Selective Darkening Filter and Welding Arc Observation for the Manual Welding Process

153 Pages·2012·30.9 MB·English

by  Bernd Hillers

Doctoral Thesis
Selective Darkening Filter
and Welding Arc Observation
for the Manual Welding Process
Bernd Hillers
University Bremen

doctoral thesis
Selective Darkening Filter and Welding Arc
Observation for the Manual Welding Process
Bernd Hillers
15th March 2012
1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Axel Gr¨aser
2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Kai Michels

Zusammenfassung
Der Schutz des Schweißers w¨ahrend des Schweißens stellt die Grundmotivation dieser Arbeit
dar. Die heutzutage verfu¨gbaren, automatisch abdunkelnden Schweißfilter (Automatic Dar-
kening Filter (ADF)) verbessern die Sicht des Schweißers, indem diese vor dem Zu¨nden des
Lichtbogenundw¨ahrenddesSchweißendieLichtdurchl¨assigkeitdynamischanpassen. Erm¨o-
glichtwirddiesdurchFlu¨ssigkristalldisplays(LCDs), bestehendauseinemeinzigenPixelzur
Abdunkelung der Sicht. Die ADFs sind verbesserungsf¨ahig, indem die Sicht des Nutzers nur
dort abgedunkelt wird, wo der helle Lichtbogen im Blickfeld erscheint. Ein grafisches LCD
(GLCD) mit einer Aufl¨osung von n × m Pixeln erm¨oglicht die selektive Abdunkelung im
Sichtbereich des Schweißers. Der Aufbau eines solchen selektiven, automatisch abdunkeln-
denFilters(SelectiveAutoDarkeningFilter(SADF))wirdalsGesamtsystementwickeltund
seine Anwendbarkeit getestet. Unter anderem besteht der Aufbau zur korrekten Detektion
der Lichtbogenposition aus der Integration einer Kamera in den Schweißprozess. Anstelle
eines LCDs mit einem Pixel wird ein speziell fu¨r den Einsatz beim Schweißen angepasster
Prototyp eines GLCD in den Sichtbereich des Schweißers integriert. Ein Kalibrierungsver-
fahren sichert die korrekte Projektion der Lichtbogenposition aus der Sicht der Kamera in
die Sicht des Schweißers.
Wie eingefu¨hrt ist zur Detektion der Lichtbogenposition die Entwicklung eines angepassten
Videosystems zur Beobachtung w¨ahrend des Schweißens notwendig. Die Videobeobachtung
von Szenen mit hoher Kontrastdynamik tritt bei sehr großen Unterschieden zwischen dem
hellsten und dunkelsten Bildpunkt auf. Spezielle Kamerachips sind in der Lage, solche
anspruchsvollen hohen Kontrastdynamiken abzubilden. Solch eine hochdynamische Ka-
mera wird zur Integration im Schweißschutzhelm eingesetzt. Die gew¨ahlte Anwendung, das
Schweißen, mit ihren rauen Umgebungsbedingungen, macht die Entwicklung weiterer Hard-
ware notwendig. So sind ein Problem die zumeist flackernden Lichtverh¨altnisse w¨ahrend der
unterschiedlichen Phasen der Schweißprozesse. Die optische Synchronisation der Bildauf-
nahme auf den Schweißprozess stabilisiert die Videoaufnahme und erm¨oglicht weiterhin eine
gezielte gepulste Beleuchtung durch kompakte Leuchtdioden h¨ochster Leuchtdichte. Der
Bildaufnahmeprozess wird weiterhin verbessert, indem zwei mit unterschiedlichen Kamera-
parametern aufgenommene Bilder als Datengrundlage genutzt werden. Hierbei werden ein
unterbelichtetesundeinu¨berbelichtetesBildzueinemneuenBildmith¨oheremKontrastum-
fang, als es durch eine Einzelaufnahme m¨oglich ist, zusammengefu¨hrt.
Die Grundannahme g¨angiger histogrammbasierter Kontrastaufbereitungsalgorithmen, dass
Histogrammklassen von Farbwerten mit geringer H¨aufigkeitsdichte auch geringe und damit
unwichtige Informationen enthalten, ist bei der Videobeobachtung von Schweißprozessen
nicht zutreffend. Der Lichtbogen und das helle Schweißbad als Interessenfokus und hell-
ste Bereiche besitzen zumeist nur einen geringen Fl¨achenanteil am Gesamtbild und bilden
dabei Klassen geringer H¨aufigkeitsdichten. Um fu¨r die Kontrastverbesserung eine L¨osung
zu erhalten, werden unterschiedliche Standardalgorithmen getestet bzw. von diesen aus-
gehend ein neues Verfahren entwickelt. Dieses Verfahren segmentiert das Bild in Bereiche
¨ahnlichen Inhalts, bereitet diese unabh¨angig auf und fu¨hrt sie zu einem neuen Gesamtbild
wieder zusammen. Diese Arbeit entwickelt somit alle Aspekte eines SADF System mit der
Problematik der Abdunkelung der Sicht, Kalibrierung, Bildakquise und Bildaufbereitung.
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Abstract
The protection of the welder during arc-time is the source of motivation for this thesis.
Automatic Darkening Filter (ADF) enhance the welder’s protection by giving him a good
view of the welding scene before and during welding by driving automatically darken a
one pixel LCD when the welding starts. These ADFs may be enhanced by darkening the
welders view partially where it is necessary to protect him from glaring light. A Graphical
LCD (GLCD) with a resolution of n×m pixels gives the ability to selectively control the
darkening in the welders view. The setup of such a Selective Auto Darkening Filter is
developed and its applicability tested. The setup is done by integrating a camera into the
welding operation for extracting the welding arc position properly. Instead of the ADF a
prototype of a GLCD taylored for welding is mounted in the welder’s view. A calibration
process assures the correct projection of the extracted arc position from the camera view
onto the welders view.
The extraction of the welding arc position requires an enhanced video acquisition during
welding. The observation of scenes with high dynamic contrast is an outstanding problem
which occurs if very high differences between the darkest and the brightest spot in a scene
occur. Specialcamerachipswhichmapahighrangeoflightingconditionsatoncetoanimage
canimprovetheimageacquisition. Suchahighdynamicrangecameraisusedforthehelmet
integration. The application to welding with its harsh conditions needs the development of
supporting hardware. The synchronization of the camera with the flickering light conditions
of pulsed welding processes in Gas Metal Arc Welding stabilizes the acquisition process and
allows the scene to be flashed precisely if required by compact high power LEDs. The image
acquisition is enhanced by merging two different exposed images for the resulting source
image. These source images cover a wider histogram range than it is possible by using
only a single shot image with optimal camera parameters. For a welding scene the basic
assumption that the bin of an histogram with the lowest number of pixels does not contain
important information does not apply, because the arc, the brightest and most important
spot in the image, is covers mostly a small area. After testing different standard contrast
enhancement algorithm a novel more content based algorithm is developed. It segments the
image into areas with similar content related to the used colour space and enhances these
independently. So this thesis covers all aspects of a SADF system with darkening the view,
calibration, image acquisition and image enhancement.