線纜絕緣和護(hù)套幾何參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計

董輝平，謝娟敏，沈奶連

(上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

電線電纜以及光纜在工業(yè)、航天、軍事、民用、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面均有廣泛的應(yīng)用。針對其絕緣和護(hù)套外形尺寸的測量，在IEC 60811、GB/T 2951.11均有明確規(guī)定。其推薦測量方法包括:指針式測厚儀、顯微鏡和投影儀，這些傳統(tǒng)方法人為參與相對較多，測量工作量大、繁瑣，準(zhǔn)確性差異大。

基于光學(xué)成像、圖像處理［1］、識別［2-3］和機(jī)器視覺等方法形成的一種新型檢測技術(shù)，很好地克服了前述傳統(tǒng)測量方法的缺點(diǎn)。這種新型檢測技術(shù)需提供的電纜切片樣品，與手工測量樣品一樣，其內(nèi)部邊緣常有絞合導(dǎo)體剝離后留下的凹痕。對此，傳統(tǒng)基于邊緣的圖像分析，已無法準(zhǔn)確定位測量層的邊緣位置。因此，本設(shè)計提出基于圖像分割的圖象分析方法，實(shí)現(xiàn)陰影與層本體的準(zhǔn)確分離。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 測試原理

該全自動測試系統(tǒng)是基于光學(xué)成像、圖像處理、識別和機(jī)器視覺等方法而形成的。系統(tǒng)硬件主要包括視覺照明、光學(xué)成像、視覺控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，軟件圖像處理中，采用多次平均、插值、亞像素化［1］等方法，可以使計算結(jié)果的精度高于物理分辨率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

此測試原理可使整個測試過程中人為干預(yù)很少，且非常簡便:將切割好的電纜絕緣和護(hù)套放置在測試平臺上，通過光學(xué)成像系統(tǒng)，自動完成圖像識別后，由主機(jī)軟件完成圖像處理，最終獲取絕緣和護(hù)套的幾何參數(shù)。

1.2 系統(tǒng)硬件

ISG電纜絕緣和護(hù)套幾何參數(shù)全自動測試系統(tǒng)硬件架構(gòu)由以下幾個模塊組成:光學(xué)成像模塊、光學(xué)照明系統(tǒng)、光源控制模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接模塊。

光學(xué)成像模塊由多個光學(xué)鏡頭和相機(jī)(CCD)組合而成。光學(xué)照明系統(tǒng)盡可能清晰地體現(xiàn)待測件的外形參數(shù)，減少待測件其它不必要的可見特征。另外，為了檢測方便，亮度流明控制通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)恒流程控。光源控制模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接模塊則為光學(xué)和照明系統(tǒng)提供便捷的上位機(jī)接口。

1.3 測試軟件算法

電纜切片樣品，厚度小于2 mm，內(nèi)部邊緣常有絞合導(dǎo)體剝離后留下的凹痕。對此，傳統(tǒng)的基于邊緣的圖像分析，已無法準(zhǔn)確定位測量層的邊緣位置。因此，本系統(tǒng)設(shè)計提出基于圖像分割的圖象分析方法，實(shí)現(xiàn)陰影與層本體的準(zhǔn)確分離。

任何一種常用的圖像分割算法，如:分水嶺分割、聚類分割(包括K means，模糊聚類，基于核的模糊聚類)［3］、均值漂移(Mean Shift)［4］、圖割(Graph cut包括Min-Cut，N-Cut，R-Cut等)和活動等值線等方法［1，4-5］，都不能有效地實(shí)現(xiàn)電纜切面圖像的分割。因此，本設(shè)計采用多層級的圖像分割方法來實(shí)現(xiàn)電纜截面圖像分析?？紤]工程應(yīng)用的實(shí)際，并針對傳統(tǒng)V.S.分水嶺算法存在的過分割現(xiàn)象［6-7］，提出一種基于脊線的層級分水嶺算法。通過對傳統(tǒng)V.S.分水嶺算法中浸沒過程的適當(dāng)改進(jìn)，找到完整無冗余的區(qū)域脊線;再次修改浸沒過程，僅對脊線進(jìn)行多級迭代的分水嶺再分割，即可完成區(qū)域分割。

2 測試結(jié)果

基于上述的新型圖像處理算法，針對不同的電纜截面，我們進(jìn)行了大量的論證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示:以這種新型算法為基礎(chǔ)的圖像處理技術(shù)，非常適合電纜截面測量的工程實(shí)際應(yīng)用。圖2顯示了基于新型算法的測試系統(tǒng)所支持的常見電纜截面類型圖。這些類型截面的樣品，其測試結(jié)果均能達(dá)到或優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)所要求的精度。且在實(shí)際測試過程中，測試過程為自動完成，大大減少了人為干預(yù)的程度。測試速度和測試結(jié)果的一致性也得到了更高的保證。圖3為測試系統(tǒng)自動生成的測試結(jié)果及測試報告。

測試結(jié)果的準(zhǔn)確性與合理性是判斷系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵所在。對此我們分別進(jìn)行了準(zhǔn)確性測試驗(yàn)證。在準(zhǔn)確性測試驗(yàn)證中，我們選用標(biāo)定件A和標(biāo)定件B來檢測測試系統(tǒng)。標(biāo)定件A和標(biāo)定件B如圖4和圖5所示，可以達(dá)到±1μm的精度。

圖2 常見電纜截面類型圖

圖3 測試結(jié)果及測試報告

圖4 標(biāo)定件A樣板圖示

表1和表2中分別列出了標(biāo)準(zhǔn)件A和標(biāo)準(zhǔn)件B的測試結(jié)果。從表1中的測試數(shù)據(jù)可以看出，對于大于100 mm直徑的標(biāo)準(zhǔn)件，其測試精度達(dá)到±0.039 mm。從表2可以看出，對于小于25 mm直徑的標(biāo)準(zhǔn)件，其測試精度達(dá)到±0.005 mm。對于大于25 mm小于48 mm直徑的標(biāo)準(zhǔn)件，其測試精度達(dá)到±0.0017 mm。均小于標(biāo)準(zhǔn)要求的±0.01 mm。測試結(jié)果也說明:該測試系統(tǒng)的測試精度(平均值－實(shí)際值)可以達(dá)到IEC 60811、GB/T 2951.11標(biāo)準(zhǔn)值更高的水平，完全可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的絕緣和護(hù)套幾何參數(shù)實(shí)際測量的要求。

圖5 標(biāo)定件B樣板圖示

表1 標(biāo)準(zhǔn)件A準(zhǔn)確性測試結(jié)果(單位:mm)

表2 標(biāo)準(zhǔn)件B準(zhǔn)確性測試結(jié)果 (單位:mm)

3 結(jié)束語

ISG電纜絕緣和護(hù)套幾何參數(shù)全自動測試系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)光電纜絕緣及護(hù)套厚度和外形尺寸測試的專用高精密儀器。系統(tǒng)采用數(shù)字圖像測量技術(shù)和模式識別系統(tǒng)，采用非接觸圖像處理，采用高精度CCD攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)了被測樣品測試參數(shù)的自動測量。具有測試速度快、人性化、自動化、測試準(zhǔn)確、系統(tǒng)穩(wěn)定及操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)不僅可提供測試電纜、光纜的絕緣和護(hù)套材料的厚度、外徑參數(shù)。同時，系統(tǒng)還可以給出絕緣和護(hù)套材料的橢圓度、同心度、內(nèi)徑、面積、顏色比等參數(shù)。目前，已有多個用戶應(yīng)用該套測試系統(tǒng)，運(yùn)行情況良好。

［1］Gonzalez R.C，Woods R.E.阮秋琦，阮宇智譯.數(shù)字圖像處理(第二版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

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