萬(wàn)傳建

（中鐵十一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司 湖北武漢 430071）

1 引言

電纜作為鐵路建筑工程中的必要施工材料，是電力傳輸、信號(hào)傳輸?shù)妮d體。電纜質(zhì)量作為工程安全運(yùn)行的必要因素，隨著電纜產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展壯大，我國(guó)電纜生產(chǎn)能力出現(xiàn)過?，F(xiàn)象，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，行業(yè)生產(chǎn)集中度低，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)很難得到嚴(yán)格控制。目前，由于電纜生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)不少小規(guī)模企業(yè)，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中面臨越來越激烈的生存壓力，往往會(huì)出現(xiàn)不同程度、不同類型的偷工減料，以次充好。建設(shè)工程對(duì)電纜自身質(zhì)量要求較高，當(dāng)出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)電纜時(shí)，往往會(huì)帶來嚴(yán)重后果。項(xiàng)目施工管理過程中，多依靠送第三方抽樣檢查或者進(jìn)場(chǎng)材料驗(yàn)收等完成電纜的檢測(cè)。第三方抽樣檢查僅針對(duì)高壓電纜，進(jìn)場(chǎng)材料驗(yàn)收對(duì)電纜的外觀、絕緣性能等參數(shù)進(jìn)行人工檢查、測(cè)量，對(duì)電纜導(dǎo)體截面積缺乏有效的檢查方法［1－2］。

電纜檢測(cè)環(huán)節(jié)的導(dǎo)體截面積作為評(píng)估電纜質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，截止目前主要采用線徑測(cè)量法、稱重法和直流電阻法。線徑法主要適用于單徑、未絞合的電纜導(dǎo)體［3］。稱重法通過截取數(shù)米長(zhǎng)的電纜，通過稱重、測(cè)量導(dǎo)體長(zhǎng)度計(jì)算導(dǎo)體截面積。該方法屬于破壞性試驗(yàn)，截取的電纜長(zhǎng)度較大并且后期無(wú)法繼續(xù)使用，且稱重過程復(fù)雜，不適用于項(xiàng)目施工管理的電纜導(dǎo)體截面積測(cè)量。直流電阻法通過測(cè)量導(dǎo)體的直流電阻和導(dǎo)體長(zhǎng)度，計(jì)算得到導(dǎo)體截面積。本方法對(duì)電纜長(zhǎng)度的要求較高，如果電纜長(zhǎng)度和電纜導(dǎo)體截面積同比例變化，該方法無(wú)法有效判斷。

為了滿足項(xiàng)目施工管理中隨檢隨用的電纜合規(guī)性檢測(cè)需求，急需探求一種有效的截面積檢測(cè)方法，能快速無(wú)損地完成電纜導(dǎo)體截面積檢測(cè)。

2 機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)概述

機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事和醫(yī)療等領(lǐng)域的一種間接的測(cè)量技術(shù)，通過分析和處理圖像的信息準(zhǔn)確獲取被檢測(cè)物體的幾何參數(shù)、行為信息，可用于工件尺寸測(cè)量、損傷檢測(cè)、農(nóng)作物病蟲害檢測(cè)、地形偵察、遙感測(cè)繪、器官尺寸檢測(cè)、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域［4－6］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)正在向智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展，并且檢測(cè)精度、檢測(cè)效率逐步得到提高。

機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)以被檢測(cè)物體的數(shù)字圖像為測(cè)量對(duì)象，經(jīng)過圖像采集和圖像處理兩個(gè)關(guān)鍵過程，獲取被檢測(cè)對(duì)象的有效幾何參數(shù)和行為信息。圖像采集是將被檢測(cè)物體的投影轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別數(shù)字圖像的過程，獲取被檢測(cè)物體的高分辨率、低失真圖像。圖像處理通過圖像降噪、圖像分割和像素尺寸計(jì)算等過程，有效分離目標(biāo)和背景，對(duì)物體邊緣進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別［7］。機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)正在開展實(shí)時(shí)檢測(cè)、多光譜檢測(cè)及數(shù)字圖像處理算法等方面的研究［8］。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體端面的實(shí)時(shí)測(cè)量，提高截面積測(cè)量精度，項(xiàng)目組決定采用機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)測(cè)定電纜導(dǎo)體的截面積。

3 機(jī)器視覺檢測(cè)裝置研究

機(jī)器視覺檢測(cè)裝置由成像裝置、圖像處理系統(tǒng)組成。成像裝置包括補(bǔ)光系統(tǒng)、攝像頭、被測(cè)物夾具等結(jié)構(gòu)，完成高質(zhì)量圖像的采集，是導(dǎo)體端面截面積測(cè)量的基礎(chǔ)。圖像處理系統(tǒng)主要由圖像處理軟件和輔助設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體端面圖像處理，獲得電纜導(dǎo)體截面積（見圖1）。

3.1 成像裝置

成像裝置通過光學(xué)攝像頭、感光芯片、光源和固定夾具完成電纜導(dǎo)體截面的數(shù)字圖像獲取及轉(zhuǎn)換。電纜導(dǎo)體在光源照射下，經(jīng)過光學(xué)鏡頭成像，利用感光芯片將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過圖像采集卡轉(zhuǎn)變?yōu)橛行募?chǔ)存。

光學(xué)成像裝置由拍攝導(dǎo)體端面圖像的攝像頭、固定被測(cè)對(duì)象位置的定位螺栓、控制被測(cè)物到攝像頭距離的定距擋板、提供光源的補(bǔ)光燈和漫光板及鏡筒組成（見圖2）。

由補(bǔ)光燈和漫光板組成的補(bǔ)光系統(tǒng)是為了使被測(cè)目標(biāo)和背景產(chǎn)生明顯的區(qū)別，凸顯被測(cè)目標(biāo)的特征，采用發(fā)光二極管（LED）為被測(cè)物提供亮度穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、可加工度高的照明光源，提高成像質(zhì)量。經(jīng)試驗(yàn)，電纜導(dǎo)體截面積測(cè)量采取12個(gè)額定電壓5 V、額定功率50 mW的矩形補(bǔ)光燈，光照均勻、光線柔性度高，有效避免局部圖像過于明亮，影響圖像的對(duì)比度。被測(cè)物在補(bǔ)光燈下，導(dǎo)體呈鏡面光澤，與背景產(chǎn)生明顯的區(qū)別。

感光芯片是成像系統(tǒng)的主要部件，也是工業(yè)相機(jī)的成像部件，一般有電荷耦合型器件（CCD）和金屬氧化物器件（CMOS）兩類。其中，金屬氧化物器件（CMOS）因不需要額外配置圖像采集卡等傳統(tǒng)硬件而被廣泛應(yīng)用。CMOS采用寄生電容將每個(gè)像素轉(zhuǎn)換成電壓（模擬信號(hào)），減少了CCD傳感器中的信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，有效節(jié)約能耗。根據(jù)圖像像素需求，圖像處理算法的分割精度普遍達(dá)到0.5像素以內(nèi)，電纜導(dǎo)體截面積檢測(cè)以0.5像素進(jìn)行預(yù)設(shè)檢測(cè)系統(tǒng)。

電纜導(dǎo)體截面積檢測(cè)裝置檢測(cè)系統(tǒng)采用定焦鏡頭，能有效避免因?qū)拐`差造成的像素模糊。焦距增加能有效抑制成像畸變，考慮到裝置成本和測(cè)量精度需求，本裝置采用焦距為16 mm的鏡頭。

成像系統(tǒng)中導(dǎo)體端面與定距擋板貼合，由于定距擋板屬于活動(dòng)構(gòu)件，因此其與鏡筒光軸存在一定傾角，在成像時(shí)會(huì)引入傾斜誤差。為提升成像系統(tǒng)的有效性，減小成像誤差，定距擋板的傾角應(yīng)限制在一定范圍。

圖3中，A和B為成像系統(tǒng)物面（導(dǎo)體端面）和感光芯片的共軛面，物體的大小用L表示，H為理想物體所成像的大小，u為物距，v為像距，假設(shè)透鏡直徑為無(wú)窮小。

導(dǎo)體的端面與物面A可能會(huì)出現(xiàn)一定程度傾斜，假設(shè)傾斜角度為θ，對(duì)應(yīng)的像高為H′，相當(dāng)于一個(gè)高度為L(zhǎng)′的物體在A平面上所成像，L和L′的差即為傾角存在而形成的誤差。其相對(duì)誤差計(jì)算方法為：

將誤差用成像裝置光學(xué)參數(shù)表示，則：

顯然，δ隨L增大而增大。本文所述待測(cè)目標(biāo)最大直徑為15 mm，因此本文取L＝15 mm進(jìn)行分析，并繪制傾斜誤差δ隨傾角θ的函數(shù)圖像（見圖4）。限制傾斜誤差小于0.3%，傾角θ設(shè)計(jì)時(shí)不大于2°，即定距擋板與光軸的夾角不大于2°。

此外，鏡筒內(nèi)外徑、擋板尺寸、定位螺栓型號(hào)等固定夾具的結(jié)構(gòu)參數(shù)由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定，在正常測(cè)量時(shí)不影響測(cè)量精度。

3.2 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)主要由圖像處理算法軟件和軟件運(yùn)行的硬件組成。其中，軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)針對(duì)被測(cè)目標(biāo)圖像的邊緣、尺寸，進(jìn)行有效提取，進(jìn)而判定圖像的有效區(qū)域，利用局部區(qū)域自迭代聚類進(jìn)行快速初次分割和合并，統(tǒng)計(jì)銅線圈的個(gè)數(shù)或面積，從而準(zhǔn)確計(jì)算出電纜導(dǎo)體截面積（見圖5）。

本項(xiàng)目擬采用像素級(jí)圖像邊緣檢測(cè)算法和基于連通組元提取等流程，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體邊緣精確定位。圖像邊緣檢測(cè)通過圖像的灰度值變化準(zhǔn)確定位邊緣，通過一次求導(dǎo)運(yùn)算、二階倒數(shù)分別判定階躍型邊緣、斜坡形邊緣。本項(xiàng)目通過對(duì)比基于Laplace算子、LOG算子、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、小波變換、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和分形理論的圖像邊緣檢測(cè)方法對(duì)50 mm2緊壓絞合電纜截面進(jìn)行處理。邊緣檢測(cè)結(jié)果及處理時(shí)長(zhǎng)見圖6和表1。

表1 各類邊緣檢測(cè)算法處理時(shí)長(zhǎng)

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：Roberts、Sobel、Canny 算子檢測(cè)結(jié)果相似且相對(duì)準(zhǔn)確，但存在不少偽邊緣。LOG算子和Canny算子邊緣寬度約為一個(gè)像素，但LOG算子對(duì)噪聲十分敏感，Canny算子用時(shí)較長(zhǎng)。Otsu閾值分割與數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)結(jié)合的算法定位精度高，邊緣寬度約為兩個(gè)像素，對(duì)噪聲不敏感，檢測(cè)速度最快。本項(xiàng)目選取Otsu閾值分割與數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)相結(jié)合的檢測(cè)方法作為檢測(cè)系統(tǒng)的邊緣檢測(cè)方法。

圖像邊緣補(bǔ)償采用角點(diǎn)提取算法，提取導(dǎo)體相接觸形成的角點(diǎn)，通過角點(diǎn)將電纜輪廓拆解為不連續(xù)的弧段，每個(gè)弧段的兩端對(duì)應(yīng)兩個(gè)角點(diǎn)，提取每個(gè)弧段的像素點(diǎn)最小凸多邊形，剔除凸多邊形中角點(diǎn)弧長(zhǎng)所在的一邊，用剩余弧段代替原始弧段，依次將弧段連接，即可得到補(bǔ)償完成的輪廓，有效填補(bǔ)輪廓的缺損、修復(fù)粗糙的輪廓邊緣［9］。以50 mm2電纜導(dǎo)體輪廓為例展示邊緣補(bǔ)償流程，提取弧段AB，通過像素映射，獲取補(bǔ)償后的新弧段（見圖 7）。

通過以CPDA角點(diǎn)檢測(cè)為基礎(chǔ)算法，然后改進(jìn)了CPDA算法的全局角度計(jì)算方法，使其更適用于電纜導(dǎo)體輪廓。以50 mm2電纜導(dǎo)體輪廓為例進(jìn)行有效性驗(yàn)證，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，本項(xiàng)目提出的角點(diǎn)檢測(cè)算法能精確提取角點(diǎn)，通過有效補(bǔ)償消除邊緣缺損，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體輪廓的重構(gòu)（見圖8）。

4 機(jī)器視覺檢測(cè)試驗(yàn)

將圖像處理算法編寫為軟件，按照相機(jī)控制、圖像顯示、圖像處理、結(jié)果打印四個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)置。利用相機(jī)控制模塊控制導(dǎo)體端面圖像的采集，并顯現(xiàn)在裝置界面上；利用圖像處理模塊分離出電纜導(dǎo)體和背景，通過輪廓提取、降噪、邊緣補(bǔ)償、填充導(dǎo)體區(qū)域等完成電纜端面像素點(diǎn)的去噪、優(yōu)化；統(tǒng)計(jì)導(dǎo)體像素點(diǎn)數(shù)量，結(jié)合成像裝置原理計(jì)算導(dǎo)體實(shí)際面積（見圖9）。

以50 mm2電纜和150 mm2電纜為檢驗(yàn)對(duì)象驗(yàn)證機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性。

（1）截取50 mm2電纜和150 mm2電纜端面，采集電纜端面的高清圖像。

（2）采用機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行處理，處理得到的導(dǎo)體像素點(diǎn)記為n1，折算得到的面積記為s1。

（3）測(cè)定電纜的有效截面積，記為s2。測(cè)量方法為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 3048.2—2007規(guī)定的稱重法［10］。

兩種規(guī)格導(dǎo)體處理后得到的數(shù)據(jù)見表2和表3。

表2 50 mm2電纜測(cè)量結(jié)果

表3 150 mm2電纜測(cè)量結(jié)果

由表2和表3可知，50 mm2電纜的平均檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)為2.447 s，平均測(cè)量誤差為＋0.52%，最大測(cè)量誤差為＋0.94%；150 mm2電纜的平均檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)為3.735 s，平均測(cè)量誤差為－0.22%，最大測(cè)量誤差為－0.56%。經(jīng)試驗(yàn)可知，機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)在電纜導(dǎo)體截面積測(cè)量方面能達(dá)到較高精度，測(cè)量誤差小于1%。

5 結(jié)束語(yǔ)

電纜導(dǎo)體截面積是電纜質(zhì)量檢測(cè)的一個(gè)重要參數(shù)，本項(xiàng)目通過研究機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量出電纜導(dǎo)體截面積。經(jīng)過試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，基于機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)的電纜導(dǎo)體截面積測(cè)量方法在測(cè)量電纜導(dǎo)體截面積的最大相對(duì)誤差在1%以內(nèi)，檢測(cè)時(shí)間在5 s以內(nèi)，可有效滿足項(xiàng)目施工管理中對(duì)電纜導(dǎo)體的截面積測(cè)量要求，并具有較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)可操作性和可推廣應(yīng)用性。同時(shí)，可為電阻測(cè)量法、電容測(cè)量法判定電纜的合規(guī)性提供精準(zhǔn)的截面積參數(shù)［11］。