6.3ex. GMA movies data sheet

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　２０００年頃、初めて高速度ビデオカメラを使い始めた時期に撮影した動画の紹介です。溶接は軟鋼用の一般的なワイヤ（ＭＧ５０, １．２ｍｍΦ）を用い、溶接条件は比較的アーク光が弱い１５０Ａ前後の小電流にしています。突き出し長さは２５ｍｍ、溶接速度は３０ｃｍ／ｍｉｎと一定にしました。 母材は主にＳＵＳ３０４を用い、軟鋼用ワイヤを用いて溶接しています。ワイヤの極性と母材材質がアーク移行状態に与える影響を知るために、母材には軟鋼も一部で用いています。右図は白黒高速度ビデオカメラで、溶接部側面から撮影した映像の１画面です。溶接現象の撮影には、側面からの高速度ビデオカメラと同時に、溶接線後方からカラー高速度ビデオカメラでも同時に撮影しました。右図の映像では、波長が９６０ｎｍ近辺のみの光を透過する干渉フィルタと減光目的のＮＤフィルタも同時に用いています。
　最初に撮影した映像なので、現象を明瞭にとらえることはできていません。この映像の説明のために、実際の生じているアーク溶接現象を模式図で示したのが、その下の図です。
　この撮影結果では、高温になって発光している部分のみ明瞭に撮影されており、溶融電極の先端位置と溶融池の位置などについての情報がはっきりとはしていません。溶接現象を明らかにするためには、撮影された画像データから、必要な映像情報を推定して抽出する画像処理が必要と考えました。
　右上図の映像は撮影したままの画像であり、欲しい情報を抽出する画像の強調処理をしていないために、背景領域がはっきりは判別できませんが、実際には右図に示すような状況になっています。
　次節以降では、白黒映像とカラー映像とを１画面に合成した映像を用いて、実際に生じているアーク溶接現象の特徴を紹介しています。また、アーク・溶滴・溶融池の挙動と電流・電圧・溶接音の時間変化の関係を明らかにするには、高速度撮影された動画像データを時系列映像にして表現することが効果的です。通常は、高速度で撮影された現象を、普通のビデオ速度（毎秒３０フレーム）で、スローモーションにして鑑賞します。また、一コマづつ並べて焼き付けた映像を観察します。これらの手法は、現象の理解には有効ですが、手間と時間が必要です。
　ビデオ映像は、各時間に撮影した２次元の画像データを、時間軸方向に積み重ねていく、立体的な（３次元＝ボクセル）データです。３次元データを理解するのは簡単ではありません。アーク現象の時間変化を簡単に理解する手法として、動画像データを時系列化し、二次元的に表現する手法を用いることにしました。
　具体的には、次のような方法を用いています。
１）この撮影をした時点では、高速度ビデオの性能はまださほど高くなく、価格も高く、データを格納するメモリも高価格で、撮影できる画像の解像度は２５６ｘ２５６ピクセル、撮影枚数も５１２枚程度でした。
２）このため、撮影した１２８ｘ１２８ピクセルの画像５１２枚を時系列処理して、時間的な変動を抽出しました。まず、水平軸及び鉛直軸で最高の輝度をピックアップし、その輝度をその時間の最高輝度として赤色で表示します。横軸が時間、縦軸が水平方向もしくは鉛直方向の最高輝度となります。
３）次に、溶接ワイヤのある直線状の線分近傍（５ピクセル程度）の輝度の最高値を、中心軸輝度として緑色で表示します。水平歩行の時刻暦画像の場合には、アークが発生している高さ領域の際高輝度をピックアップしています。
４）更に各水平軸及び鉛直軸の平均値を抽出し、その輝度を青色で表示しています。
　下の映像に、赤色系のみで表示した場合と、（２）−（４）で処理した輝度を３原色で表示した例を示しますので、上下の映像を比較して見ます。異なる特徴を異なる色で表示することにより、アークによる溶滴やアークあるいはスパッタがどのような挙動をしているのかについて理解することが可能となります。


　２台のカメラは右図のような配置となります。横方向から撮影したカラー高速度カメラのデータは各画素８ビットのデジタルデータで取得できます。後ろ方向のカラーカメラは、フォトロンから当時の最新高性能機種を春休み期間に拝借して、撮影しました。このため、時間に余裕をもって撮影することができました。それぞれのカメラの撮影速度は任意に設定できます。しかし、撮影後の解析のために、カラーと白黒画像とを同期して表示できるように、画素サイズと表示時刻間隔を調整しています。左右画像の大きさも出来るだけそろえるよう努力していますが、なかなか完全に一致させるには至っていません。
　最新の高速度ビデオ２台を用いて撮影すれば、もっと高解像度で、溶接状態に即した撮影速度で映像を取得できます。カラー画像を左側、白黒画像を疑似カラー表示した画像を右側に配置し、２画面表示の動画にしました。合成した右の画像か下線付きのこの文章をクリックすると、ユーチューブで動画が再生されます。また、下線付きのこの文章クリックすると、合成した２枚の画像のうち、左半分の高速度カラービデオ映像が４分３０秒ほど再生されます。
　これらのデータは私自身の高速度ビデオ撮影最初期の思いいれのある映像です。解像度や撮影速度及びデータ個数など当時の限られた条件で、最も効果的に溶接条件の微妙な相違がアーク移行状態に及ぼす影響を、分かりやすく理解するにはどうしたらよいのか知恵を絞って撮影しました。また、撮影結果を理解しやすい形式に表現するために、知恵を絞ってデータ処理した結果です。
　溶接現象は複雑系なので、高速度ビデオに深入りする気はあまりなかったのですが、何故複雑なのか、理解するうえでのヒントは無いかと考えて、やはり高速度ビデオできちんと観察するしかないと考えました。
　現時点で振り返ると撮影条件選定の不備や撮影技術の未熟さなど、多くの反省点が目に付きます。高速度ビデオを溶接現象の解析に使用することに踏み込んだ最初の頃のデータなので、あえて掲示しています。上に示した赤色系の時刻暦表示は、右図右側の映像最高輝度のみを表示した時刻暦表示です。白黒の熱画像を如何に理解しやすく表示するのかについても、まじめに考え始める契機となったビデオです。

次ページ　　　2016.7.1作成, 2026.01.21改定