CN103687687B - 双光谱数字成像焊接头盔 - Google Patents
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Abstract
在弧焊工艺期间提供弧焊特征之间的双光谱、实时可视的、增强的使用者-辨识力的弧焊***、方法以及设备。焊接面罩(110)被配置来保护使用者免受有害辐射的影响并且包括一数字摄像机或多个数字摄像机(150、160),来提供双光谱(即,既有可见光谱又有红外光谱)实时数字视频图像帧。焊接面罩(110)还被配置有光学显示组件,所述光学显示组件用来在弧焊工艺期间,在使用者佩戴焊接面罩(110)时向其显示实时数字视频图像帧。对可见光谱和红外光谱视频图像帧进行图像处理,来生成双光谱视频图像帧,所述双光谱视频图像帧提供弧焊工艺的可见的和热特征二者的整合的且优化的视图,所述视图可以被使用者在光学显示组件上以实时方式观看。
Description
技术领域
特定实施方案涉及弧焊工艺期间的弧焊特征的可视化。更具体地,特定实施方案涉及在弧焊工艺期间提供弧焊特征之间的双光谱、实时可视的、增强的使用者-辨识力的***、方法以及设备(例如,焊接头盔)。
背景技术
在弧焊工艺期间,各种形式的辐射被射出,包括可见光谱、红外光谱以及紫外光谱中的光。所射出的辐射可能具有高强度并且如果使用者没有被妥善保护的话会危害使用者的眼睛和/或皮肤。传统地,使用者佩戴具有窗口的常规焊接头盔,其中所述窗口带有一个或更多个保护镜片(protectivelens)来将辐射强度降低至安全水平。然而,这样的保护镜片在为使用者提供适当保护的同时,也减少了通过镜片的光的量并且不允许使用者以优化的方式看到弧焊工艺的可视特征。例如,在工艺的多个部分期间,使用者可能想看到的焊弧和/或熔融金属熔池的特定可视特征会被滤除,或者来自弧焊工艺的烟会使焊弧和/或熔融金属熔池模糊(obscure)。此外,这样的保护镜片根本不允许使用者看到焊弧、熔池或周围金属的热或红外特征。另外,需要校正镜片的使用者在使用常规头盔时是不利的,并且受限来使用提供一定程度放大倍数的几种“不准确(cheater)”镜片。
通过比较常规的、传统的以及已提出的方案与参照附图在本申请的剩余内容中阐述的本发明的实施方案,这样的方案的进一步的限制性和不利之处对本领域的技术人员来说将会变得明显。
发明内容
本文公开了在弧焊工艺期间提供弧焊特征之间的双光谱、实时可视的、增强的使用者-辨识力的弧焊***、方法以及设备。焊接面罩或其他焊接罩被配置来保护至少使用者的眼睛免受有害辐射的影响并且包括一数字摄像机或多个数字摄像机,来提供双光谱(即,既有可见光谱又有红外光谱)实时数字视频图像帧。焊接面罩或罩还被配置有光学显示组件,所述光学显示组件用来在弧焊工艺期间,在使用者佩戴焊接面罩或拿着手持式焊接罩或者查看所述焊接罩时向其显示实时数字视频图像帧。对可见光谱和红外光谱视频图像帧进行图像处理,来生成双光谱视频图像帧,所述双光谱视频图像帧提供弧焊工艺的可见的和热特征二者的整合的且优化的视图,所述视图可以被使用者在光学显示组件上观看。结果,对于给定的焊接工艺,使用者能够观看弧焊工艺的期望的可见的和热特征。不需要的特征和障碍物被滤除而需要的特征被保留和增强,以实时方式提供使用者对弧焊工艺的最大限度的洞察和感知。利用这样的最大限度的洞察和感知,使用者可以更容易地且有效地调整其焊接技艺来形成优质焊缝。例如,使用者可以能够更清楚地看到并且理解焊缝熔池的“凝固”或固化特征并对焊缝具有更好的瞬时了解,并且由此能够具有更多导致更好焊缝的控制。
将从下面的说明书、权利要求书和附图中更加完整地理解所要求保护的本发明的这些和其他特征与实施方案以及本发明的图示说明的实施方案的细节。
附图说明
图1是用于提供弧焊特征之间的增强的辨识力的双光谱数字成像弧焊***的第一示例性实施方案的图示说明;
图2是图1的***的分解视图的图示说明,示出该***的各种部件;
图3是图1和图2的双光谱数字成像弧焊***的实施方案的示意性框图,示出各种成像部件;
图4是在图1-图3的***中使用的视觉引擎的示例性实施方案的示意性框图;
图5是生成使用图1-图4的***的焊接工艺的增强的双光谱实时数字视频的方法的实施方案的流程图;
图6是提供弧焊特征之间的增强的使用者-辨识力的双光谱数字成像弧焊***的第二示例性实施方案的示意性框图;以及
图7是提供弧焊特征之间的增强的使用者-辨识力的双光谱数字成像弧焊***的第三示例性实施方案的示意性框图。
具体实施方式
本发明的实施方案关于在弧焊工艺期间提供弧焊特征的双光谱(例如,可见光谱和红外光谱)、实时可视的、增强的可见性的***、方法以及设备。根据本发明的特定实施方案,这样的能力被提供于进行焊接工艺的使用者所佩戴的双光谱焊接头盔中。
如本文所使用的,术语“在物理上是集成的”是指“被安置在……之上”、“是……的整体的一部分”或者“被附接到……”(具有或不具有随后被解除附接的能力)。如本文所使用的,术语“实时”是指有效保持被成像的焊接工艺场景的时间特征,其中图像捕获和显示之间具有最小或大体上不可察觉的延迟。
在本文中,下面结合图1-图7描述本发明的各种实施方案的细节。图1是用于向使用者提供弧焊特征之间的增强辨识力的双光谱数字成像弧焊***100的第一示例性实施方案的图示说明。图1的***100包括在焊接工艺期间由焊接者佩戴的焊接头盔(焊接面罩)或焊接罩110。焊接头盔110不带有这样的窗口,该窗口例如具有如某种常规焊接头盔所具有的玻璃滤光镜。相反地,***100包括焊接头盔110,该焊接头盔110将数字成像技术集成到头盔110中,来捕获并向焊接者显示焊接工艺场景的期望的方面。来自焊接工艺的可见光谱(VS)和红外光谱(IRS)能量这二者分别通过头盔110前面上的VS透镜120和IRS透镜130被感测。
图2是图1的***100的分解视图的图示说明,示出***100的各种部件,包括在物理上被集成到焊接头盔110中的各种成像部件。***100包括具有VS透镜120和IRS透镜130的可移除的透镜盖140。透镜盖140在头盔110的前面附接到头盔110。当被移除时,透镜盖140露出可见光谱(VS)数字摄像机150、红外光谱(IRS)数字摄像机160以及视觉引擎170。当透镜盖140被附接到头盔110时,透镜120和130与其各自的摄像机150和160可操作地集成,该摄像机150和160被用来同时捕获来自焊接工艺场景的可见光谱的光和红外光谱的光并且生成原可见光谱(VS)实时数字视频图像帧和原红外光谱(IRS)实时数字视频图像帧。根据本发明的实施方案,摄像机150和160是能够实时生成图像帧的高清晰度的、高速视频摄像机。此外,根据本发明的各种实施方案,摄像机150和160可以提供灰度或彩色像素信息。
***100还包括与摄像机150和160可操作地接口连接的视觉引擎170。视觉引擎170从摄像机150和160接收原VS和IRS实时数字视频图像帧,并且对数字视频图像帧进行图像处理来创建双光谱(DS)实时数字视频图像帧,该双光谱(DS)实时数字视频图像帧将来自各自的VS和IRS图像帧的期望的VS和IRS图像属性综合。如在本文中随后更加详细地描述的,视觉引擎170首先从相应的原数字视频图像帧生成经预处理的VS和IRS数字视频图像帧,并且然后继续从经预处理的VS和IRS帧生成DS实时数字视频图像帧。根据本发明的实施方案,在焊接工艺期间焊接者可以选择观看DS、经预处理的VS或经预处理的IRS实时数字视频图像帧。
***100还包括光学显示组件,该光学显示组件包括LCD显示器180和一组光学器件190。LCD显示器180可操作地接口连接到视觉引擎170,来从视觉引擎170接收经处理的实时数字视频(例如,DS实时数字视频图像帧)。根据本发明的实施方案,LCD显示器180是能够被实时更新的全彩的高分辨率显示器。光学器件190可操作地接合到LCD显示器180来将经处理的实时数字视频投影到头盔110中的焊接者的眼睛。根据本发明的实施方案,光学器件190包括可以被配置来聚焦焊接工艺场景的高分辨率反光镜、光学透镜以及电子器件的配置,以致焊接工艺场景出现在距焊接者适当距离处。光学器件190也可以提供其他能力,例如缩放特征。这样的特征可以是通过可操作地接口连接到光学显示组件的使用者界面(参见图3的示意性部件310)可选的。
图3是图1和图2的双光谱数字成像弧焊***100的示意性框图,示出各种成像部件。如图3中图示说明的,VS数字摄像机150提供原VS视频图像帧到视觉引擎170。类似地,IRS数字摄像机160提供原IRS视频图像帧到视觉引擎170。术语“原(raw)”在本文中被用来意指视频图像帧仅曾被摄像机150和160而不曾被视觉引擎170光学地和电子地处理,并且离开摄像机150和160的视频图像帧高度表征焊接工艺场景的所有方面,既包括场景的需要的属性又包括不需要的属性。换言之,原视频图像帧尚未被视觉引擎170处理来增强焊接者期望观看的那些属性并移除焊接者不期望观看的那些属性(例如,阻塞)。然而,透镜120和130和/或摄像机150和160可以提供某种光学过滤来例如消减来自焊弧的眩光。
视觉引擎170一旦从摄像机150和160接收原VS和IRS数字视频图像帧,则继续处理原图像帧来产生双光谱(DS)实时数字视频图像帧(即,将来自初始的原图像帧的可见光谱信息和红外光谱信息二者综合的图像帧),该双光谱(DS)实时数字视频图像帧大体上保持焊接工艺场景的合乎期望的实时特征。DS实时数字视频图像帧被提供到光学显示组件180/190来供焊接者观看。
根据本发明的实施方案,视觉引擎被配置来还生成增强的可见光谱(VS)实时数字视频图像帧和增强的红外光谱(IRS)实时数字视频图像帧。结果,焊接者(使用者)通过使用者界面310可以能够选择三种类型的视频(DS、增强的VS、增强的IRS)中的哪个在光学显示组件上显示。此外,根据本发明的实施方案,***100被配置来允许使用者通过使用者界面310来从多个可选的和预先定义的成像模式选择成像模式。根据本发明的各种实施方案,使用者界面310可以被集成到焊接头盔110(例如,作为头盔的侧面上的按钮)中,或者可以为以有线或无线方式与头盔接口连接的在物理上分离的设备。
成像模式对应于由视觉引擎进行的图像处理的预先定义的配置。例如,一种成像模式可以被定义来显示与熔融焊接熔池相关联的红外光谱信息以及与焊弧相关联的可见光谱信息。类似地,另一成像模式可以被定义来显示与熔融焊接熔池相关联的可见光谱信息以及与焊弧相关联的红外光谱信息。还有,另一成像模式可以被定义来显示与熔融金属熔池相关联的混合的可见光谱和红外光谱信息、与远离熔融金属熔池的金属工件相关联的红外光谱信息以及与焊丝和焊弧相关联的可见光谱信息。许多其他成像模式也是可能的。
根据本发明的实施方案,***100被配置来允许使用者将成像参数预设置改变为多个可选的和预先定义的成像参数预设置中的一个。成像参数预设置对应于成像参数的预先定义的设置。例如,一个成像参数预设置可以为颜色映射。***100可以提供使用者在观看例如红外光谱信息时可以选择的多个颜色映射(colormaps)。另一成像参数预设置可以为空间过滤或平滑的水平。***100可以提供使用者在观看例如双光谱信息时可以选择的多个空间过滤的水平。还有,另一成像参数预设置可以为时间过滤或平滑的水平。***100可以提供使用者可以选择来例如从所显示的视频滤除阻挡的烟的多个时间过滤的水平。
图4是在图1-图3的***100中使用的视觉引擎170的示例性实施方案的示意性框图。视觉引擎170将原VS视频图像帧从VS视频摄像机150带入到第一可见光谱(VS)图像处理器171中。VS图像处理器171对原VS视频图像帧进行操作来生成经处理的(或经预处理的)VS视频图像帧。原VS视频图像帧由VS图像处理器171处理来增强视频帧中可使用的可见光谱信息(例如,焊弧的特定可见特征)并且移除不需要的信息(例如,烟)。可以由VS图像处理器171执行的各种图像处理功能包括,例如空间过滤、阈值法、时间过滤、光谱过滤、对比增强、边缘增强以及颜色映射。根据本发明的各种实施方案,其他类型的图像处理功能也是可能的。
类似地,视觉引擎170将原IRS视频图像帧从IRS视频摄像机160带入到第二红外光谱(IRS)图像处理器173中。IRS图像处理器173对原IRS视频图像帧进行操作来生成经处理的(或经预处理的)IRS视频图像帧。原IRS视频图像帧由IRS图像处理器173处理来增强视频帧中可使用的红外光谱信息(例如,熔融金属熔池的特定热特征)并且移除不需要的信息(例如,工件的背景温度)。类似地,可以由IRS图像处理器173执行的各种图像处理功能包括,例如空间过滤、阈值法、时间过滤、光谱过滤、对比增强、边缘增强以及颜色映射。根据本发明的各种实施方案,其他类型的图像处理功能也是可能的。图像处理器可以包括缓存器和存储器来例如使图像帧存入和取出并且在各种中间步骤临时地储存被处理的图像帧。
最终的增强VS和IRS实时数字视频图像帧可以被输出到光学显示组件180/190来显示给使用者(例如,当使用者选择一个或另一个时)和/或被提供到第三双光谱(DS)图像处理器174,来生成综合的双光谱(DS)实时数字图像视频帧。根据本发明的实施方案,从摄像机150和160进入视觉引擎170的视频帧被假设为在时间上对齐或相关。换言之,摄像机150和160二者以相同的采集帧率操作,因此在特定时刻进入VS图像处理器171的任何图像帧被假设为在时间上对应于在该相同的特定时刻进入IRS图像处理器173的图像帧。然而,根据特定的其他实施方案,VS图像处理器171和/或IRS图像处理器173可以被“调谐”、“微调”或校准来在时间上对齐从一个到另一个的视频帧。可替换地,分离的视频帧时间对齐设备可以被提供在视觉引擎中,来在时间上对齐VS和IRS图像帧。
此外,如从图1可见的,在透镜盖140上,透镜120和130在空间上是彼此偏置的。这可以导致另外在时间上相关或对齐的VS图像帧的像素和IRS图像帧的像素之间的特定量的空间未对齐。根据本发明的实施方案,透镜120和130被定位和校准来确保原VS图像帧与原IRS视频图像帧在空间上对齐。这样的校准技术在本领域中是公知的。
然而,作为选项,离开各自的图像处理器171和173的时间上对齐的VS和IRS视频帧可以通过可选的视频帧对齐设备172在空间上对齐。视频帧对齐设备172在提供帧到DS图像处理器174之前使用空间对齐算法来在空间上将VS帧的像素排列到或匹配到IRS帧。这样的空间对齐算法可以为从实现目前技术水平的对齐技术的复杂算法到简单的偏移常规方法中的任一算法,所述简单的偏移常规方法在一个或更多个空间方向上简单地应用已知的、校准的偏移到图像帧。这样的对齐技术在本领域中是公知的。
一旦增强的(即,经处理的)VS和IRS视频帧被提供到DS图像处理器174,则DS图像处理器174继续处理VS和IRS图像帧的在时间上相关的对,来产生DS图像帧,每个视频帧中既包含可见光谱信息又包含红外光谱信息。DS图像处理器174基于逐个像素的方式对图像帧的对进行图像处理,来决定从给定的一对图像帧获得的给定的DS像素是否应当包含VS信息、IRS信息或这二者的某种混合的综合。
各种作出图像处理决定的算法可以被应用来作出VS/IRS像素决定。例如,一种图像处理算法可以被配置来将IRS信息分配到具有落在定义的热范围中的IRS数据的那些像素,并且将VS信息分配到落在该热范围外的所有其他像素。这可以是这样的情况,即获知选定的焊接工艺的熔融金属熔池的热特征非常不同于焊弧的热特征。结果,熔池的热特征可以与焊弧的热特征被区分。在显示焊弧的增强的可视特征的同时,熔池的热特征可以被显示给使用者,或者反之亦然。
此外,就像对图像处理器171和173,可以由DS图像处理器174执行的各种图像处理功能可以包括,例如,空间过滤、阈值法、时间过滤、光谱过滤、对比增强、边缘增强以及颜色映射。根据本发明的各种实施方案,其他类型的图像处理功能也是可能的。
即使来自摄像机的原图像数据具有灰度级数据的形式,最终的DS图像(以及增强的VS和IRS图像)可以通过将颜色映射应用于像素数据而被颜色编码。根据本发明的各种实施方案,各种图像处理器171、173以及174例如可以是运行图像处理软件的数字信号处理器(DSP)或可编程的处理器。根据本发明的其他实施方案,其他类型的处理器也可以是可能的。图像处理被实时进行,从而大体上保持被成像的焊接工艺场景的实时或时间特征。
图5是生成使用图1-图4的***100的焊接工艺的增强的双光谱实时数字视频的方法500的实施方案的流程图。在方法500的步骤510中,焊接工艺的原VS和原IRS实时数字视频图像帧通过进行焊接工艺的焊接者所佩戴的用来保护焊接者免受焊接工艺所射出的有害辐射(例如,刺眼的可见光、热、紫外线)影响的保护设备被捕获。在步骤520中,通过保持和增强焊接工艺的期望的可见光谱属性并且移除焊接工艺的不需要的可见光谱属性,原VS实时数字视频图像帧被预处理来生成经预处理的VS实时数字视频图像帧。
在步骤530中,通过保持和增强焊接工艺的期望的红外光谱属性并且移除焊接工艺的不需要的红外光谱属性,原IRS实时数字视频图像帧被预处理来生成经预处理的IRS实时数字视频图像帧。在步骤540(可选的步骤)中,VS和IRS经预处理的图像帧的在时间上相关的对在空间上对齐。在步骤550中,经预处理的VS和IRS图像帧的图像帧的在时间上相关的对被进一步处理来生成双光谱(DS)实时数字视频图像帧。在步骤560中,DS实时数字视频图像帧、经预处理的VS实时数字视频图像帧以及经预处理的IRS实时数字视频图像帧中的一个在焊接工艺期间在焊接者佩戴(wars)保护设备时,通过该保护设备(例如,经过集成到头盔110中的光学显示组件180/190)被显示给焊接者。此外,使用者可以选择哪个视频通道(VS、IRS或DS)被显示。再者,DS实时数字视频图像帧的每个帧的每个像素对应于可见光谱信息、红外光谱信息或者可见光谱信息和红外光谱信息的混合。
根据本发明的实施方案,作为原VS实时数字视频图像帧的预处理的一部分被执行的具体图像处理功能是从多个图像处理选项可选的。类似地,作为原IRS实时数字视频图像帧的预处理的一部分被执行的具体图像处理功能是从多个图像处理选项可选的。此外,作为生成DS实时数字视频图像帧的处理的一部分被执行的具体图像处理功能是从多个图像处理选项可选的。再者,根据本发明的实施方案,作为方法500的预处理步骤和处理步骤的一部分被执行的具体图像处理功能取决于从多个焊接工艺进行的焊接工艺的选择。
图6是为使用者提供弧焊特征之间的增强的使用者-辨识力的双光谱数字成像弧焊***600的第二示例性实施方案的示意性框图。***600包括焊接头盔610,该焊接头盔610具有与其在物理上是集成的图2的透镜、摄像机以及光学显示组件。然而,***600还包括焊接电源和/或焊丝送进器620。在图6的实施方案中,视觉引擎170不再与焊接头盔在物理上是集成的,取而代之的而是被集成到焊接电源或焊丝送进器中。在这样的实施方案中,原数字视频(VS和IRS这二者)从焊接头盔的摄像机通过有线或无线方式被发送到视觉引擎170。经处理的视频(DS、VS和IRS)从视觉引擎170通过有线或无线方式被发送回焊接头盔。例如,如果视觉引擎170会占据头盔内过多的空间或者如果视觉引擎在被集成到头盔中的情况下会导致头盔过重,则图6的配置可以是合乎期望的。可替换地,视觉引擎可以被安装在头盔的外侧上,例如,举例说明,在头盔的顶部上,来保留内部空间。视觉引擎170可以从焊接电源和/或焊丝送进器710接收信息,例如,举例说明,当前选定的焊接模式、当前的焊条类型或者当前选定的焊接波形和/或极性。这样的信息可以被视觉引擎170使用来作出图像处理选择或决定。此外,使用者界面可以被集成到焊接电源或焊丝送进器中,来允许使用者选择成像模式、成像参数预设置等。
图7是为使用者提供弧焊特征之间的增强的使用者-辨识力的双光谱数字成像弧焊***700的第三示例性实施方案的示意性框图。***700包括焊接头盔610,该焊接头盔610具有与其在物理上是集成的图2的透镜、摄像机以及光学显示组件。然而,视觉引擎170与头盔在物理上是分离的。在这样的实施方案中,原数字视频(VS和IRS这二者)从焊接头盔的摄像机通过有线或无线方式被发送到视觉引擎170。经处理的视频(DS、VS和IRS)从视觉引擎170通过有线或无线方式被发送回焊接头盔。例如,如果视觉引擎170会占据头盔内过多的空间或者如果视觉引擎在被集成到头盔中的情况下会导致头盔过重,则图7的配置可以是合乎期望的。同样,可替换地,视觉引擎可以被安装在头盔的外侧上,例如,举例说明,在头盔的顶部上,来保留内部空间。作为选项,视觉引擎170可以(例如,有线地或无线地)接口连接到焊接电源和/或焊丝送进器710,来同样地从焊接电源和/或焊丝送进器710接收信息,例如,举例说明,当前选定的焊接模式、当前的焊条类型或者当前的焊接波形和/或极性。这样的信息可以被视觉引擎170使用来作出图像处理选择或决定。此外,使用者界面可以被集成到视觉引擎中,来允许使用者选择成像模式、成像参数预设置等。
根据本发明的可替换的实施方案,***可以包括单个双光谱数字摄像机和单个透镜,其中所述单个摄像机和透镜能够感测可见光谱和红外光谱辐射这二者。例如,单个摄像机可以包括与红外光谱传感器阵列交错的可见光谱传感器阵列,允许同时捕获和形成VS和IRS图像帧这二者。可替换地,单个摄像机可以以例如以逐个帧为基础的分时方式在捕获可见光谱数据和红外光谱数据之间交替。在这两种情况下,分离的一组VS图像帧和IRS图像帧被形成并且提供到视觉引擎170。在这样的单个摄像机***中,VS和IRS图像帧的空间对齐被固有地实现。从图1-图3很显然的是图1-图3的实施方案如何能够被修改为这样的单个-摄像机配置。
根据本发明的可替换的实施方案,***包括一个或更多个三维(3D)视图摄像机,允许使用者以3D方式观看弧焊工艺场景。光学显示组件被配置来允许使用者对焊接工艺场景的三维观看。
根据本发明的改进的实施方案,非成像信息可以被生成、收集以及显示在显示器180上。例如,在焊接工艺期间,各种引导信息或帮助属性可以被叠置在所显示的实时视频之上来辅助使用者。这样的非成像信息可以包括,例如焊枪/焊炬角度或手工焊条角度、距工件的伸出距离、焊枪/焊炬或手工焊条的行进速度、焊枪/焊炬高度或手工焊条高度以及焊枪/焊炬角度或手工焊条角度。非成像信息可以从另一***获得,例如,举例说明,虚拟现实焊接仿真***,该虚拟现实焊接仿真***被栓系到***100中并且被配置来在空间上追踪至少焊枪/焊炬或手工焊条。可替换地,非成像信息可以由***100自身通过使用***100的至少一个摄像机来生成,以在空间上追踪例如焊枪/焊炬或手工焊条。在这样的实施方案中,***100包括追踪模块来执行空间追踪功能。
其他非成像信息可以包括建议(例如,“提速”、“减慢”、“调整角度”等)。事实上,根据本发明的实施方案,从双光谱视频获得的信息可以被用来确定所述建议。例如,如果焊缝熔池的热特征指示焊缝熔池的温度过低,则***可以向使用者显示建议来减慢焊炬的行进速度,以允许更多的热量进入焊缝熔池。基于公知的良好焊接技术以及最终的焊缝特征与焊接技术之间的关系,其他的建议也是可能的。
总之,本发明的实施方案包括提供弧焊特征之间增强的辨识力的双光谱数字成像弧焊***。所述***包括焊接面罩,所述焊接面罩被配置来佩戴在使用者的头上,来保护至少使用者的眼睛免受弧焊工艺所射出的光谱辐射的影响。可见光谱(VS)数字摄像机与焊接面罩在物理上是集成的并且被配置来提供原VS实时数字视频图像帧,所述原VS实时数字视频图像帧表征在VS数字摄像机的视场内的弧焊工艺。红外光谱(IRS)数字摄像机与焊接面罩在物理上是集成的并且被配置来提供原IRS实时数字视频图像帧,所述原IRS实时数字视频图像帧表征在IRS数字摄像机的视场内的弧焊工艺。光学显示组件与焊接面罩在物理上是集成的,来在使用者正佩戴着焊接面罩时向使用者呈现实时数字视频图像。视觉引擎与VS数字摄像机、IRS数字摄像机以及光学显示器组件可操作地接口连接。视觉引擎被配置来从原VS和原IRS实时数字视频图像帧产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧并且通过光学显示器组件向使用者显示DS实时视频图像帧。
视觉引擎可以与焊接面罩在物理上是集成的或者可以与焊接面罩在物理上是分离的。例如,***可以包括焊接电源,其中所述视觉引擎在物理上被集成到焊接电源中和/或与焊接电源可操作地接口连接。***可以包括焊丝送进器,取而代之的是,其中视觉引擎在物理上被集成到焊丝送进器中和/或与焊丝送进器可操作地接口连接。
***还可以包括可操作地接口连接到视觉引擎和光学显示器组件中的至少一个的使用者界面。使用者界面可以被配置来允许使用者从多个可选的和预先定义的成像模式中人工地选择成像模式,或者可以被配置来允许使用者将成像参数预设置人工地改变为多个可选的和预先定义的成像参数预设置中的一个。
根据本发明的实施方案,视觉引擎包括第一图像处理器,所述第一图像处理器被配置来对原VS实时数字视频图像帧进行图像处理来生成经处理的VS实时数字视频图像帧,所述经处理的VS实时数字视频图像帧表征焊接工艺的增强的VS属性。视觉引擎还包括第二图像处理器,所述第二图像处理器被配置来对原IRS实时数字视频图像帧进行图像处理来生成经处理的IRS实时数字视频图像帧,所述经处理的IRS实时数字视频图像帧表征焊接工艺的增强的IRS属性。视觉引擎还包括第三图像处理器,所述第三图像处理器被配置来对经处理的VS实时数字视频图像帧和经处理的IRS实时数字视频图像帧进行图像处理,来生成双光谱(DS)实时数字视频图像帧,所述双光谱(DS)实时数字视频图像帧表征焊接工艺的综合的VS和IRS属性。视觉***还可以包括视频帧对齐设备,所述视频帧对齐设备被配置来在提供经处理的实时数字视频图像帧到第三图像处理器之前,在空间上对齐经处理的VS实时数字视频图像帧和经处理的IRS实时数字视频图像帧的数字视频图像帧的在时间上相关的对。
本发明的另一实施方案包括提供弧焊特征之间的增强的辨识力的双光谱数字成像弧焊***。所述***包括用于保护至少使用者的眼睛免受弧焊工艺所射出的光谱辐射的影响的装置。所述***还包括用于生成原可见光谱(VS)实时数字视频图像帧的装置,所述原可见光谱(VS)实时数字视频图像帧表征弧焊工艺的可见光谱发射,其中用于生成原可见光谱(VS)实时数字视频图像帧的装置与用于保护的装置在物理上是集成的,以及用于生成原红外光谱(IRS)实时数字视频图像帧的装置表征弧焊工艺的红外光谱发射,其中用于生成原红外光谱(IRS)实时数字视频图像帧的装置与用于保护的装置在物理上是集成的。所述***还包括用于显示实时数字视频图像帧的装置,其中用于显示的装置与用于保护的装置在物理上是集成的。所述***还包括用于从原VS和原IRS实时数字视频图像帧产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧并且提供至少DS实时数字视频图像帧到用于显示的装置的装置。
用于产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧的装置可以与用于保护的装置在物理上是集成的,或者可以与用于保护的装置在物理上是分离。例如,***还可以包括焊接电源,其中用于产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧的装置在物理上被集成到焊接电源中和/或与焊接电源可操作地接口连接。***还可以包括焊丝送进器,取而代之的是,其中用于产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧的装置在物理上被集成到焊丝送进器中和/或与焊丝送进器可操作地接口连接。
***还可以包括用于允许使用者从多个可选的和预先定义的成像模式人工地选择成像模式的装置和/或用于允许使用者将成像参数预设置人工地改变为多个可选的和预先定义的成像参数预设置中的一个的装置。
用于产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧的装置可以包括用于对原VS实时数字视频图像帧进行图像处理来生成经处理的VS实时数字视频图像帧的装置,所述经处理的VS实时数字视频图像帧表征焊接工艺的增强的VS属性。用于产生的装置还可以包括用于对原IRS实时数字视频图像帧进行图像处理来生成经处理的IRS实时数字视频图像帧的装置,所述经处理的IRS实时数字视频图像帧表征焊接工艺的增强的IRS属性。用于产生的装置还可以包括用于对经处理的VS实时数字视频图像帧和经处理的IRS实时数字视频图像帧进行图像处理来生成DS实时数字视频图像帧的装置,所述DS实时数字视频图像帧表征焊接工艺的综合的VS和IRS属性。用于产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧的装置还可以包括这样的装置,所述装置用于在提供经处理的VS和IRS实时数字视频图像帧到用于对经处理的VS和IRS实时数字视频图像帧进行图像处理的装置之前,在空间上对齐经处理的VS实时数字视频图像帧和经处理的IRS实时数字视频图像帧的数字视频图像帧的在时间上相关的对。
本发明的进一步的实施方案包括视觉引擎。视觉引擎包括数个图像处理器。第一图像处理器被配置来对原VS实时数字视频图像帧进行图像处理,来生成经处理的VS实时数字视频图像帧,所述经处理的VS实时数字视频图像帧表征焊接工艺的增强的VS属性。第二图像处理器被配置来对原IRS实时数字视频图像帧进行图像处理,来生成经处理的IRS实时数字视频图像帧,所述经处理的IRS实时数字视频图像帧表征焊接工艺的增强的IRS属性。第三图像处理器被配置来对经处理的VS实时数字视频图像帧和经处理的IRS实时数字视频图像帧的在时间上相关的对进行图像处理,来生成DS实时数字视频图像帧,所述DS实时数字视频图像帧表征焊接工艺的综合的VS和IRS属性。视觉引擎还可以包括视频帧对齐设备,所述视频帧对齐设备被配置来在提供经处理的VS和IRS实时数字视频图像帧到第三图像处理器之前,在空间上对齐经处理的VS实时数字视频图像帧和经处理的IRS实时数字视频图像帧的数字视频图像帧的在时间上相关的对。
本发明的另一实施方案包括生成焊接工艺的增强的双光谱实时数字视频的方法。所述方法包括通过进行焊接工艺的焊接者所佩戴的保护设备捕获焊接工艺的原可见光谱(VS)和原红外光谱(IRS)实时数字视频图像帧,来保护焊接者免受焊接工艺所射出的有害辐射的影响。通过保持和增强所述焊接工艺的期望的可见光谱属性并且移除所述焊接工艺的不需要的可见光谱属性来预处理原VS实时数字视频图像帧,以生成经预处理的VS实时数字视频图像帧。通过保持和增强所述焊接工艺的期望的红外光谱属性并且移除所述焊接工艺的不需要的红外光谱属性来预处理IRS实时数字视频图像帧,以生成经预处理的IRS实时数字视频图像帧。然后处理经预处理的VS和IRS实时数字视频图像帧的图像帧的在时间上相关的对,来生成双光谱(DS)实时数字视频图像帧。例如,在所述焊接工艺期间,当所述焊接者佩戴所述保护设备时,响应于焊接者的选择,通过所述保护设备向所述焊接者显示所述DS实时数字视频图像帧、所述经预处理的VS实时数字视频图像帧以及所述经预处理的IRS实时数字视频图像帧中的一个。
根据本发明的实施方案,DS实时数字视频图像帧的每个帧的每个像素对应于可见光谱信息、红外光谱信息以及可见光谱信息和红外光谱信息的混合中的一个。所述方法还可以包括在处理图像帧的在时间上相关的对之前,基于逐个像素的方式,在空间上对齐图像帧的在时间上相关的对,来生成DS实时数字视频图像帧。
作为原可见光谱(VS)实时数字视频图像帧的预处理的一部分被执行的具体图像处理功能可以是从多个图像处理选项可选的。类似地,作为原红外光谱(IRS)实时数字视频图像帧的预处理的一部分被执行的具体图像处理功能可以是从多个图像处理选项可选的。同样,作为生成双光谱(DS)实时数字视频图像帧的处理的一部分被执行的具体图像处理功能可以是从多个图像处理选项可选的。此外,作为所述方法的预处理步骤和处理步骤的一部分被实现的具体图像处理功能可以取决于从多个焊接工艺中选择焊接工艺。
本发明的另一实施方案包括向使用者提供弧焊特征之间增强的辨识力的双光谱数字成像弧焊***。所述***包括焊接面罩,所述焊接面罩被配置来佩戴在使用者的头上并且保护至少所述使用者的眼睛免受弧焊工艺所射出的光谱辐射的影响。所述***还包括双光谱(DS)数字摄像机,所述双光谱(DS)数字摄像机与焊接面罩在物理上是集成的并且被配置来提供原可见光谱(VS)实时数字视频图像帧和原红外光谱(IRS)实时数字视频图像帧。所述***还包括光学显示组件,所述光学显示组件与焊接面罩在物理上是集成的并且被配置来在使用者正佩戴着焊接面罩时向所述使用者呈现实时数字视频图像。所述***还包括视觉引擎,所述视觉引擎与DS数字摄像机和光学显示组件可操作地接口连接,其中视觉引擎被配置来从原VS和原IRS实时数字视频图像帧产生至少双光谱(DS)实时数字视频图像帧。
尽管已经参照特定实施方案描述了本申请所要求保护的主题内容,但是本领域的技术人员将理解的是,可以作出各种改变并且可以替换等同物而不会偏离所要求保护的主题内容的范围。另外,可以对所要求保护的主题内容的教导作出许多修改来适应特定情况或材料而不偏离所要求保护的主题内容的范围。因此,所意图的是,所要求保护的主题内容不受限于所公开的特定实施方案,而所要求保护的主题内容将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。
参考编号:
Claims (28)
1.一种向使用者提供弧焊特征之间增强的辨识力的双光谱数字成像弧焊***(100),所述***包括:
焊接面罩(110),所述焊接面罩(110)被配置来佩戴在使用者的头上并且保护至少所述使用者的眼睛免受弧焊工艺所射出的光谱辐射的影响;
可见光谱数字摄像机(150),所述可见光谱数字摄像机(150)与所述焊接面罩(110)在物理上是集成的并且被配置来提供原可见光谱实时数字视频图像帧;
红外光谱数字摄像机(160),所述红外光谱数字摄像机(160)与所述焊接面罩(110)在物理上是集成的并且被配置来提供原红外光谱实时数字视频图像帧;
光学显示组件,所述光学显示组件与所述焊接面罩(110)在物理上是集成的并且被配置来在所述使用者正佩戴着所述焊接面罩(110)时向所述使用者呈现实时数字视频图像;
视觉引擎(170),所述视觉引擎(170)与所述可见光谱数字摄像机(150)、所述红外光谱数字摄像机(160)以及所述光学显示组件可操作地接口连接,其中所述视觉引擎(170)被配置来使至少所述原可见光谱和原红外光谱实时数字视频图像帧在空间上对齐并且在时间上相关,从所述原可见光谱和原红外光谱实时数字视频图像帧产生至少双光谱实时数字视频图像帧;以及
使用者界面,所述使用者界面可操作地接口连接到所述视觉引擎和所述光学显示组件中的至少一个并且被配置来允许使用者从多个可选的和预先定义的成像模式中人工选择成像模式,
其中,所述多个可选的和预先定义的成像模式包括在所述光学显示组件的与焊弧和熔池中的一个相关联的第一部分中显示红外光谱信息,并且在所述光学显示组件的与所述焊弧和所述熔池中的另一个相关联的第二部分中显示可见光谱信息。
2.如权利要求1的***,其中所述视觉引擎(170)与所述焊接面罩(110)在物理上是集成的。
3.如权利要求1的***,其中所述视觉引擎(170)与所述焊接面罩在物理上是分离的。
4.如权利要求1的***,其中所述使用者界面(310)进一步被配置来允许使用者将成像参数预设置人工改变为多个可选的和预先定义的成像参数预设置中的一个。
5.如权利要求1的***,其中所述视觉引擎(170)包括:
第一图像处理器(171),所述第一图像处理器(171)被配置来对所述原可见光谱实时数字视频图像帧进行图像处理,来生成经处理的可见光谱实时数字视频图像帧;
第二图像处理器(173),所述第二图像处理器(173)被配置来对所述原红外光谱实时数字视频图像帧进行图像处理,来生成经处理的红外光谱实时数字视频图像帧;以及
第三图像处理器(174),所述第三图像处理器(174)被配置来对所述经处理的可见光谱实时数字视频图像帧和所述经处理的红外光谱实时数字视频图像帧进行图像处理,来生成所述双光谱实时数字视频图像帧,所述双光谱实时数字视频图像帧表征所述弧焊工艺的综合的可见光谱和红外光谱属性。
6.如权利要求5的***,其中所述视觉引擎(170)还包括视频帧对齐设备(172),所述视频帧对齐设备(172)被配置来在提供所述经处理的实时数字视频图像帧到所述第三图像处理器(174)之前,在空间上对齐所述经处理的可见光谱实时数字视频图像帧和所述经处理的红外光谱实时数字视频图像帧的数字视频图像帧的对。
7.如权利要求1的***,还包括焊接电源,其中所述视觉引擎(170)在物理上被集成到所述焊接电源中并且与所述焊接电源可操作地接口连接。
8.如权利要求1的***,还包括焊接电源,其中所述视觉引擎(170)与所述焊接电源可操作地接口连接。
9.如权利要求1的***,还包括焊丝送进器(630),其中所述视觉引擎(170)在物理上被集成到所述焊丝送进器(630)中并且与所述焊丝送进器(630)可操作地接口连接。
10.如权利要求1的***,还包括焊丝送进器(630),其中所述视觉引擎(170)与所述焊丝送进器(630)可操作地接口连接。
11.如权利要求1的***,其中所述多个可选的和预先定义的成像模式包括在所述光学显示器的至少一部分中显示混合的红外光谱信息和可见光谱信息。
12.如权利要求5的***,其中所述第一图像处理器、所述第二图像处理器以及所述第三图像处理器中的至少一个从所述帧的至少一部分移除不需要的信息。
13.如权利要求5的***,其中所述第一图像处理器、所述第二图像处理器以及所述第三图像处理器中的至少一个增强所述帧的至少一部分中的可使用的可见光谱或红外光谱信息。
14.如权利要求1的***,其中所述视觉引擎通过基于逐个像素的方式确定包括可见光谱和红外光谱信息中的一个或更多个来产生所述至少双光谱实时数字视频图像帧。
15.如权利要求1的***,其中所述视觉引擎通过基于与所述可见光谱数字摄像机和所述红外光谱数字摄像机的视场中的至少一个位置相关联的热范围和温度信息确定包括可见光谱和红外光谱信息中的一个或更多个来产生所述至少双光谱实时数字视频图像帧。
16.一种向使用者提供弧焊特征之间增强的辨识力的双光谱数字成像弧焊***,所述***包括:
用于保护至少使用者的眼睛免受弧焊工艺所射出的光谱辐射的影响的装置;
用于生成原可见光谱实时数字视频图像帧的装置,所述原可见光谱实时数字视频图像帧表征所述弧焊工艺的可见光谱发射,其中所述用于生成原可见光谱实时数字视频图像帧的装置与所述用于保护的装置在物理上是集成的;
用于生成原红外光谱实时数字视频图像帧的装置,所述原红外光谱实时数字视频图像帧表征所述弧焊工艺的红外光谱发射,其中所述用于生成原红外光谱实时数字视频图像帧的装置与所述用于保护的装置在物理上是集成的;
用于显示实时数字视频图像帧的装置,其中所述用于显示的装置与所述用于保护的装置在物理上是集成的;
用于使至少所述原可见光谱和原红外光谱实时数字视频图像帧在空间上对齐并且在时间上相关、从所述原可见光谱和原红外光谱实时数字视频图像帧产生至少双光谱实时数字视频图像帧并且提供至少所述双光谱实时数字视频图像帧到所述用于显示的装置的装置;以及
用于允许使用者从多个可选的和预先定义的成像模式中人工选择成像模式的装置;
其中,所述多个可选的和预先定义的成像模式包括在所述用于显示的装置的与焊弧和熔池中的一个相关联的第一部分中显示红外光谱信息,并且在所述用于显示的装置的与所述焊弧和所述熔池中的另一个相关联的第二部分中显示可见光谱信息。
17.如权利要求16的***,其中所述用于产生至少双光谱实时数字视频图像帧的装置与所述用于保护的装置在物理上是集成的。
18.如权利要求16的***,其中所述用于产生至少双光谱实时数字视频图像帧的装置与所述用于保护的装置在物理上是分离的。
19.如权利要求16的***,还包括用于允许使用者将成像参数预设置人工改变为多个可选的和预先定义的成像参数预设置中的一个的装置。
20.如权利要求16的***,其中所述用于产生至少双光谱实时数字视频图像帧的装置包括:
用于对所述原可见光谱实时数字视频图像帧进行图像处理来生成经处理的可见光谱实时数字视频图像帧的装置;
用于对所述原红外光谱实时数字视频图像帧进行图像处理来生成经处理的红外光谱实时数字视频图像帧的装置;以及
用于对所述经处理的可见光谱实时数字视频图像帧和所述经处理的红外光谱实时数字视频图像帧进行图像处理来生成所述双光谱实时数字视频图像帧的装置,所述双光谱实时数字视频图像帧表征所述弧焊工艺的综合的可见光谱和红外光谱属性。
21.如权利要求20的***,其中所述用于产生至少双光谱实时数字视频图像帧的装置还包括这样的装置,所述装置用于在提供所述经处理的可见光谱和红外光谱实时数字视频图像帧到所述用于对所述经处理的可见光谱和红外光谱实时数字视频图像帧进行图像处理的装置之前,在空间上对齐所述经处理的可见光谱实时数字视频图像帧和所述经处理的红外光谱实时数字视频图像帧的数字视频图像帧的对。
22.如权利要求16的***,还包括焊接电源,其中所述用于产生至少双光谱实时数字视频图像帧的装置在物理上被集成到所述焊接电源中并且与所述焊接电源可操作地接口连接。
23.如权利要求16的***,还包括焊接电源,其中所述用于产生至少双光谱实时数字视频图像帧的装置与所述焊接电源可操作地接口连接。
24.如权利要求16的***,还包括焊丝送进器,其中所述用于产生至少双光谱实时数字视频图像帧的装置在物理上被集成到所述焊丝送进器中并且与所述焊丝送进器可操作地接口连接。
25.如权利要求16的***,还包括焊丝送进器,其中所述用于产生至少双光谱实时数字视频图像帧的装置与所述焊丝送进器可操作地接口连接。
26.一种视觉引擎(170),所述视觉引擎(170)包括:
第一图像处理器(171),所述第一图像处理器(171)被配置来对原可见光谱实时数字视频图像帧进行图像处理,来生成经处理的可见光谱实时数字视频图像帧,所述经处理的可见光谱实时数字视频图像帧表征焊接工艺的增强的可见光谱属性;
第二图像处理器(173),所述第二图像处理器(173)被配置来对原红外光谱实时数字视频图像帧进行图像处理,来生成经处理的红外光谱实时数字视频图像帧,所述经处理的红外光谱实时数字视频图像帧表征所述焊接工艺的增强的红外光谱属性;
第三图像处理器(174),所述第三图像处理器(174)被配置来对所述经处理的可见光谱实时数字视频图像帧和所述经处理的红外光谱实时数字视频图像帧的在空间上对齐并且在时间上相关的对进行图像处理,来生成双光谱实时数字视频图像帧,所述双光谱实时数字视频图像帧表征所述焊接工艺的综合的可见光谱和红外光谱属性;以及
界面处理器,所述界面处理器被配置来允许使用者从多个可选的和预先定义的成像模式中人工选择成像模式,
其中,所述多个可选的和预先定义的成像模式包括在所述双光谱实时数字视频图像帧的与焊弧和熔池中的一个相关联的第一部分中显示红外光谱信息,并且在所述双光谱实时数字视频图像帧的与所述焊弧和所述熔池中的另一个相关联的第二部分中显示可见光谱信息。
27.如权利要求26的视觉引擎,还包括视频帧对齐设备(172),所述视频帧对齐设备(172)被配置来在提供所述经处理的可见光谱和红外光谱实时数字视频图像帧到所述第三图像处理器(174)之前,在空间上对齐所述经处理的可见光谱实时数字视频图像帧和所述经处理的红外光谱实时数字视频图像帧的数字视频图像帧的所述在时间上相关的对。
28.一种向使用者提供弧焊特征之间增强的辨识力的双光谱数字成像弧焊***,所述***包括:
焊接面罩,所述焊接面罩被配置来佩戴在使用者的头上并且保护至少所述使用者的眼睛免受弧焊工艺所射出的光谱辐射的影响;
双光谱数字摄像机,所述双光谱数字摄像机与所述焊接面罩在物理上是集成的并且被配置来提供原可见光谱实时数字视频图像帧和原红外光谱实时数字视频图像帧;
光学显示组件,所述光学显示组件与所述焊接面罩在物理上是集成的并且被配置来在所述使用者正佩戴着所述焊接面罩时向所述使用者呈现实时数字视频图像;
视觉引擎,所述视觉引擎与所述双光谱数字摄像机和所述光学显示组件可操作地接口连接,其中所述视觉引擎被配置来使至少所述原可见光谱和原红外光谱实时数字视频图像帧在空间上对齐并且在时间上相关,从所述原可见光谱和原红外光谱实时数字视频图像帧产生至少双光谱实时数字视频图像帧;以及
使用者界面,所述使用者界面可操作地接口连接到所述视觉引擎和所述光学显示组件中的至少一个并且被配置来允许使用者从多个可选的和预先定义的成像模式中人工选择成像模式,
其中,所述多个可选的和预先定义的成像模式包括在所述光学显示组件的与焊弧和熔池中的一个相关联的第一部分中显示红外光谱信息,并且在所述光学显示组件的与所述焊弧和所述熔池中的另一个相关联的第二部分中显示可见光谱信息。
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