式处理器(3 )连接，嵌入式处理器(3 )还与焊接设备(4 )的控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的基于焊接熔池的数字相机自动对焦系统，其特征在于:所述的隔热玻璃(101)设置在焊接工件(5)与滤光片(102)之间，用于隔离焊接熔池时产生的热量; 所述的滤光片(102)接收到 焊接工件产生的弧光，滤除掉部分光线，只让波长与该滤光片峰值波长相同的光线进入摄像头； 所述的摄像头(2)作为视觉感光传感器，采集经滤光片过滤后的光源数据信号，并将该光源数据信号转化为图像视频数据信号，经过Α/D转化后输入至嵌入式处理器，同时还根据嵌入式处理器输出的调整焦距信号进行自动调焦； 所述的嵌入式处理器(3)接收摄像头传输来的图像视频数据信号并将该信号进行处理，根据处理结果或输出调整焦距信号至摄像头(2)，或输出清晰焊接熔池图像信号至焊接设备(4)的控制系统。
3.根据权利要求1所述的基于焊接熔池的数字相机自动对焦系统，其特征在于:所述滤光片(102)的峰值波长为6328A。
4.根据权利要求1所述的基于焊接熔池的数字相机自动对焦系统，其特征在于:所述摄像头(2)的采集速度为50~70帧/秒。
5.一种基于焊接熔池的数字相机自动对焦系统的自动聚焦方法，其特征在于:该方法是采用图像清晰度评价函数实时对相邻的图像帧进行判断，对图像清晰度评价函数构成的图像清晰度曲线采用爬坡法，实时调整摄像头镜头的焦距倍率，使图像清晰度评价函数曲线点处于曲线的峰值位置，达到图像清晰效果；当焊接熔池场景变化和图像信息出现模糊使图像清晰度评价函数曲线点不处于曲线的峰值时，系统调整摄像头镜头反向运动，自动搜索调整聚焦使图像稳定在最清晰处。
6.根据权利要求5所述的基于焊接熔池的数字相机自动对焦系统的自动聚焦方法，其特征在于:该方法包括以下步骤: A.图像预处理: 嵌入式处理器接收到摄像头传输来的图像视频数据信号后，采用中值滤波法把选择小区域的像素点的灰度值从小到大排列去其中间的灰度作为噪声点的灰度值； B.对相邻的两个图像帧进行判断: 采用图像清晰度评价函数，对相邻的两个图像帧进行判断，得出相邻两个图像帧的评价函数值； C.连续对多个图像帧进行判断: 采用图像清晰度评价函数，连续对多个图像帧进行判断，得出多个图像帧的评价函数值； D.判断镜头运动方向: 根据评价函数值进行分析，判断摄像头镜头的运动方向； E.镜头调焦:驱动摄像头镜头转动调整焦距倍数； F.再次判断聚焦峰值处: 再次使用图像清晰度评价函数判断聚焦峰值处，调整摄像头镜头的移动步进值； G.判断函数曲线点是否在函数曲线的峰值处: 对比图像清晰度评价函数曲线点是否在清晰度评价函数曲线的峰值处，若图像不处于清晰度评价函数曲线的峰值，重复步骤B;若摄像头镜头已经超越走过清晰度评价函数曲线的峰值，则驱动电动镜头反向运动，重复步骤C ;若3次来回跨过该清晰度评价函数曲线的峰值，则获取到清晰焊接熔池图像，嵌入式处理器将该清晰焊接熔池图像信号传输至焊接设备的控制系统，调焦结束。
7.根据权利要求6所述的基于焊接熔池的数字相机自动对焦系统的自动聚焦方法，其特征在于:所述的图像清晰度评价函数采用灰度差分梯度函数，该灰度差分梯度函数为:
【文档编号】B23K9/127GK104002020SQ201410183889
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月4日 优先权日:2014年5月4日
【发明者】李水明, 邵长春 申请人:柳州铁道职业技术学院