收稿日期:2001-05-28作者简介:王军波,男,1973年出生,硕士,在读博士生基金项目:国家自然科学基金项目(编号:59975050),清华大学“211”、“985”经费资助.高速CCD 摄像系统及其应用王军波,孙振国,陈 强(清华大学机械工程系,北京 100084)摘 要:介绍了DA LSA 公司生产的CA —D6型高速CCD 摄像系统的基本组成、工作原理,以及其在CO 2短路焊接过程及熔滴尺寸检测、压铸充型模拟实验过程检测、激光深熔焊等离子体形态检测、人体运动分析等科研领域的典型应用。
此类应用为“高速CCD 摄像系统原理及应用”实验课程的教学提供了丰富的素材。
关键词:高速CCD 摄像系统;激光焊接;CO 2焊;压铸充型;人体运动分析中图分类号:T B853.1+7文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2001)06-0016-04当今世界进入信息时代,以数字化、计算机、通讯、电视和多媒体为主要特征的新的信息革命正在兴起。
CCD (Charge Coupled Device )作为近几年新兴的固体成像器件,具有体积小、重量轻、动态范围大、灵敏度高、可靠性好等优点,广泛应用于机器人视觉系统、安全保卫系统、智能交通系统以及Internet 接入装置等领域,为人类探索微观世界和瞬态运动过程作出和提供了丰富的视觉信息。
近年来,CCD 摄像机在分辨率、拍摄速度和智能化水平等性能指标上有了质的飞跃。
目前国产线阵CCD 器件的分辨率已有128、256、512和1024象素等,面阵CCD 的分辨率也有100×100、120×150和320×256象素等,拍摄速度为每秒钟几十帧。
国外线阵CCD 的分辨率已达4096象素以上,面阵CCD 分辨率已达到4096×4096象素以上,而图像摄取速度则可达到每秒钟上千帧,最快的达到每秒钟1万帧(64×64象素)。
本着提高相关课程教学水平,同时服务于科研工作的宗旨,在“211工程”资助下,我系于2000年1月引进了一套高速CCD 摄像系统。
许多学生在学习、了解高速CCD 摄像系统的基本组成、工作原理和操作方法后,与其从事的科研工作紧密结合,使得该系统已经在CO 2短路焊接过程及熔滴尺寸检测、压铸充型模拟实验过程检测、激光深熔焊等离子体形态检测、人体运动分析、电弧放电过程检测等众多科研工作中发挥了重要作用。
而从这些研究工作中取得的成果又进一步丰富了课程教学内容,为今后的教学工作提供了大量的素材和使用经验。
本文着重介绍高速CCD 摄像系统的基本组成及其在科研工作中的典型应用实例,供相关的科研和教学工作人员参考。
16中国科技论文统计源期刊 实 验 技 术 与 管 理 Vol .18 No .6 2001 1.高速CC D 摄像系统高速CCD 摄像系统由高速CCD 摄像机、光学系统、图像采集卡和计算机组成,如图1所示。
高速摄像机采用加拿大DALSA 公司生产的CA —D6型,其基本性能指标为:分辨率260×260象素,最大感光面2.6×2.6m m 2,最大拍摄速度为955帧/秒,四路8bit 数据以每路25MHz 的速度同时输出,采用EIA —644协议,最小曝光时间0.8ms ,可通过键盘、鼠标及程序触发等方式控制拍摄时刻。
图像采集卡采用美国生产的PIXCI 型板卡,该板卡由差分输入及驱动单元、图像控制单元和PCI 总线接口单元组成。
其中:差分输入及驱动单元的作用将输入的差分信号转换为单端的TTL 信号;图像控制单元可以格式化图像数据、窗口化图像、控制摄像机A 、B 触发器,判断触发器触发条件、缓存从差分单元输往PCI 总线接口单元的数据;PCI 总线接口单元提供中断请求信号、PCI 协议寄存器、先入先出缓存器、PCI 总线主从控制等功能。
计算机采用PIII 500CPU ,配置1G 内存,运行环境为WIN N T。
图1 典型的高速摄像系统组成原理图根据拍摄对象的不同要求,一般需设计特殊的光学系统。
摄像机经由光学系统获取拍摄对象的图像信息,该信息由图像卡转换后读入计算机,用户借助相应的应用软件,对拍摄图像的特征进行综合分析研究。
2.C O 2短路焊接过程及熔滴尺寸检测CO 2短路焊接熔滴形状及尺寸是影响焊接工艺性能和焊缝质量的重要因素,受实验技术及研究手段等多方面因素的限制,目前的研究工作仍偏重于理论分析及数据模拟。
为了分析影响熔滴尺寸的因素和规律,了解熔滴控制效果,文献[1]建立了以He -Ne 激光器为背光照明的熔滴高速摄像研究系统。
高速摄像机以每秒955帧的速度,每次连续拍摄8000帧熔滴图像。
在拍摄图像的同时,与拍摄时序同步的数据采集卡采集焊接电弧电流和电压信号,这样得到了焊接过程中对应同一时刻的熔滴图像、焊接电流和电弧电压。
图像经处理后可以获得熔滴的尺寸,通过对熔滴尺寸与对应时刻电弧信号相关参数的动态分析,发现短路前熔滴体积及燃弧能量的随机性分布是造成熔滴尺寸不均匀分布的重要原因,而熔滴尺寸与其对应的再燃弧电压有着良好的相关性。
在此基础上,确定了将再燃弧电压作为逐个熔滴尺寸控制的反馈量,通过控制再燃弧电压,来实现熔滴尺寸闭环境控制的方案,取得了较好的工艺实验结果。
图2给出了高速摄像系统拍摄的CO 2短路焊接过程一个完整的熔滴过渡周期照片。
17高速CCD 摄像系统及其应用图2 CO 2短路焊接过程完整熔滴过渡周期3.压铸充型模拟实验过程检测压力铸造是一种高效低耗的材料精确成形方法,科研人员一直试图了解压铸充型过程金属熔液的流动和热交换规律,从而设计出合理的铸件、铸型结构及浇注系统,选择恰当的压铸工艺参数,实现理想的型腔充填和模具的热平衡状态,提高铸件质量和生产效率。
但是,压铸充填过程时间不超过1秒,而且发生在不透明的压铸模型腔之间,难以对其进行实时观测和控制。
采用计算机数值模拟技术对压铸充型过程进行数值模拟,通过求解描述充型过程流动和传热的偏微分方程,获得充型过程中任意时刻流体的自由表面形貌、速度场、压力场和温度场信息,从而优化工艺方案。
为验证计算机模拟结果的准确性和可信性,文献[2]基于相似性原理,利用水和有机玻璃铸型模拟金属熔液和金属铸型的充型过程,并通过增大模拟铸型的尺寸来降低流体注入型腔的速度,延长充型时间,使得高速摄像系统能够记录完整的流体充型过程。
图3给出了在压力作用下水在有机玻璃铸型中的充型过程,实验结果反映出压力条件下液体充型的流动趋势、充型顺序、卷气缺陷可能产生的位置等与计算机模拟计算机结果基本一致,从而较好的验证了数值模拟压铸充型过程的可信度。
图3 采用水—有机玻璃铸型模拟的压铸充型过程4.激光深熔焊等离子体形态检测在激光深熔焊过程中,金属材料在高功率密度激光的照射下熔化时,发生强烈汽化形成金属蒸气。
金属蒸气对激光有强烈的吸收作用,随着其温度进一步升高而电离,形成等18实 验 技 术 与 管 理离子体。
工件在等离子体膨胀压力作用下形成小孔,是激光深熔焊的本质特征之一。
国内外采用光、声、电等检测手段,对焊接过程中等离子体形态的变化进行了大量的研究,认为不同的离焦量下深熔焊小孔内外等离子体数量分布的不同,是导致光伏探测器所检测到的等离子体光福射呈“U ”形曲线的主要原因。
但由于检测手段的限制,该解释并未得到进一步证实。
文献[3]采用高速摄像的方法,直接观测了低碳钢激光深熔焊过程中的等离子体形态,并针对激光焦点位置改变对等离子体的影响进行了实验研究,得到不同焊接模式下的等离子体的形态,从而验证了等离子体光信号随焦点位置改变而呈U 型曲线变化的规律。
图4给出了激光焦点位置从入焦依次变为离焦时高速摄像机拍摄的等离子体形态的变化过程,从中可以看到激光焊接模式按照“热导焊—不稳定焊—稳定深熔焊—不稳定焊—热导焊”依次变化。
图4 不同焦点位置焊接时的等离子体图像5.人体运动分析人体运动是人体和环境不断相互作用的结果,对其进行运动学和动力学分析,可以为医学、康复工程、体育、仿生学等领域的研究工作提供参考数据。
如采集多个健全人在平地、上下坡、上下楼梯等路况下行走时的位移—时间和地面反力数据,可以分析人体运动对路况环境的适应规律,对于分析异常步态及指导康复训练有着重要的意义。
而在排球、体操、游泳等体育项目中,通过对优秀运动员技术动作的现场拍摄和分析研究,总结出相关技术对应的人体运动特征,可以指导运动员科学训练,从而提高竞技水平。
人体可以看成是由许多连杆连接组成的关节系统,人体的运动特征主要反映在各个关节的角度变化上。
较常见的人体运动检测手段主要有基于电子测角仪和摄像设备两种。
前者将电子测角仪绑缚在人体主要关节上进行测量,其不足是对人体运动有一定影响。
采用高速摄影胶片摄取运动图像进行分析处理,通常系统复杂、成本较高。
目前普遍采用的基于普通摄像机的人体运动检测方法,受到普通摄像机的拍摄速度的制约(40ms /帧或20m s /场),只能用于人体的平缓运动检测,无法有效记录、分析人体的快速运动过程。
采用高速摄像系统可以克服上述方法的不足,低成本、高效率地获取所需要的不同环境下的人体快速运动过程图像,用于相关领域的分析研究。
图5给出了实时采集的人体上肢前臂完成一个舒展、变曲周期的图像,采用图像处理的方法,可以进一步分析研究肘(下转第23页)19高速CCD 摄像系统及其应用等教育改革的重要组成部分,是今后教学改革的重点和难点,它直接关系到教学改革的成功与否,应该引起各方面的高度重视。
随着创新教育改革的不断深入,实验编制的工程技术人员从事实验教学的工作量将会进一步加大。
由于国内很多大学的教学文件规定,只有任课教师才有资格上实验课。
而事实上,在国内很多大学里,有相当多的实验教学完全是由实验编制的工程技术人员承担的。
现在,实验编制的工程技术人员的结构层次已经与几十年前的情况有很大的不同,有相当多的既有学历又有学位、既有理论知识又有丰富实践经验的高层知识分子充实到了实验教学队伍中,他们在实验室建设、新实验设备的研制与开发、实验设备的管理与维护、实践性环节的教学、实验教学的改革等工作中,起着相当大的作用。
解决上述矛盾的关键就是让实验教学独立设课,自成体系。
这将会极大地调动广大实验教学工作者的积极性,促进创新教育改革的迅猛发展,为国家培养出更多的创造性人才。
[参考文献][1]邱宣怀,等.机械设计[M ].高等教育出版社,1990.(上接第19页)关节运动的相关规律,为拟人机器人的机构设计和控制提供参考。
6.结束语本文简要介绍了高速摄像系统在CO 2焊熔滴尺寸检测、压铸充型过程检测、激光焊接等离子体检测及人体运动学分析等领域的几个典型应用实例,希望借此促进相关的科研、实验、教学人员对高速摄像系统基本原理及其应用领域的了解,从而使该系统在相关的科研和教学工作中发挥更重要的作用。