基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統及其自動聚焦方法技術方案

一種基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統及其自動聚焦方法，涉及一種自動對焦系統及其自動聚焦方法，系統包括濾光模塊、攝像頭、嵌入式處理器，濾光模塊包括隔熱玻璃、濾光片，隔熱玻璃、濾光片依次設置在焊接工件與攝像頭之間，攝像頭與嵌入式處理器連接，嵌入式處理器與焊接設備的控制系統連接；方法是采用圖像清晰度評價函數實時對相鄰的圖像幀進行判斷，對評價函數構成的圖像清晰度曲線采用爬坡法，實時調整攝像頭鏡頭的焦距倍率，使評價函數曲線點處于峰值位置，達到圖像清晰效果。本發明專利技術能夠在焊接過程中，不用借助外面光源就能夠準確快速完成自動焊接視頻對焦，其性能比較可靠，可適用于各種焊接。

【技術實現步驟摘要】
基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統及其自動聚焦方法
本專利技術涉及一種自動對焦系統及其自動聚焦方法，特別是一種基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統及其自動聚焦方法。
技術介紹
生產加工企業大量需要使用焊接技術。目前，許多焊接過程中由于工件本身構造不同，使得焊接定位不精確影響焊接質量。焊接跟蹤約束條件較大，自動化跟蹤焊接相對水平不高。由于焊接過程中出現弧光輻射、高溫氣體、灰塵飛濺；表面結構、工件熱變形等因素造成焊矩偏離焊縫。工作環境惡劣，要求弧焊機器人能夠實時檢測焊縫的偏差，并調整焊接路線和焊接參數。而目前市場上普遍的自動焊接機自動跟蹤系統一般采用雙向接觸式焊縫跟蹤傳感器技術、光電傳感器技術、非接觸式超聲跟蹤技術等，這幾種技術都存在相對的優缺點，如雙向接觸式跟蹤技術能夠直接探測到焊縫的位置，方法簡單，但當出頭運行到焊點時，會發生堵塞；光電傳感器技術在焊縫高低不平時，直接影響焊接質量。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是：提供一種基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統及其自動聚焦方法，使其能夠在焊接過程中能夠快速對焦，獲取清晰的焊接熔池圖像信息。解決上述技術問題的技術方案是：一種基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統，包括濾光模塊、攝像頭、嵌入式處理器，所述的濾光模塊包括隔熱玻璃、濾光片，該隔熱玻璃、濾光片依次設置在焊接工件與攝像頭之間，攝像頭與嵌入式處理器連接，嵌入式處理器還與焊接設備的控制系統連接。本專利技術的進一步技術方案是：所述的隔熱玻璃設置在焊接工件與濾光片之間，用于隔離焊接熔池時產生的熱量；所述的濾光片接收到焊接工件產生的弧光，濾除掉部分光線，只讓波長與該濾光片峰值波長相同的光線進入攝像頭；所述的攝像頭作為視覺感光傳感器，采集經濾光片過濾后的光源數據信號，并將該光源數據信號轉化為圖像視頻數據信號，經過A/D轉化后輸入至嵌入式處理器，同時還根據嵌入式處理器輸出的調整焦距信號進行自動調焦；所述的嵌入式處理器接收攝像頭傳輸來的圖像視頻數據信號并將該信號進行處理，根據處理結果或輸出調整焦距信號至攝像頭，或輸出清晰焊接熔池圖像信號至焊接設備的控制系統。所述濾光片的峰值波長為6328?。所述攝像頭的采集速度為50～70幀/秒。本專利技術的另一種技術方案是：一種基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統的自動聚焦方法，該方法是采用圖像清晰度評價函數實時對相鄰的圖像幀進行判斷，對圖像清晰度評價函數構成的圖像清晰度曲線采用爬坡法，實時調整攝像頭鏡頭的焦距倍率，使圖像清晰度評價函數曲線點處于曲線的峰值位置，達到圖像清晰效果；當焊接熔池場景變化和圖像信息出現模糊使圖像清晰度評價函數曲線點不處于曲線的峰值時，系統調整攝像頭鏡頭反向運動，自動搜索調整聚焦使圖像穩定在最清晰處。本專利技術的進一步技術方案是：該方法包括以下步驟：A.圖像預處理:嵌入式處理器接收到攝像頭傳輸來的圖像視頻數據信號后，采用中值濾波法把選擇小區域的像素點的灰度值從小到大排列去其中間的灰度作為噪聲點的灰度值；B.對相鄰的兩個圖像幀進行判斷：采用圖像清晰度評價函數，對相鄰的兩個圖像幀進行判斷，得出相鄰兩個圖像幀的評價函數值；C.連續對多個圖像幀進行判斷：采用圖像清晰度評價函數，連續對多個圖像幀進行判斷，得出多個圖像幀的評價函數值；D.判斷鏡頭運動方向：根據評價函數值進行分析，判斷攝像頭鏡頭的運動方向；E.鏡頭調焦：驅動攝像頭鏡頭轉動調整焦距倍數；F.再次判斷聚焦峰值處：再次使用圖像清晰度評價函數判斷聚焦峰值處，調整攝像頭鏡頭的移動步進值；G.判斷函數曲線點是否在函數曲線的峰值處：對比圖像清晰度評價函數曲線點是否在清晰度評價函數曲線的峰值處，若圖像不處于清晰度評價函數曲線的峰值，重復步驟B；若攝像頭鏡頭已經超越走過清晰度評價函數曲線的峰值，則驅動電動鏡頭反向運動，重復步驟C；若3次來回跨過該清晰度評價函數曲線的峰值，則獲取到清晰焊接熔池圖像，嵌入式處理器將該清晰焊接熔池圖像信號傳輸至焊接設備的控制系統，調焦結束。所述的圖像清晰度評價函數采用灰度差分梯度函數，該灰度差分梯度函數為：，其中：Q為灰度差分梯度評價函數值，為a，b像素點的灰度值，m,n為圖像的長、寬的最大像素值。由于采用上述結構，本專利技術之基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統及其自動聚焦方法與現有技術相比，具有以下有益效果：1．可快速對焦，獲取清晰的焊接熔池圖像信息：由于本專利技術的系統包括隔熱玻璃、濾光片、攝像頭、嵌入式處理器，其中，攝像頭采集到經濾光片過濾后的光源數據信號，并將該光源數據信號轉化為圖像視頻數據信號，經過A/D轉化后輸入至嵌入式處理器；嵌入式處理器對攝像頭傳輸來的圖像視頻數據信號進行數字中值濾波處理，根據圖像清晰度評價函數實時輸出調整攝像頭焦距信號至攝像頭，攝像頭根據該調焦信號進行快速自動調焦；嵌入式處理器還將調焦后攝像頭輸入的圖像視頻數據信號進行中值濾波處理，從而可獲取清晰焊接熔池圖像。因此，本專利技術能夠在熔池焊接過程中，不用借助外面光源就能夠準確快速完成自動焊接視頻對焦，準確捕捉清晰視頻數據，為后面的視頻數據處理提供清晰圖像信息數據。2.性能可靠：由于本專利技術采用攝像頭作為視覺傳感器，其性能可靠、清晰度高；還在焊接工件與濾光片之間設置有隔熱玻璃，以隔離焊接時產生的熱量；采用嵌入式處理器技術，快速完成視頻采集中值濾波圖像清晰度評價判定、以獲得清晰的圖像，完成對焦任務。因此，本系統的性能比較可靠。3.方法簡便：由于本專利技術的方法是通過能夠快速適應現場變化的圖像清晰評價函數自動調整電動鏡頭變倍倍率選擇合適的倍率，因此，本專利技術能夠自動根據現場焊接熔池現場圖像變化自動跟蹤聚焦，以提供清晰圖像，其方法比較簡便。4.適用范圍廣：本專利技術適用于各種焊接，其適用范圍較廣。下面，結合附圖和實施例對本專利技術之基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統及其自動聚焦方法的技術特征作進一步的說明。附圖說明圖1：實施例一所述本專利技術之基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統的結構示意圖，圖2：實施例一所述本專利技術之基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統的原理框圖，圖3：實施例二所述本專利技術之基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統的自動聚焦方法的流程框圖，圖4：圖像清晰度評價函數的曲線圖，圖4中的縱坐標y為圖像清晰度，橫坐標x為步進電機調整的焦距。圖中，各標號如下：1-濾光模塊，101-隔熱玻璃，102-濾光片，2-攝像頭，3-嵌入式處理器，4-焊接設備，5-焊接工件。具體實施方式實施例一：圖1至圖2中公開的是一種基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統，包括濾光模塊1、攝像頭2、嵌入式處理器3，所述的濾光模塊1包括隔熱玻璃101、濾光片102，該隔熱玻璃101、濾光片102依次設置在焊接工件5與攝像頭2之間，攝像頭2與嵌入式處理器3連接，嵌入式處理器3還與焊接設備4的控制系統連接。所述的隔熱玻璃101設置在焊接工件5與濾光片102之間，用于隔離焊接熔池時產生的熱量；隔熱玻璃101主要負責隔離紅外輻射，排除紅外熱輻射的干擾。所述的濾光片102峰值波長為6328?，濾光片的峰值透光率為63%；所述的濾光片102接收到焊接工件產生的弧光，濾除掉部分光線，只讓波長與該濾光片峰值波長相同的光線進入攝像頭；所述的攝像頭2的采集速度為50～70幀/秒，所述的攝像頭2作為視覺感光傳感器，采本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統，其特征在于：包括濾光模塊（1）、攝像頭（2）、嵌入式處理器（3），所述的濾光模塊（1）包括隔熱玻璃（101）、濾光片（102），該隔熱玻璃（101）、濾光片（102）依次設置在焊接工件（5）與攝像頭（2）之間，攝像頭（2）與嵌入式處理器（3）連接，嵌入式處理器（3）還與焊接設備（4）的控制系統連接。

【技術特征摘要】
1.一種基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統的自動聚焦方法，其特征在于：該方法是采用圖像清晰度評價函數實時對相鄰的圖像幀進行判斷，對圖像清晰度評價函數構成的圖像清晰度曲線采用爬坡法，實時調整攝像頭鏡頭的焦距倍率，使圖像清晰度評價函數曲線點處于曲線的峰值位置，達到圖像清晰效果；當焊接熔池場景變化和圖像信息出現模糊使圖像清晰度評價函數曲線點不處于曲線的峰值時，系統調整攝像頭鏡頭反向運動，自動搜索調整聚焦使圖像穩定在最清晰處；所述的圖像清晰度評價函數采用灰度差分梯度函數，該灰度差分梯度函數為：，其中：Q為灰度差分梯度評價函數值，為a，b像素點的灰度值，m,n為圖像的長、寬的最大像素值；所述的基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統，包括濾光模塊（1）、攝像頭（2）、嵌入式處理器（3），所述的濾光模塊（1）包括隔熱玻璃（101）、濾光片（102），該隔熱玻璃（101）、濾光片（102）依次設置在焊接工件（5）與攝像頭（2）之間，攝像頭（2）與嵌入式處理器（3）連接，嵌入式處理器（3）還與焊接設備（4）的控制系統連接。2.根據權利要求1所述的基于焊接熔池的數字相機自動對焦系統的自動聚焦方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：A.圖像預處理:嵌入式處理器接收到攝像頭傳輸來的圖像視頻數據信號后，采用中值濾波法把選擇小區域的像素點的灰度值從小到大排列取其中間的灰度作為噪聲點的灰度值；B.對相鄰的兩個圖像幀進行判斷：采用圖像清晰度評價函數，對相鄰的兩個圖像幀進行判斷，得出相鄰兩個圖像幀的評價函數值；C.連續對多個圖像幀進行判斷：采用圖像清晰度評價函數，連續對多個圖像幀進行判斷，得出多個圖像幀的評價函數值；D.判斷鏡頭運動方向：根據評價函數值進行分析，判斷攝像頭鏡頭的運動...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李水明，邵長春，
申請(專利權)人：柳州鐵道職業技術學院，
類型：發明
國別省市：廣西;45