本发明涉及激光焊接领域，尤其涉及一种激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪的方法。
背景技术：
在激光焊接中，熔池内的熔融金属受高速金属蒸气流的冲击，脱离熔池形成的液滴，即飞溅。飞溅的产生一方面是激光焊接过程中熔池不稳定的表现，另一方面也会对激光焊接焊缝的表面质量造成不利的影响。因此，从高速摄影图像中对激光焊接过程中产生的飞溅进行识别和运动特征进行提取，对激光焊接过程在线监控，焊接稳定性研究以及焊缝表面质量改善均有着重要的应用。
现有的技术方案中，已有对激光焊接过程中飞溅形状和位置进行提取的报道。如：德累斯顿理工大学的l.nicolosi等人选择直接对图像进行二值化处理，这种方法所获得的图像会同时将匙孔和羽烟所产生的自发辐射光与飞溅所产生的热辐射光二值化，无法进行区分。广州工业大学的孙燕等人在对图像直接进行二值化后，通过先腐蚀后膨胀的开运算，获得了金属羽烟的图像，再在二值化的图像中去除金属羽烟的图像，获得了金属羽烟外飞溅的图像。这种图像处理方法可以有效获取金属羽烟外的飞溅形态特征。但是，对于存在于金属羽烟内部的飞溅，通过这种方法会将其与金属羽烟一并去除。而存在于金属羽烟内部的飞溅往往是从熔池表面脱离产生，所具有的特征能够更真实地反映熔池的运动状态。
此外，现有的对于焊接过程中高速图像的处理仅能够从中提取出飞溅的形态特征，针对飞溅从熔池脱离的运动状态特征的技术方案一直很少有报道。北京工业大学的蔡华等人通过人工测量的方法对高速摄影图像中飞溅的运动轨迹逐帧进行手动追踪和测量，这一种方法在实际的应用中存在很大的局限性。广州工业大学的高向东等人是通过图像处理识别的飞溅与激光作用点之间距离来表征飞溅的运动特性，这一种方法并不能直接地反映出飞溅的运动轨迹，运动速度以及运动方向。
而激光焊接过程中所产生的飞溅是从熔池向四周辐射运动，现有的关于飞溅形态和运动特征的研究均是在平行于焊接方向的二维平面内进行的，仍未有关于对飞溅三维空间内的分布特征和运动轨迹进行识别与追踪的技术方案的报道。
现有技术存在以下缺陷：
(1)由于金属蒸气羽烟的辐射光的干扰，不能对羽烟内的飞溅进行识别与提取。
(2)不能够对焊接过程中飞溅的运动轨迹进行自动地跟踪，因此无法方便地获得焊接过程中飞溅的运动特征。
(3)没有针对焊接过程飞溅三维空间分布特征提取和运动轨迹跟踪的方案。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪的方法，克服金属蒸气羽烟干扰，自动跟踪飞溅轨迹，进行焊接过程飞溅三维空间分布特征提取和运动轨迹跟踪。
技术实现要素：
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是激光焊接过程三维空间飞溅的识别与追踪。
为实现上述目的，本发明提供了一种激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取飞溅三维图像；
步骤2：提取飞溅三维空间特征；
步骤3：定位与跟踪飞溅的飞行轨迹。
进一步地，步骤1同时获取飞溅xoz和yoz平面的图像。
进一步地，步骤1还包括对获取的图像进行增强的步骤：
步骤11：设置一个局域处理区域；
步骤12：对局域处理区域进行滤波处理；
步骤13：将局域处理区域移动m像素点；
步骤14：重复步骤12和步骤13直至整个图像区域，将每个局域处理区域内处理的图像进行加强平均，获得增强后的图像；
步骤15：对增强后的图像进行二值化处理和图像分割，获得图像内飞溅的形态和位置特征。
进一步地，步骤12滤波器的参数由局域处理区域内亮度最高值t1和平均值t2决定，滤波器的具体函数为：
其中，i0为局域处理区域内图像的亮度值，i1为处理后局域处理区域的亮度值，δs1是设置的飞溅亮度与羽烟亮度差的阈值，s2是设置的羽烟亮度的阈值。
进一步地，步骤2被配置为对同一时刻获得的xoz和yoz平面的图像中得到的飞溅位置特征进行一一关联，提取飞溅在xoz平面内的面积大小特征，和其三维空间位置特征。
进一步地，步骤3包括以下步骤：
步骤31：对飞溅进行分组和重新组合；
步骤32：对每一组飞溅进行评估；
步骤33：对满足判定准则的飞溅组合的运动轨迹进行关联；
步骤34：对获取的飞溅运动轨迹进行再次检查。
进一步地，步骤31基于3组连续拍摄的图像进行识别和评估，每组图像所获取的飞溅中各选取一个飞溅，进行三三组合。
进一步地，步骤32通过对每一组飞溅组合依次按照以下准则进行评估，其判断准则包括：组合内飞溅的大小是否一致、组合内飞溅的运动方向是否一致、组合内飞溅在每帧间隔的时间内运动的距离是相等。
进一步地，当组合内的飞溅的尺寸特征和空间位置满足三个判断准则时，判定为是同一飞溅在不同时刻的运动轨迹中的一部分。
进一步地，对提取飞溅的运动轨迹进行检查：运动轨迹飞溅的平均尺寸大小一致、飞溅运动轨迹的运动方向一致、飞溅运动轨迹在每帧间隔时间内的运动距离一致、运动轨迹内第一个飞溅之间的距离与时间间隔成正比，对于满足以上四个判断准则的不同序号的运动轨迹组合，将其重新统一为同一个飞溅在不同时刻的运动轨迹，通过再次检查后的飞溅运动轨迹，获取其运动特征。
不同于现有技术仅能从单侧对激光焊接过程中金属羽烟外的飞溅进行识别与提取。本技术通过xoz和yoz平面内同步对飞溅的图像进行采集，通过图像增强的技术抑制金属蒸气羽烟的辐射光，增强飞溅的热辐射光，进一步提取出包含金属羽烟内飞溅的形态和三维空间位置。在提取出的飞溅的尺寸和三维空间位置特征基础上，对连续三幅图像中的飞溅进行组合，评估，识别以及对识别的飞溅轨迹进行再次检查，可以获得焊接过程中不同飞溅的运动的轨迹，并进一步地得到了三维空间内飞溅的运动速度和运动方向。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明对连续图像中已提取的飞溅的运动轨迹进行追踪的流程图；
图2是本发明对图像中的飞溅进行图像增强的流程图；
图3是本发明对已识别的运动轨迹进行重新检查的流程图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
激光焊接过程中，熔融金属从匙孔周围的熔池中脱离，在工件上方形成飞溅。飞溅在工件上方空间的运动是三维的，因此需要分别从xoz和yoz两个平面同时对飞溅的位置进行捕捉，分别获得飞溅在两个平面的飞溅图像。
激光焊接过程中，由于焊接激光的能量输入高，试板表面产生的金属蒸气向匙孔外逃逸，在试板上方形成烟雾状的金属蒸气羽烟。由于金属羽烟温度高会产生自发辐射，会对飞溅的识别和特征提取产生阻碍。因此，需要基于图像处理对获取的图像进行增强，去除羽烟的干扰，获得飞溅的空间位置特征。
本方法利用图像中羽烟的辐射强度较飞溅低，形态分布呈羽烟状的这一特征，对获取图像中的飞溅影像进行增强处理。图像增强的处理过程如图2所示：
1)设置一个局域处理区域。
2)对局域处理区域进行滤波处理，其滤波器的参数由区域内亮度最高值t1和平均值t2决定，滤波器的具体函数为：
其中，i0为局域处理区域内图像的亮度值，i1为处理后局域区域的亮度值；δs1是设置的飞溅亮度与羽烟亮度差的阈值；s2是设置的羽烟亮度的阈值。
其原理为:
a)当t1-t2>δs1且t2>s2时，说明局域处理区域内同时存在飞溅和羽烟，需要对羽烟的亮度进行减弱，对飞溅的亮度进行增强。
b)当t1-t2<δs1，且t2>s2时，说明局域处理区域内仅存在羽烟，需要对局域处理区域图像整体亮度进行减弱；
c)当t2<s2时，说明局域处理区域内的图像不存在羽烟，不需要对区域图像亮度进行处理。
3)完成对局域处理区域内图像的亮度调节后，将局域处理区域移动m像素点，对新的局域处理区域内图像的亮度进行调节。
4)直至完成整个图像区域内的图像的增强后，将每个局域处理区域内处理的图像进行加强平均，获得增强后的图像。
5)对增强后的图像进行二值化处理和图像分割，获得图像内飞溅的形态和位置特征。
6)对xoz平面和yoz平面同一时刻获得的图像中得到的飞溅位置特征进行一一关联，提取飞溅在xoz平面内的面积大小特征ai，和其三维空间位置特征(sx,i,sy,i,sz,i)。
从熔池中脱离的飞溅，由于具有高的初始速度。当高速相机以高帧率进行采集时，飞溅在试板上方的三维空间的运动轨迹可视为匀速直线运动，同一飞溅每帧图像之间的面积尺寸、运动方向和运动距离可认为保持不变。因此，可以根据每个不同时刻获取的图像中飞溅所在的位置和其形状大小，对其飞行轨迹进行定位与跟踪。其具体的跟踪过程如图1所示：
1)对飞溅进行分组和重新组合；
飞溅运动轨迹追踪基于记为(n1,n1 1,n1 2)的3组连续拍摄的图像进行识别和评估，分组的方案为：每组图像所获取的飞溅中各选取一个飞溅，进行三三组合，对组合的飞溅进行评估。组合内飞溅分别记为fn1，fn2和fn3，每个飞溅的尺寸记为an1,an2,an3，其空间位置为(sx,n1,sy,n1,sz,n1)；(sx,n2,sy,n2,sz,n2)和(sx,n3,sy,n3,sz,n3)
2)对每一组飞溅进行评估；
通过对每一组飞溅组合依次按照以下准则进行评估，其判断准则为：
a)组合内飞溅的大小是否一致，即|an1-an2|＝|an2-an3|≤δa。δa为所识别飞溅尺寸所允许的误差。
本实施例中，尺寸允许误差δa设置为
b)组合内飞溅的运动方向是否一致
即：对于α12＝arccot[(sx,n1-sx,n2)/(sz,n1-sz,n2)],α23＝arccot[(sx,n2-sx,n3)/(sz,n2-sz,n3)]和β12＝arccot[(sy,n1-sy,n2)/(sz,n1-sz,n2)]；β23＝arccot[(sy,n2-sy,n3)/(sz,n2-sz,n3)]]。要求满足：|α12-α23|≤δα和|β12-β23|≤δβ
δα和δβ分别为识别的飞溅运动在xoz平面和yoz平面内投影的方位角允许误差。本实施例中，δα和δβ均设为5°。
c)组合内飞溅在每帧间隔的时间δt内运动的距离是相等，即
l12＝[(sx,n1-sx,n2)2 (sy,n1-sy,n2)2 (sz,n1-sz,n2)2]1/2
l23＝[(sx,n2-sx,n3)2 (sy,n2-sy,n3)2 (sz,n2-sz,n3)2]1/2
|l12-l23|≤δl0。
δl0为所识别的飞溅在每帧间隔时间δt内运动距离的允许误差。本实施例中，运动距离δl0允许误差设置为：
3)对满足判定准则的飞溅组合的运动轨迹进行关联；
当组合内的飞溅(fn1,fn2,fn3)的尺寸特征和空间位置满足2)中三个判断准则时，可以认为是同一飞溅在不同时刻的匀速直线运动轨迹中的一部分。此时，通过分配序号对不同飞溅的运动轨迹进行区分，其序号分配准则为：
a)当组合内第一个飞溅fn1已有一个序号m1时，此时，该组合内的飞溅可认为是已识别的序号为m1的飞溅轨迹的一部分。因此，将其他两个飞溅fn2和fn3标记为同一个序号m1。
b)当组合内第一个飞溅f1没有被分配过序号时，可以认为该组合内的飞溅是一个新的飞溅轨迹的开始。因此，将三个飞溅fn1,fn2,fn3标记为一个新的序号m2。
当对(n1,n1 1,n1 2)这3组连续拍摄的图像内已识别的飞溅的所有组合进行判断后，向后移动一帧，对(n1 1,n1 2,n1 3)这三组连续拍摄的图像内已提取的飞溅重新进行新的组合，判断以及识别，直至完成整个焊接过程的飞溅运动轨迹跟踪。
4)对获取的飞溅运动轨迹进行再次检查，流程如图3所示：
在完成整个焊接过程内飞溅运动轨迹的跟踪后，对提取飞溅的运动轨迹mi进行检查，当任意两组mi和mj满足以下判断准则时，可认为是同一飞溅运动轨迹中因为个别时刻飞溅的缺失所造成的中断。其判断准则为：
a)运动轨迹飞溅的平均尺寸大小一致。即
本实施例中，尺寸允许误差设置为
b)飞溅运动轨迹的运动方向一致。运动轨迹的角度一致，即：
c)飞溅运动轨迹在每帧间隔时间内的运动距离一致，即：
d)运动轨迹内第一个飞溅之间的距离与时间间隔成正比。即
对于满足以上四个判断准则的不同序号的运动轨迹组合，可认为是由于中间某一段飞溅识别缺失所导致，通过以上准则可将其重新统一为同一个飞溅在不同时刻的运动轨迹。
通过再次检查后的飞溅运动轨迹，可获取其运动特征。其速度可计算为：
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
1.一种激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取飞溅三维图像；
步骤2：提取所述飞溅三维空间特征；
步骤3：定位与跟踪所述飞溅的飞行轨迹。
2.如权利要求1所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪的方法，其特征在于，所述步骤1同时获取所述飞溅xoz和yoz平面的图像。
3.如权利要求2所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪的方法，其特征在于，所述步骤1还包括对获取的所述图像进行增强的步骤：
步骤11：设置一个局域处理区域；
步骤12：对所述局域处理区域进行滤波处理；
步骤13：将所述局域处理区域移动m像素点；
步骤14：重复所述步骤12和所述步骤13直至整个图像区域，将每个所述局域处理区域内处理的图像进行加强平均，获得增强后的图像；
步骤15：对所述增强后的图像进行二值化处理和图像分割，获得图像内飞溅的形态和位置特征。
4.如权利要求3所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪的方法，其特征在于，所述步骤12滤波器的参数由所述局域处理区域内亮度最高值t1和平均值t2决定，滤波器的具体函数为：
其中，i0为所述局域处理区域内图像的亮度值，i1为处理后所述局域处理区域的亮度值，δs1是设置的飞溅亮度与羽烟亮度差的阈值，s2是设置的羽烟亮度的阈值。
5.如权利要求3所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪的方法，其特征在于，所述步骤2被配置为对同一时刻获得的xoz和yoz平面的图像中得到的飞溅位置特征进行一一关联，提取飞溅在xoz平面内的面积大小特征，和其三维空间位置特征。
6.如权利要求5所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪的方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：
步骤31：对所述飞溅进行分组和重新组合；
步骤32：对每一组飞溅进行评估；
步骤33：对满足判定准则的飞溅组合的运动轨迹进行关联；
步骤34：对获取的飞溅运动轨迹进行再次检查。
7.如权利要求6所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪的方法，其特征在于，所述步骤31基于3组连续拍摄的图像进行识别和评估，每组图像所获取的飞溅中各选取一个飞溅，进行三三组合。
8.如权利要求6所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪的方法，其特征在于，所述步骤32通过对每一组飞溅组合依次按照以下准则进行评估，其判断准则包括：组合内飞溅的大小是否一致、组合内飞溅的运动方向是否一致、组合内飞溅在每帧间隔的时间内运动的距离是相等。
9.如权利要求8所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪的方法，其特征在于，当组合内的飞溅的尺寸特征和空间位置满足三个所述判断准则时，判定为是同一飞溅在不同时刻的运动轨迹中的一部分。
10.如权利要求9所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪的方法，其特征在于，对提取飞溅的运动轨迹进行检查：运动轨迹飞溅的平均尺寸大小一致、飞溅运动轨迹的运动方向一致、飞溅运动轨迹在每帧间隔时间内的运动距离一致、运动轨迹内第一个飞溅之间的距离与时间间隔成正比，对于满足以上四个判断准则的不同序号的运动轨迹组合，将其重新统一为同一个飞溅在不同时刻的运动轨迹，通过再次检查后的飞溅运动轨迹，获取其运动特征。
技术总结