基于图像识别的水导激光自动对焦系统及其对焦方法

1.本发明涉及水导激光加工技术领域，特别是涉及基于图像识别的水导激光自动对焦系统及其对焦方法。


背景技术：

2.水导激光加工(water jet guided laser)是一种水射流与激光复合的特种加工技术。水导激光加工中，首先将激光束聚焦到微细水射流当中，由于激光在水中与空气中的折射率不同，在满足全反射的条件下激光将在水与空气的界面发生全反射，从而不断向前传输，水射流将激光引导到材料表面进行加工。水导激光加工方法结合了常规激光加工方法和水射流加工方法的特点，一方面继承了激光切割无机械压力、无刀具磨损、切口宽度窄等优点，另一方面又利用了微细水射流良好的散热和冲刷作用，有效减少切割区域附近的热效应，及时带走熔渣避免污染和重熔，大大提高切割质量，有效解决了传统机械加工与常规激光加工的弊端。然而由于激光在水射流中通过全反射传播，因此在加工工件之前，必须将激光束与水射流进行耦合，这就要求将激光光斑移动至喷嘴口的位置上。
3.现有技术存在以下弊端：
4.由使用者通过设备(如摄像机)观察，通过使用者的视觉识别出喷嘴位置，随后将激光束向孔移动，通过聚焦实现耦合。该过程耗时较长，且由于目视始终存在一定误差，导致耦合效果不理想。通过光学检测来自喷嘴的激光束反射，控制激光束进行扫描，以实现自动对准。仍然不能完全排除手动操作；且进行扫描可能会对喷嘴造成不利影响。通过检测设备放在工作平台上，通过检测水射流传递到工作平台上的功率确定耦合是否成功。操作复杂；受外界环境影响，测量易产生误差。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
6.为此，本发明提出一种基于图像识别的水导激光自动对焦系统，基于图像处理的水导激光耦合过程，该过程基于光学地感测喷嘴与激光光斑的实际位置，通过图像处理取得二者相对位置，并通过计算以实现激光与喷嘴的耦合。
7.本发明的另一个目的在于提出一种基于图像识别的水导激光自动对焦方法。
8.为达上述目的，本发明一方面提出一种基于图像识别的水导激光自动对焦系统，包括：
9.激光单元，用于提供激光；
10.光学单元，用于将激光从所述激光单元转移至所述喷嘴单元；
11.喷嘴单元，用于产生水射流；
12.观测单元，用于识别水射流传导激光产生的喷嘴表面图像，以根据图像识别结果得到喷嘴圆心与激光光斑圆心的相对位置。
13.另外，根据本发明上述实施例的基于图像识别的水导激光自动对焦系统还可以具
有以下附加的技术特征：
14.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述系统，还包括：
15.控制单元，所述控制单元用于控制所述喷嘴单元移动，使得喷嘴圆心移动至激光光斑圆心的位置以完成位置信息耦合。
16.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制单元，还用于：
17.控制所述光学单元中镜片位置以调整激光光斑圆心位置，以将激光光斑圆心移动至喷嘴圆心的位置。
18.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述系统，还包括：
19.照明单元，所述照明单元用于为所述光学单元产生的激光提供光照。
20.为达上述目的，本发明另一方面提出一种基于图像识别的水导激光自动对焦方法，包括：
21.获取激光照射水射流产生的喷嘴表面图像，并将所述喷嘴表面图像进行二值化处理得到二值图像；
22.将所述二值图像进行中值滤波处理，并将中值滤波处理后的图像进行膨胀与腐蚀操作得到最终喷嘴图像；
23.将所述最终喷嘴图像进行圆形拟合操作得到激光光斑圆心及喷嘴圆心之间的相对距离；
24.基于所述相对距离对喷嘴圆心和激光光斑圆心的位置信息进行耦合操作，得到位置信息耦合结果。
25.本发明实施例的基于图像识别的水导激光自动对焦系统及其对焦方法，能够提高水导激光的耦合精度，降低耦合时间，减少人工参与。
26.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
27.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
28.图1是根据本发明实施例的一种基于图像识别的水导激光自动对焦系统的结构示意图；
29.图2是根据本发明实施例的另一种基于图像识别的水导激光自动对焦系统的结构示意图；
30.图3是根据本发明实施例的控制单元控制喷嘴单元的移动进行耦合的流程图；
31.图4是根据本发明实施例的又一种基于图像识别的水导激光自动对焦系统的结构示意图；
32.图5是根据本发明实施例的控制单元控制光学单元中镜片位置以调整光斑位置进行耦合的流程图；
33.图6是根据本发明实施例的基于图像识别的水导激光自动对焦方法的流程图。
具体实施方式
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
35.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
36.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于图像识别的水导激光自动对焦系统和方法。
37.图1是本发明实施例的基于图像识别的水导激光自动对焦系统的结构示意图。
38.如图1所示，该基于图像识别的水导激光自动对焦系统，包括：
39.激光单元100，用于提供激光；
40.光学单元200，用于将激光从激光单元100转移至喷嘴单元300；
41.喷嘴单元300，用于产生水射流；
42.观测单元400，用于识别水射流传导激光产生的喷嘴表面图像，以根据图像识别结果得到喷嘴圆心与激光光斑圆心的相对位置。
43.具体地，激光单元100，用于为设备提供激光；喷嘴单元300，用于产生水射流；光学单元200，将激光从激光单元100转移至喷嘴单元300；观测单元400，用于检测图像；
44.进一步地，系统10，还包括：控制单元500，用于控制喷嘴单元300和/或光学单元200，使激光相对喷嘴单元300产生相对移动。
45.具体地，通过观测单元400对喷嘴表面图像进行识别，从而自动地得出喷嘴中心与激光光斑的相对位置。
46.图2为本发明的另一种基于图像识别的水导激光自动对焦系统的结构图，如图2所示，控制单元500控制喷嘴单元300的移动。
47.具体地，控制单元500，控制单元500用于控制述喷嘴单元300移动，使得喷嘴圆心移动至激光光斑圆心的位置以完成位置信息耦合。
48.图3为本发明的控制单元500控制喷嘴单元300的移动进行耦合的流程图，如图3所示：
49.观测单元400对喷嘴表面图像进行识别，从而自动地得出喷嘴中心与激光光斑的相对位置；
50.图像处理部分，由于孔的位置确定是比较复杂的，喷嘴上可能有异物或缺陷，因此需要对图像进行图像处理。其主要流程包括：二值化、滤波、膨胀、腐蚀、圆形拟合。
51.二值化：二值图像在图像处理中有广泛的应用，尤其是在图像测量的应用领域里，当目标图像和背景之间的灰度对比度很大时，极容易从背景中通过灰度值的不同分割出目标图像，对目标图像标记为1，而对背景标记为0，这样就将一幅灰度图像变成了二值图像。
52.滤波：中值滤波。基本原理是把图像或序列中心点位置的值用该域的中值替代，具有运算简单、速度快、除噪效果好等优点。
53.膨胀与腐蚀：膨胀类似与'领域扩张'，将图像的高亮区域或白色部分进行扩张，其
运行结果图比原图的高亮区域更大。腐蚀类似'领域被蚕食'，将图像中的高亮区域或白色部分进行缩减细化，其运行结果图比原图的高亮区域更小。
54.在通过图像处理后，可以得出激光光斑圆心及喷嘴孔圆心之间的相对距离，随后可以通过控制单元定量地将喷嘴移动至光斑圆心，完成准确的耦合。
55.图4为本发明的又一种基于图像识别的水导激光自动对焦系统的结构图，如图4所示，控制单元500控制光学单元200中镜片位置以调整光斑位置，将光斑移动至喷嘴孔中。
56.进一步地，由于依靠激光的散射有时光线强度不足，容易将缺陷与喷嘴孔混淆，可选的可以增加照明单元600，以提高分辨准确度。
57.图5为本发明的控制单元500控制光学单元200中镜片位置进行耦合的流程图，如图5所示：
58.观测单元400对喷嘴表面图像进行识别，从而自动地得出喷嘴中心与激光光斑的相对位置；
59.图像处理部分，由于孔的位置确定是比较复杂的，喷嘴上可能有异物或缺陷，因此需要对图像进行图像处理。其主要流程包括：二值化、滤波、膨胀、腐蚀、圆形拟合。
60.二值化：二值图像在图像处理中有广泛的应用，尤其是在图像测量的应用领域里，当目标图像和背景之间的灰度对比度很大时，极容易从背景中通过灰度值的不同分割出目标图像，对目标图像标记为1，而对背景标记为0，这样就将一幅灰度图像变成了二值图像。
61.滤波：中值滤波。基本原理是把图像或序列中心点位置的值用该域的中值替代，具有运算简单、速度快、除噪效果好等优点。
62.膨胀与腐蚀：膨胀类似与'领域扩张'，将图像的高亮区域或白色部分进行扩张，其运行结果图比原图的高亮区域更大。腐蚀类似'领域被蚕食'，将图像中的高亮区域或白色部分进行缩减细化，其运行结果图比原图的高亮区域更小。
63.在通过图像处理后，可以得出激光光斑圆心及喷嘴孔圆心之间的相对距离，随后可以通过控制单元定量地移光学单元，使得光斑移动至喷嘴圆心，完成准确的耦合。
64.根据本发明实施例的基于图像识别的水导激光自动对焦系统，可提高水导激光的耦合精度，降低耦合时间，减少人工参与。
65.为了实现上述实施例，如图6所示，本实施例中还提供了基于图像识别的水导激光自动对焦方法，包括：
66.s1，获取水射流传导激光产生的喷嘴表面图像，并将喷嘴表面图像进行二值化处理得到二值图像；
67.s2，将二值图像进行中值滤波处理，并将中值滤波处理后的图像进行膨胀与腐蚀操作得到最终喷嘴图像；
68.s3，将最终喷嘴图像进行圆形拟合操作得到激光光斑圆心及喷嘴圆心之间的相对距离；
69.s4，基于相对距离对喷嘴圆心和激光光斑圆心的位置信息进行耦合操作，得到位置信息耦合结果。
70.进一步地，s1，包括：
71.基于喷嘴表面图像中背景图像的灰度值进行图像分割得到目标图像；
72.分别对目标图像和所述背景图像进行标记，基于图像标记结果得到二值图像。
73.进一步地，s2，包括：
74.将二值图像或序列中心点位置的值使用域的中值替代。
75.进一步地，s3，包括：
76.将中值滤波处理后的图像的高亮区域进行扩张处理得到扩张运行结果图；
77.将所述扩张运行结果图中的高亮区域进行缩减细化得到细化运行结果图。
78.进一步地，该方法，还包括：
79.对喷嘴表面图像的特征进行特征增强处理。
80.根据本发明实施例的基于图像识别的水导激光自动对焦方法，可提高水导激光的耦合精度，降低耦合时间，减少人工参与。
81.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
82.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

技术特征：
1.一种基于图像识别的水导激光自动对焦系统，其特征在于，包括：激光单元，用于提供激光；光学单元，用于将激光从所述激光单元转移至所述喷嘴单元；喷嘴单元，用于产生水射流；观测单元，用于识别水射流传导激光产生的喷嘴表面图像，以根据图像识别结果得到喷嘴圆心与激光光斑圆心的相对位置。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统，还包括：控制单元，所述控制单元用于控制所述喷嘴单元移动，使得喷嘴圆心移动至激光光斑圆心的位置以完成位置信息耦合。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制单元，还用于：控制所述光学单元中镜片位置以调整激光光斑圆心位置，以将激光光斑圆心移动至喷嘴圆心的位置。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统，还包括：照明单元，所述照明单元用于为所述光学单元产生的激光提供光照。5.一种应用于如权利要求1-4中任一一项所述基于图像识别的水导激光自动对焦系统的对焦方法，其特征在于，包括：获取激光照射水射流产生的喷嘴表面图像，并将所述喷嘴表面图像进行二值化处理得到二值图像；将所述二值图像进行中值滤波处理，并将中值滤波处理后的图像进行膨胀与腐蚀操作得到最终喷嘴图像；将所述最终喷嘴图像进行圆形拟合操作得到激光光斑圆心及喷嘴圆心之间的相对距离；基于所述相对距离对喷嘴圆心和激光光斑圆心的位置信息进行耦合操作，得到位置信息耦合结果。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将所述喷嘴表面图像进行二值化处理得到二值图像，包括：基于所述喷嘴表面图像中背景图像的灰度值进行图像分割得到目标图像；分别对所述目标图像和所述背景图像进行标记，基于图像标记结果得到二值图像。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将所述二值图像进行中值滤波处理，包括将所述二值图像或序列中心点位置的值使用域的中值替代。8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将中值滤波处理后的图像进行膨胀与腐蚀操作得到最终喷嘴图像，包括：将中值滤波处理后的图像的高亮区域进行扩张处理得到扩张运行结果图；将所述扩张运行结果图中的高亮区域进行缩减细化得到细化运行结果图。9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法，还包括：对所述喷嘴表面图像的特征进行特征增强处理。

技术总结
本发明公开了基于图像识别的水导激光自动对焦系统及其对焦方法，该方法包括：获取水射流传导激光产生的喷嘴表面图像，并将喷嘴表面图像进行二值化处理得到二值图像；将二值图像进行中值滤波处理，并将中值滤波处理后的图像进行膨胀与腐蚀操作得到最终喷嘴图像；将最终喷嘴图像进行圆形拟合操作得到激光光斑圆心及喷嘴圆心之间的相对距离；基于相对距离对喷嘴圆心和激光光斑圆心的位置信息进行耦合操作，得到位置信息耦合结果。本发明可以提高水导激光的耦合精度，降低耦合时间，减少人工参与。参与。参与。


技术研发人员：韩福柱 唐文翰 潘遇安 徐星汉
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/22