基于機(jī)器視覺的電纜絕緣護(hù)套厚度測量系統(tǒng)的研究

謝莉杰

摘 要：傳統(tǒng)的電纜絕緣護(hù)套厚度測量方法存在繁瑣、速度慢、受人為因素影響大等缺點(diǎn)，本文針對(duì)這些缺點(diǎn)提出了一種新測量方法，設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器視覺的電線電纜絕緣護(hù)套測量系統(tǒng)。文中介紹了測量系統(tǒng)的組成，通過試驗(yàn)證明測量系統(tǒng)的測量精度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而且具有速度快、操作簡便、精度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高工作效率和檢測精度有重要的意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；圖像處理；厚度測量

中圖分類號(hào)：TM247 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

電線電纜質(zhì)量事關(guān)人身和財(cái)產(chǎn)安全，因此，電線電纜產(chǎn)品的檢測十分重要，而電纜絕緣護(hù)套厚度是其中一個(gè)重要的指標(biāo)。很多生產(chǎn)企業(yè)為了節(jié)約成本偷工減料或者生產(chǎn)工藝落后，控制不及時(shí)，總是出現(xiàn)絕緣護(hù)套偏心、厚度不足或厚度不均等現(xiàn)象。在GB/T 2951.11-2008《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法》中規(guī)定厚度測量裝置為：“讀數(shù)顯微鏡或放大倍數(shù)至少10倍的投影儀，兩種裝置讀數(shù)均應(yīng)至0.01mm?！边@種測量方法需要將待測的絕緣或護(hù)套投影儀上進(jìn)行投影，然后再對(duì)投影部分進(jìn)行手工測量。該方法測量過程枯燥、速度慢、精度不高且受人為因素影響大。近年來，機(jī)器視覺技術(shù)發(fā)展迅速，提高了很多領(lǐng)域的自動(dòng)化程度。于是本文提出了一種基于機(jī)器視覺的圖像檢測方法，通過攝像頭采集圖像，再進(jìn)行圖像處理和分析，即可得到我們需要的測量結(jié)果。機(jī)器視覺的檢測方法，不僅測量效率比人工測量高，而且測量準(zhǔn)確，讓檢驗(yàn)人員從枯燥的測量過程解放出來，大大降低了測量的勞動(dòng)強(qiáng)度和成本。目前，國內(nèi)尚無檢測機(jī)構(gòu)將機(jī)器視覺用于電線電纜絕緣護(hù)套尺寸的自動(dòng)檢測，因此急需研究新的電線電纜絕緣護(hù)套測量方法，開發(fā)電線電纜絕緣護(hù)套檢測系統(tǒng)。

2 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)主要由兩部分組成：硬件部分和軟件部分。硬件部分主要完成圖像采集工作，主要由攝像機(jī)、光學(xué)鏡頭、光源、計(jì)算機(jī)等組成；軟件部分主要完成圖像處理工作，主要以Matlab為工作平臺(tái)，通過軟件編程完成待測圖像的平滑濾波處理、二值化處理以及邊緣提取等圖像處理，實(shí)現(xiàn)待測樣品的尺寸測量和輸出。

2.1 硬件部分

2.1.1光學(xué)鏡頭

鏡頭是測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。選擇鏡頭時(shí)主要考慮成像面的焦距、倍率、景深、視角、工作范圍和接口等參數(shù)。在視覺檢測系統(tǒng)中，應(yīng)該選用畸變小的遠(yuǎn)心鏡頭。根據(jù)被測物體的特點(diǎn)，本測量系統(tǒng)中選用的鏡頭是由兩個(gè)基本鏡頭通過接口組合成的遠(yuǎn)心成像鏡頭。其中鏡頭型號(hào)：GCO-2304、GCO-2302，接頭型號(hào)：GCO-230204。

2.1.2攝像機(jī)

在檢測過程中，攝像機(jī)的任務(wù)就是將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，攝像機(jī)的選擇主要取決于檢測任務(wù)和工作條件。在本測量系統(tǒng)中，我們從成本、處理速度、實(shí)用性等方面考慮，選用的攝像機(jī)型號(hào)為UI1540-M。

2.1.3光源

被測物體所成像的質(zhì)量，在很大程度上依賴于其照明情況，因此光源的設(shè)計(jì)就成為了本測量系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。系統(tǒng)的重復(fù)性和精度受光源強(qiáng)度、光照穩(wěn)定性及均勻性的很大影響，其中任何一個(gè)細(xì)節(jié)出問題都有可能使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能得以成功。

（1）照明方式

在機(jī)器視覺照明系統(tǒng)中，最常用的照明方式有前向照明、背向照明和同軸光照明。視覺系統(tǒng)的照明通常以背向照明為主，可突出物體與背景間差別。當(dāng)需突出圖像中物體各部分間差別時(shí)，一般采用前向照明。綜上分析，本課題研究的是電纜絕緣護(hù)套尺寸測量，所以本系統(tǒng)采用背向照明。

（2）光源

目前在機(jī)器視覺系統(tǒng)中可以選用的光源主要有日光燈、白熾燈、水銀燈、鈉燈和LED光源等。LED光源功耗低，發(fā)光效率高，發(fā)熱少，壽命長，響應(yīng)速度快，亮度穩(wěn)定，運(yùn)行成本低，且可設(shè)計(jì)成不同形狀，是目前機(jī)器視覺中應(yīng)用最多的一種光源。所以，本系統(tǒng)選用LED光源。

2.2軟件部分

在本課題中，我們選用Matlab軟件為開發(fā)平臺(tái)，編寫程序完成圖像處理和尺寸測量工作，其中包括圖像預(yù)處理、圖像分割、邊緣檢測、系統(tǒng)標(biāo)定、尺寸測量、顯示測量結(jié)果等內(nèi)容。

2.2.1圖像處理

在機(jī)器視覺測量系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)是關(guān)系到系統(tǒng)測量準(zhǔn)確與否的一個(gè)重要原因。良好的圖像處理算法能減小硬件產(chǎn)生的影響。因此，在系統(tǒng)硬件確定的情況下，軟件算法的選擇非常重要，算法應(yīng)該盡量合理高效。在圖像處理部分，先對(duì)圖像進(jìn)行濾波和閾值分割處理，再用canny算子對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測，得到單像素邊緣，然后用最小二乘法提取亞像素邊緣，最后進(jìn)行絕緣護(hù)套的厚度參數(shù)測量。

2.2.2系統(tǒng)標(biāo)定

機(jī)器視覺測量系統(tǒng)是通過鏡頭采集的圖像來計(jì)算物體的實(shí)際尺寸的，因此需要建立圖像像素與實(shí)際長度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這里通過標(biāo)定已知尺寸的標(biāo)準(zhǔn)件來對(duì)測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，簡化了標(biāo)定過程。經(jīng)過計(jì)算，本測量系統(tǒng)標(biāo)定系數(shù)為0.01183。

3測量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

為了證明本文所設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)的可行性，我們選取一種常見的試樣進(jìn)行厚度測量試驗(yàn)，如圖1所示。用前面所述的處理方法對(duì)圖像進(jìn)行邊緣提取，如圖2所示。

在GB/T2951.11-2008中規(guī)定，這種形狀的試樣首先徑向?qū)ふ易畋↑c(diǎn)，然后大約間隔60°再測一點(diǎn)，共測量6點(diǎn)。該試樣通過本系統(tǒng)測得厚度平均值為0.9001mm。

將試樣用傳統(tǒng)的投影儀的測量方法進(jìn)行測量，得到平均值為0.901mm?？梢钥闯觯瑑烧卟钪禐?.0009mm，說明本系統(tǒng)測量精度較高。試驗(yàn)中整個(gè)程序運(yùn)行時(shí)間為11.750000s，而人工測量一片試樣大約需要5分鐘時(shí)間，由此可以看出，本系統(tǒng)大大縮短了檢測時(shí)間，使檢測速度得到很大提高。

結(jié)語

本文以電線電纜絕緣護(hù)套為對(duì)象，提出了一種新的測量方法，設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器視覺的電線電纜絕緣護(hù)套厚度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)是機(jī)、光、電一體化的智能化檢測產(chǎn)品，它將機(jī)器視覺的快速性、可靠性與圖像處理技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電線電纜絕緣護(hù)套的自動(dòng)測量。文中對(duì)測量系統(tǒng)的硬件組成和軟件算法進(jìn)行了分析和選擇，并且通過測量試驗(yàn)，證明該系統(tǒng)不僅測量速度快，而且避免了人為因素的影響，測量更加準(zhǔn)確，大大降低了測量的勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，具有重大應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)

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