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        圖像處理技術(shù)在電纜絕緣層參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2010-06-26 10:29:10范洪欣周保華江守和李海波于仕超劉慧璋王金紅
        電線電纜 2010年4期
        關(guān)鍵詞:絕緣層一致性邊緣

        范洪欣, 周保華, 江守和, 李海波, 于仕超, 劉慧璋, 王金紅

        (1.機(jī)械工業(yè)電線電纜專用測(cè)試設(shè)備檢測(cè)中心,上海200093;2.山東出入境檢驗(yàn)檢疫局,山東青島266002;3.山東濱化集團(tuán),山東濱州256619)

        0 引言

        眾所周知,電線電纜已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中。電線電纜的產(chǎn)品質(zhì)量一旦出現(xiàn)問(wèn)題,就會(huì)嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)活動(dòng),甚至給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失。因此,電線電纜產(chǎn)品的檢測(cè)至關(guān)重要。GB/T 2951.1規(guī)定了電纜絕緣和護(hù)套材料厚度和外形尺寸的測(cè)量方法,目前檢測(cè)部門(mén)對(duì)電纜絕緣層厚度等尺寸的測(cè)量仍然采用傳統(tǒng)的基于低倍投影儀的測(cè)量方法。這種傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法操作非常繁瑣,并且后期數(shù)據(jù)處理更是加重了勞動(dòng)強(qiáng)度,工作效率比較低。

        隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,測(cè)量精度、測(cè)量效率以及測(cè)量的自動(dòng)化程度等要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)很難適應(yīng)這種新的要求,甚至有些場(chǎng)合的測(cè)量成為傳統(tǒng)檢測(cè)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的難題。因此,探索一種新的檢測(cè)技術(shù)和方法,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。在這種背景下,將數(shù)字圖像處理應(yīng)用到精密測(cè)量領(lǐng)域的數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生,并已運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)生活中[1]。本文將傳統(tǒng)的光學(xué)方法和數(shù)字圖像檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計(jì)出基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的電纜絕緣層參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個(gè)主要部分。硬件系統(tǒng)包括CCD攝像頭、顯微鏡、計(jì)算機(jī);軟件部分以VC++6.0為工具,設(shè)計(jì)出清晰、方便的電纜絕緣層圖像處理操作界面。

        1 工作原理

        圖像測(cè)量是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的測(cè)量技術(shù),它利用獲取的物體圖像,經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的幾何尺寸、形狀的測(cè)量。本系統(tǒng)主要通過(guò)CCD攝像頭采集被測(cè)電纜絕緣層圖像,并利用計(jì)算機(jī)對(duì)當(dāng)前的圖像進(jìn)行定標(biāo)及識(shí)別,硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。定標(biāo)就是對(duì)含有標(biāo)準(zhǔn)刻度單位的標(biāo)準(zhǔn)尺(最小刻度為0.01 mm的校正刻度尺)進(jìn)行標(biāo)定,計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)尺被顯微鏡放大的倍數(shù),即后續(xù)電纜絕緣切片的放大倍數(shù)。

        圖1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

        測(cè)量系統(tǒng)的大致工作流程如下:(1)將標(biāo)準(zhǔn)尺放置于光學(xué)顯微鏡的載物臺(tái)上,利用系統(tǒng)軟件對(duì)顯微鏡放大倍數(shù)進(jìn)行在線標(biāo)定,圖2為系統(tǒng)標(biāo)定的界面;(2)移去標(biāo)準(zhǔn)尺,將切好的片狀電纜絕緣層的切面放于載物臺(tái)上,利用圖像采集裝置對(duì)切片進(jìn)行圖像采集,存于計(jì)算機(jī)中;(3)系統(tǒng)對(duì)采集到的切片圖像經(jīng)預(yù)處理、邊緣檢測(cè)處理后,得到電纜絕緣層圖像的邊界輪廓圖,根據(jù)標(biāo)定的放大倍數(shù)計(jì)算出待測(cè)電纜絕緣層的厚度等參數(shù)。

        圖2 系統(tǒng)標(biāo)定的界面

        2 圖像處理

        2.1 圖像去噪

        一幅圖像可能受到各種噪聲源的干擾,如電傳感器噪聲、相片顆粒噪聲和信道傳輸誤差噪聲等[2]。為減小噪聲的影響,必須對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。中值濾波是常用的非線性濾波方法,它既可以有效地抑制噪聲,又可以降低圖像邊緣模糊度,使邊緣輪廓得到保護(hù)。

        中值濾波是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線性平滑技術(shù),其基本原理是將數(shù)字圖像或數(shù)字序列中的每一像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為該點(diǎn)某領(lǐng)域窗口內(nèi)的所有像素點(diǎn)灰度值的中值[3]。其實(shí)現(xiàn)方法是:

        (1)通過(guò)從圖像中的某個(gè)采樣窗口取出奇數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序;

        (2)用排序后的中值取代要處理的數(shù)據(jù)。

        滑動(dòng)窗口又稱為模板,在實(shí)際中所使用的模板大小為奇數(shù),如3×3,5×5,7×7,9×9,11×11等,模板系數(shù)一般取1。中值濾波的處理過(guò)程可以用下面的數(shù)學(xué)公式表示。

        設(shè)二維圖像的像素灰度集合為{Xi,j(i,j)∈Z2},Z2是二維整數(shù)集。對(duì)于大小為A=m×n(含奇數(shù)個(gè)像素)的窗口內(nèi)的像素值中值定義為:

        式中,Yi,j表示排序后的中值;A為采樣窗口;X為窗口中所有像素點(diǎn)。上式表示把窗口內(nèi)的奇數(shù)個(gè)像素按灰度值大小排列,取中間像素值賦給Yi,j,然后以Yi,j取代二維窗口A中的中心像素值作為中值濾波的輸出。在圖像上該窗口從左到右、從上到下移動(dòng)。

        圖3 中值濾波處理后的效果圖

        分別取3×3、5×5、7×7的模板對(duì)原始圖橡進(jìn)行中值濾波處理,效果如圖3所示。由圖中可知,中值濾波對(duì)與周圍像素灰度值差別較大的像素不太敏感,從而可以消除孤立的噪聲點(diǎn),又可以讓圖像產(chǎn)生較少的模糊,使圖像的細(xì)節(jié)保持清楚。

        2.2 圖像二值化

        二值圖像是一種所有像素值只能在兩種可能的離散值中取一的圖像,也稱為黑白圖像。因?yàn)槎祱D像的像素值只有0和1,而灰度圖像的像素值范圍是0~255,所以需要對(duì)CCD攝像頭采集到的灰度圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換,在轉(zhuǎn)換時(shí)選擇一個(gè)閾值[4],定義大于此閾值的像素值為1,小于此閾值的像素值為0。

        而閾值的選擇就顯得至關(guān)重要,選擇不當(dāng)則可能將被測(cè)物上的信息歸于背景或?qū)⒈尘吧系男畔w于被測(cè)物。為了使查找的邊緣更理想,本文采用迭代法計(jì)算圖像二值化的閾值。具體步驟如下:

        (1)根據(jù)圖像的灰度直方圖選擇閾值的初值為T(mén);

        (2)利用閾值T將圖像分割成兩個(gè)區(qū)域R1和R2;

        (3)分別計(jì)算出區(qū)域R1和R2的均值u1和u2;

        (4)求出新的閾值T=(u1+u2)/2;

        (5)重復(fù)(2)~(4),直到均值u1和u2恒定不變,這時(shí)所得到的T就是二值化處理所需要的閾值。

        圖4為圖像二值化處理后的效果圖。由圖4可知,采用迭代法對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理效果較好,且目標(biāo)圖像很容易從背景圖像中區(qū)分出來(lái)。

        圖4 圖像二值化處理后的效果圖

        2.3 邊緣檢測(cè)

        任何一幅圖像都包含著豐富的圖像信息,對(duì)于圖像處理而言,如何提取這些信息并找出其中的特征就顯得十分關(guān)鍵[5]。邊緣檢測(cè)是圖像分割、目標(biāo)區(qū)域識(shí)別、區(qū)域形狀提取等圖像分析領(lǐng)域中十分重要的基礎(chǔ),在數(shù)字圖像處理的過(guò)程中占有十分重要的地位。因?yàn)檫吘壥菆D像所要提取的目標(biāo)和背景的分界線,只有提取出了邊緣才能將背景和目標(biāo)區(qū)分開(kāi)來(lái)。因此,邊緣檢測(cè)方法對(duì)于本測(cè)量系統(tǒng)至關(guān)重要。本文將基于相位信息的圖像邊緣檢測(cè)方法——相位一致性方法應(yīng)用到電纜絕緣層測(cè)量系統(tǒng)中,并進(jìn)行驗(yàn)證。

        相位一致性是指將圖像傅立葉分量相位最一致的點(diǎn)作為特征點(diǎn),它能夠通過(guò)觀察相位一致性高的點(diǎn)檢測(cè)到階躍特征、線特征以及屋頂特征等亮度特征。設(shè)一維信號(hào)為F(x),則其傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)為:

        式中,An表示第n次諧波余弦分量的幅值;ω為常數(shù);λ為第n次分量的相位偏移量;函數(shù)n(x)表示x點(diǎn)的傅立葉分量的局部相位。Morrone和Owens定義了相位一致性函數(shù)如下:

        雖然利用相位一致性檢測(cè)邊緣信號(hào)效果可以,但是計(jì)算過(guò)程卻異常的復(fù)雜。因此,Venkatesh和Owens在局部能量模型的基礎(chǔ)上通過(guò)搜索局部能量函數(shù)的峰值來(lái)得到相位高度一致的位置,即局部能量函數(shù)正比于相位一致性。將相位一致性邊緣檢測(cè)方法運(yùn)用到本系統(tǒng)的圖像邊緣檢測(cè)環(huán)節(jié)中,并與傳統(tǒng)的邊緣檢測(cè)算法——Sobel算子進(jìn)行對(duì)比。從圖5的邊緣檢測(cè)結(jié)果可以看出,Sobel算子檢測(cè)效果不理想,在亮度變化不劇烈的情況下,得到的結(jié)果甚至可能出現(xiàn)同一個(gè)物體兩側(cè)各有一個(gè)邊緣的情況?;谙辔灰恢滦缘倪吘墮z測(cè)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題??梢钥闯隼孟辔灰恢滦蕴崛〉木€條細(xì)膩且封閉性好,更便于后續(xù)的參數(shù)測(cè)量與計(jì)算。而且對(duì)于對(duì)比度不同的原始圖像,利用相位一致性檢測(cè)的邊緣效果圖明顯比Sobel算子好。所以本課題采用相位一致性的方法來(lái)提取邊緣輪廓。

        圖5 Sobel算子與相位一致性邊緣檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

        3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

        GB/T 2951.1—1997[6]中電線電纜絕緣厚度的測(cè)量方法具體操作步驟如下:

        (1)將電纜絕緣層置于符合規(guī)定的測(cè)量設(shè)備的試驗(yàn)臺(tái)上,切面與光軸相垂直。

        (2)測(cè)出試片厚度的最薄點(diǎn),作為第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

        (3)當(dāng)絕緣試片內(nèi)表面呈現(xiàn)如圖6形狀的絞合線芯線痕時(shí),各點(diǎn)上的厚度應(yīng)按在線痕的凹槽底部最薄處,沿試片圓周盡可能等距離測(cè)量6點(diǎn)。

        圖6 電纜絕緣層的截面圖

        (4)當(dāng)絕緣的內(nèi)外屏蔽層不能去除時(shí),屏蔽層的厚度應(yīng)從測(cè)量值中扣除。

        (5)測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)精確到小數(shù)點(diǎn)兩位,以mm計(jì)。絕緣標(biāo)稱厚度小于0.5 mm時(shí),則讀數(shù)應(yīng)取小數(shù)點(diǎn)三位,第三位為估計(jì)數(shù)。

        根據(jù)以上步驟,設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的處理,其原理如下:搜索整個(gè)電纜絕緣層封閉邊緣,得到多組等分的內(nèi)外邊緣之差,比如每1°得到1組邊緣之差,共360組,比較得出最小值,此值即為絕緣厚度最薄處,并以此值為起點(diǎn),找出其他5組邊緣之差,并將其轉(zhuǎn)換為以毫米為計(jì)量單位的長(zhǎng)度。根據(jù)已獲得的顯微鏡放大倍數(shù),即電纜絕緣層圖像放大倍數(shù)k,求得電纜絕緣層真實(shí)的物理長(zhǎng)度,6組數(shù)據(jù)求平均值便得到電纜絕緣層厚度的平均值。并將所測(cè)數(shù)據(jù)以word形式輸出,系統(tǒng)測(cè)量界面如圖7所示。

        圖7 電纜絕緣層的截面和系統(tǒng)測(cè)量界面

        對(duì)于特殊形狀的電纜絕緣層,如雙芯絕緣層電纜,本系統(tǒng)還提供了手動(dòng)測(cè)量功能,且手動(dòng)方式與自動(dòng)方式可自由切換。圖7中數(shù)據(jù)輸出部分如表1所示。

        表1 數(shù)據(jù)輸出結(jié)果(單位:mm)

        使用電纜絕緣層測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量電纜絕緣參數(shù),操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高,較好地避免了人為主觀因素的影響。通過(guò)多次試驗(yàn)結(jié)果分析可知,與原始測(cè)量方法相比,基于數(shù)字圖像處理的電纜絕緣層參數(shù)測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量精度得到進(jìn)一步提高,能夠滿足誤差不超過(guò)0.01 mm的規(guī)定。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        目前,原始檢測(cè)法仍然被用在電纜絕緣層參數(shù)測(cè)量中,存在測(cè)量精度低、處理數(shù)據(jù)慢等特點(diǎn)。本文將傳統(tǒng)的光學(xué)方法和基于數(shù)字圖像處理的測(cè)量技術(shù)相結(jié)合,選取適當(dāng)?shù)碾娎|絕緣層切片進(jìn)行測(cè)試,成功設(shè)計(jì)出一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的電纜絕緣層參數(shù)測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了電纜絕緣層厚度等參數(shù)的非接觸測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明,本系統(tǒng)測(cè)量速度快、精準(zhǔn)度高,能夠有效地實(shí)現(xiàn)電纜絕緣層參數(shù)測(cè)量。

        [1]張紅娜,王 祁.圖像測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表,2003,40(7):19-22.

        [2]陳書(shū)海,傅錄祥.實(shí)用數(shù)字圖像處理[M].北京:科學(xué)出版社,2005.147-150.

        [3]張桂華,陸衛(wèi)東.圖像處理中的中值濾波的實(shí)現(xiàn)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,25(4):500-502.

        [4]胡學(xué)龍,許開(kāi)宇.數(shù)字圖像處理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.137-139.

        [5]左 飛,萬(wàn)晉森,劉 航.Visual C++數(shù)字圖像處理開(kāi)發(fā)入門(mén)與編程實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.326-333.

        [6]GB/T 2951.1—1997 電纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法[S].

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