基于matlab的電纜絕緣護(hù)套厚度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝莉杰，吳啟震

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350002）

1 引言

隨著國(guó)家建設(shè)的快速發(fā)展，電線電纜產(chǎn)品被廣泛地用在各個(gè)建設(shè)領(lǐng)域中，成為一種不可缺少的生產(chǎn)資料。電線電纜產(chǎn)品質(zhì)量與人身財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，因此電線電纜產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)是非常關(guān)鍵的，而其中一項(xiàng)重要試驗(yàn)項(xiàng)目就是絕緣護(hù)套厚度測(cè)量。電線電纜絕緣護(hù)套厚度不合格可能導(dǎo)致電線電纜耐電氣強(qiáng)度降低、使用壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生擊穿，使絕緣護(hù)套起不到正常保護(hù)作用，從而發(fā)生電氣短路和火災(zāi)。然而很多生產(chǎn)企業(yè)對(duì)這些問(wèn)題并沒(méi)有足夠重視，沒(méi)有嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品往往是厚度太薄、厚度不均勻或嚴(yán)重偏心。究其原因，一是企業(yè)生產(chǎn)工藝落后，未能及時(shí)控制；二是企業(yè)的檢驗(yàn)技術(shù)不過(guò)關(guān)；三是企業(yè)通過(guò)偷工減料來(lái)降低成本。在GB/T 2951.11-2008[1]《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(cè)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。”這種測(cè)量方法是將待測(cè)試樣切片放在放大倍數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求的投影儀上進(jìn)行投影，再人工對(duì)陰影部分進(jìn)行測(cè)量。該方法測(cè)量精度不高、速度慢、過(guò)程繁瑣枯燥、受人的主觀因素影響大。最近幾年機(jī)器視覺(jué)技術(shù)快速發(fā)展，提高了很多領(lǐng)域的自動(dòng)化程度。于是文中提出了一種新的測(cè)量方法，試樣經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡頭在攝像機(jī)上聚焦成像，攝像機(jī)將其接收到的光學(xué)影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信息傳輸給計(jì)算機(jī)，然后用matlab進(jìn)行圖像處理，最后得到測(cè)量數(shù)據(jù)。機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)方法，不僅速度快，而且避免了人為因素的影響，數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，同時(shí)還減輕了檢驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)大部分檢測(cè)部門仍然采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法，且還沒(méi)有檢測(cè)機(jī)構(gòu)將matlab圖像處理用于電線電纜絕緣護(hù)套厚度測(cè)量。隨著電線電纜產(chǎn)品的檢測(cè)需求越來(lái)越大，為了提高電線電纜產(chǎn)品的檢測(cè)能力，更好為企業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)服務(wù)，需要研究新的電線電纜絕緣護(hù)套測(cè)量方法,開發(fā)電線電纜絕緣護(hù)套檢測(cè)系統(tǒng),提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高工作效率。

2 測(cè)量系統(tǒng)

文中設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分兩個(gè)部分組成。硬件部分由攝像機(jī)、光學(xué)鏡頭、光源、計(jì)算機(jī)等組成，完成圖像采集。軟件部分以matlab為工作平臺(tái)，編寫程序進(jìn)行圖像分析與處理，實(shí)現(xiàn)試樣的尺寸測(cè)量和輸出。

測(cè)量系統(tǒng)原理圖：

圖1 測(cè)量系統(tǒng)原理圖

2.1 硬件部分

2.1.1 攝像機(jī)

攝像機(jī)是測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在測(cè)量系統(tǒng)中起著重要的作用，它的選擇直接影響圖像的質(zhì)量，進(jìn)而影響后續(xù)的圖像識(shí)別。在檢測(cè)過(guò)程中，被攝物體經(jīng)過(guò)鏡頭聚焦到攝像機(jī)芯片上，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過(guò)USB接口將圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。按照?qǐng)D像傳感器的不同可將攝像機(jī)分為CCD攝像機(jī)和CMOS攝像機(jī)。在本測(cè)量系統(tǒng)中，我們選用德國(guó)UEye的UI-1540-M的CMOS攝像機(jī)，以滿足低成本，實(shí)用性強(qiáng)的設(shè)計(jì)原則。

2.1.2 光學(xué)鏡頭

光學(xué)鏡頭的功能是將待測(cè)樣品投影到攝像機(jī)的圖像傳感器上聚焦成像，成像質(zhì)量受鏡頭選擇的影響。光學(xué)鏡頭的主要參數(shù)有：焦距、景深、視角、分辨率等。焦距越大，視角越??；最小物距越長(zhǎng)，視野越小。一般情況下，盡量選用畸變小、視野大、最小物距近的鏡頭。同時(shí)，還應(yīng)注意鏡頭規(guī)格與攝像機(jī)的靶面尺寸相對(duì)應(yīng)。本測(cè)量系統(tǒng)選用畸變小的遠(yuǎn)心鏡頭。

2.1.3 光源

光源的好壞直接影響著圖像質(zhì)量，最后影響測(cè)量精度。良好的光源設(shè)計(jì)應(yīng)能增強(qiáng)對(duì)比度，減少圖像處理的難度。光源設(shè)計(jì)不好，就可能會(huì)引入噪聲，樣品成像失真，甚至導(dǎo)致最終測(cè)量結(jié)果不正確。課題的光源設(shè)計(jì)中主要考慮以下幾個(gè)方面：要完整真實(shí)地突出待測(cè)樣品特征；減少周圍環(huán)境光源干擾，提高信噪比；將感興趣部分和其他部分的灰度值差異加大，提高對(duì)比度；減少因?yàn)楣庹瘴恢貌划?dāng)和光照不均等原因造成的陰影。

2.1.3.1 照明方式

在機(jī)器視覺(jué)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。一般來(lái)說(shuō)，相同條件下，同軸光的照明效果不如背向照明的照明效果，而且同軸光源的價(jià)格要比背向光源高，所以對(duì)于尺寸測(cè)量，應(yīng)首先考慮背向光源[2]，背向照明可突顯出物體與背景間差別。綜上分析，課題研究的是電纜絕緣護(hù)套尺寸測(cè)量，所以本系統(tǒng)采用背向照明。

2.1.3.2 光源

目前在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中可以選用的光源主要有白熾燈、日光燈、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(zhǎng)，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(jué)中應(yīng)用最多的一種光源。所以，系統(tǒng)選用LED平行光源。

2.1.4 硬件系統(tǒng)搭建

課題系統(tǒng)硬件選擇方案為：攝像機(jī)采用德國(guó)Ueye UI-1540-M COMS攝像機(jī)，鏡頭采用GCO-2302、GCO-2304鏡頭，鏡頭接頭GCO-230204。試驗(yàn)搭建的硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)搭建

2.2 軟件部分

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用matlab為開發(fā)平臺(tái)，編寫程序完成圖像處理和尺寸測(cè)量工作，其中包括圖像預(yù)處理、圖像分割、邊緣檢測(cè)、系統(tǒng)標(biāo)定、尺寸測(cè)量等內(nèi)容。圖像處理流程如圖3所示。

圖3 圖像處理流程圖

測(cè)量系統(tǒng)界面如圖4所示。在攝像機(jī)采集完待測(cè)樣品圖像后，只需在測(cè)量系統(tǒng)界面輸入圖像名稱，選擇相應(yīng)的按鈕，測(cè)量結(jié)果就會(huì)在右側(cè)的圖框中顯示出來(lái)。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)界面圖

2.2.1 圖像處理

系統(tǒng)的測(cè)量精度很大程度上取決于軟件設(shè)計(jì)，硬件選擇對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響可以通過(guò)軟件算法來(lái)減少。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，應(yīng)該盡量選擇合理高效的算法。在實(shí)際的應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)計(jì)算量及精度要求來(lái)選擇適當(dāng)?shù)乃惴?。首先要?duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，目的是去除噪聲，提取感興趣的對(duì)象特征，同時(shí)又不損壞圖像邊緣等重要信息，這里選用的是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波法。其次通過(guò)閾值分割將目標(biāo)與背景區(qū)分開來(lái)，這里選用雙峰法。然后選擇合適的邊緣檢測(cè)算子提取圖像邊緣，考慮到算子的精度和速度，這里選擇canny算子。為了提高測(cè)量精度，在得到圖像單像素邊緣后，還需要提取亞像素邊緣，這里選用最小二乘法。最后對(duì)試樣厚度進(jìn)行測(cè)量。

2.2.2 系統(tǒng)標(biāo)定

測(cè)量系統(tǒng)是通過(guò)圖像來(lái)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(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但是鏡頭對(duì)物像是有縮放的，而且縮放倍數(shù)是未知的，因此需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。這里采用一種簡(jiǎn)單快速的標(biāo)定方法，只需標(biāo)定出圖像中的一個(gè)像素代表的實(shí)際物理尺寸，不需要標(biāo)定攝像系統(tǒng)參數(shù)，簡(jiǎn)化了標(biāo)定過(guò)程。

標(biāo)定時(shí)，用一個(gè)尺寸已知的標(biāo)準(zhǔn)件作為標(biāo)定參照物。讓測(cè)量系統(tǒng)處于正常的工作狀態(tài)，將標(biāo)準(zhǔn)件放在測(cè)量平臺(tái)上，先通過(guò)攝像機(jī)采集它的圖像，再對(duì)圖像進(jìn)行處理分析，通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)件在圖像中的像素?cái)?shù)來(lái)計(jì)算測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定系數(shù)。假設(shè)圖像中的像素?cái)?shù)為p（單位為pixel），物體實(shí)際尺寸為l(單位為mm），則圖像像素?cái)?shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)際尺寸的公式可表示為：

其中k=稱為標(biāo)定系數(shù)，單位為mm/pixel。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，本測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定系數(shù)為0.01179。

3 測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

下面通過(guò)測(cè)量試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證文中所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)的可行性。筆者選取2種常見的絕緣和護(hù)套作為測(cè)量試樣，如圖5所示為采集的試樣圖像，其中圖5（a）是型號(hào)為60227 IEC 01（BV）的絕緣圖像，圖5（b）是型號(hào)為60245 IEC 53(YZ)的圓形護(hù)套圖像。為了方便敘述，將這兩個(gè)試樣依次編號(hào)為1-2號(hào)。

圖5 試樣圖像

3.1 圖像預(yù)處理

這里選擇數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波法進(jìn)行濾波處理，然后用雙峰法對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割，以便區(qū)分目標(biāo)與背景。如圖6所示為1-2號(hào)試樣經(jīng)過(guò)閾值分割二值化后的圖像，其中對(duì)目標(biāo)與背景進(jìn)行了取反處理。

圖6 試樣二值化圖像

3.2 邊緣提取

這里選用canny算子對(duì)圖像進(jìn)行邊緣提取，結(jié)果如圖7所示，其中圖7（a）～（b）分別為1-2號(hào)試樣的邊緣圖像。

圖7 試樣邊緣圖像

3.3 厚度測(cè)量

首先介紹一下在標(biāo)準(zhǔn)中這兩種試樣的測(cè)量要求。

在GB/T 2951.11-2008[1]中規(guī)定，首先應(yīng)將試樣置于測(cè)量設(shè)備的工作面上，切面與光軸垂直。

（1）當(dāng)試樣內(nèi)側(cè)呈圓形時(shí)，應(yīng)按如圖8（a）所示徑向測(cè)量6點(diǎn)。

（2）當(dāng)試件內(nèi)側(cè)有導(dǎo)體造成很深的凹槽時(shí)，應(yīng)按圖8（b）在每個(gè)凹槽底部徑向測(cè)量。

圖8 試樣類型

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，對(duì)試樣的測(cè)量方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)于1號(hào)絕緣試樣測(cè)量方法：

（1）絕緣的外邊緣近似圓形，首先可以找到它的圓心，并且將直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)。

（2）以圓心為起點(diǎn)向外引射線，射線與絕緣的內(nèi)外邊緣相交，兩個(gè)交點(diǎn)之間的距離就是絕緣的厚度。

（3）每間隔1°向外引一條射線，找出絕緣的最薄厚度，即射線與絕緣內(nèi)外邊緣的兩個(gè)交點(diǎn)的最小距離。

（4）找到絕緣最薄處后，以這條射線為基準(zhǔn)，每間隔60°向外引射線，分別求出另外5處測(cè)量點(diǎn)的絕緣厚度。

（5）最后將測(cè)得的6個(gè)數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值，即為該片絕緣試樣的平均厚度。

測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 1號(hào)絕緣試樣厚度測(cè)量結(jié)果

用傳統(tǒng)的投影儀對(duì)1號(hào)試樣進(jìn)行測(cè)量，得到平均值為0.917mm。可以看出，用本系統(tǒng)測(cè)量的絕緣厚度平均值與投影儀的測(cè)量方法測(cè)得的厚度平均值的差值為0.0011mm，說(shuō)明本系統(tǒng)測(cè)量精度高。試驗(yàn)中整個(gè)程序僅運(yùn)行6.9秒，而投影儀法測(cè)量一片試樣需要7分鐘左右，顯然，用本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，大大縮短了檢測(cè)時(shí)間，檢測(cè)速度提升10倍。

對(duì)于2號(hào)護(hù)套試樣測(cè)量方法：

（1）護(hù)套的外邊緣近似圓形，首先可以找到它的圓心，并且將直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)。

（2）與1號(hào)絕緣試樣的測(cè)量方法類似，以圓心為起點(diǎn)向外引射線，射線與護(hù)套的內(nèi)外邊緣相交，兩個(gè)交點(diǎn)之間的距離就是護(hù)套的厚度。

（3）每間隔1°向外引一條射線，找出護(hù)套的最薄厚度，即射線與護(hù)套內(nèi)外邊緣的兩個(gè)交點(diǎn)的最小距離。

（4）找到護(hù)套最薄處后，以這條射線為基準(zhǔn)，每間隔120°向外引射線，分別求出另外2處測(cè)量點(diǎn)的護(hù)套厚度。

（5）最后將測(cè)得的3個(gè)數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值，即為該片護(hù)套試樣的平均厚度。

結(jié)果如表2所示。

表2 2號(hào)護(hù)套試樣厚度測(cè)量結(jié)果

將2號(hào)護(hù)套試樣用投影儀的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，得到平均值為0.883mm?？梢钥闯?，用本系統(tǒng)測(cè)量的護(hù)套厚度平均值與投影儀的測(cè)量方法測(cè)得的厚度平均值的差值為0.0005mm，整個(gè)程序運(yùn)行7.3秒。

通過(guò)以上2個(gè)試樣的測(cè)量試驗(yàn)可以看出，文中設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的投影儀法測(cè)得的結(jié)果最大相差0.0011mm，精度滿足要求。每片試樣測(cè)量所需時(shí)間大約為幾秒，與人工測(cè)量相比，大大縮短了檢測(cè)時(shí)間，提高了檢測(cè)速度，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以電線電纜絕緣護(hù)套厚度測(cè)量為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套基于matlab的電線電纜絕緣護(hù)套測(cè)量系統(tǒng)。文中對(duì)測(cè)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(guò)測(cè)量試驗(yàn)，證明該系統(tǒng)不僅測(cè)量速度快，而且精度高，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]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[S].北京：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).

[2]李俊.機(jī)器視覺(jué)照明光源關(guān)鍵技術(shù)研究：[碩士學(xué)位論文]，天津：天津理工大學(xué)，2006.