基于matlab的电缆绝缘护套厚度测量系统的设计与实现

2015-12-19谢莉杰吴启震

质量技术监督研究 2015年3期

谢莉杰，吴启震

（福建省产品质量检验研究院，福建福州 350002）

1 引言

随着国家建设的快速发展，电线电缆产品被广泛地用在各个建设领域中，成为一种不可缺少的生产资料。电线电缆产品质量与人身财产安全息息相关，因此电线电缆产品质量检验是非常关键的，而其中一项重要试验项目就是绝缘护套厚度测量。电线电缆绝缘护套厚度不合格可能导致电线电缆耐电气强度降低、使用寿命缩短，严重时可能发生击穿，使绝缘护套起不到正常保护作用，从而发生电气短路和火灾。然而很多生产企业对这些问题并没有足够重视，没有严格按照国家标准生产，生产出来的产品往往是厚度太薄、厚度不均匀或严重偏心。究其原因，一是企业生产工艺落后，未能及时控制；二是企业的检验技术不过关；三是企业通过偷工减料来降低成本。在GB/T 2951.11-2008[1]《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法》中规定厚度测量装置为：“读数显微镜或放大倍数至少10倍的投影仪，两种装置读数均应至0.01mm。”这种测量方法是将待测试样切片放在放大倍数符合标准要求的投影仪上进行投影，再人工对阴影部分进行测量。该方法测量精度不高、速度慢、过程繁琐枯燥、受人的主观因素影响大。最近几年机器视觉技术快速发展，提高了很多领域的自动化程度。于是文中提出了一种新的测量方法，试样经过光学镜头在摄像机上聚焦成像，摄像机将其接收到的光学影像转换为数字图像信息传输给计算机，然后用matlab进行图像处理，最后得到测量数据。机器视觉的检测方法，不仅速度快，而且避免了人为因素的影响，数据更加准确，同时还减轻了检验人员的劳动强度。

据了解，目前国内大部分检测部门仍然采用传统的测量方法，且还没有检测机构将matlab图像处理用于电线电缆绝缘护套厚度测量。随着电线电缆产品的检测需求越来越大，为了提高电线电缆产品的检测能力，更好为企业生产提供技术服务，需要研究新的电线电缆绝缘护套测量方法,开发电线电缆绝缘护套检测系统,提高检测结果的准确性，提高工作效率。

2 测量系统

文中设计的测量系统主要由硬件部分和软件部分两个部分组成。硬件部分由摄像机、光学镜头、光源、计算机等组成，完成图像采集。软件部分以matlab为工作平台，编写程序进行图像分析与处理，实现试样的尺寸测量和输出。

测量系统原理图：

图1 测量系统原理图

2.1 硬件部分

2.1.1 摄像机

摄像机是测量系统的关键部件，在测量系统中起着重要的作用，它的选择直接影响图像的质量，进而影响后续的图像识别。在检测过程中，被摄物体经过镜头聚焦到摄像机芯片上，经A/D转换后通过USB接口将图像传输到计算机中。按照图像传感器的不同可将摄像机分为CCD摄像机和CMOS摄像机。在本测量系统中，我们选用德国UEye的UI-1540-M的CMOS摄像机，以满足低成本，实用性强的设计原则。

2.1.2 光学镜头

光学镜头的功能是将待测样品投影到摄像机的图像传感器上聚焦成像，成像质量受镜头选择的影响。光学镜头的主要参数有：焦距、景深、视角、分辨率等。焦距越大，视角越小；最小物距越长，视野越小。一般情况下，尽量选用畸变小、视野大、最小物距近的镜头。同时，还应注意镜头规格与摄像机的靶面尺寸相对应。本测量系统选用畸变小的远心镜头。

2.1.3 光源

光源的好坏直接影响着图像质量，最后影响测量精度。良好的光源设计应能增强对比度，减少图像处理的难度。光源设计不好，就可能会引入噪声，样品成像失真，甚至导致最终测量结果不正确。课题的光源设计中主要考虑以下几个方面：要完整真实地突出待测样品特征；减少周围环境光源干扰，提高信噪比；将感兴趣部分和其他部分的灰度值差异加大，提高对比度；减少因为光照位置不当和光照不均等原因造成的阴影。

2.1.3.1 照明方式

在机器视觉照明系统中，最常用的照明方式有前向照明、背向照明和同轴光照明。一般来说，相同条件下，同轴光的照明效果不如背向照明的照明效果，而且同轴光源的价格要比背向光源高，所以对于尺寸测量，应首先考虑背向光源[2]，背向照明可突显出物体与背景间差别。综上分析，课题研究的是电缆绝缘护套尺寸测量，所以本系统采用背向照明。

2.1.3.2 光源

目前在机器视觉系统中可以选用的光源主要有白炽灯、日光灯、水银灯、钠灯和LED光源等。LED光源功耗低，发光效率高，发热少，寿命长，响应速度快，亮度稳定，运行成本低，且可设计成不同形状，是目前机器视觉中应用最多的一种光源。所以，系统选用LED平行光源。

2.1.4 硬件系统搭建

课题系统硬件选择方案为：摄像机采用德国Ueye UI-1540-M COMS摄像机，镜头采用GCO-2302、GCO-2304镜头，镜头接头GCO-230204。试验搭建的硬件系统如图2所示。

图2 硬件系统搭建

2.2 软件部分

在系统设计中选用matlab为开发平台，编写程序完成图像处理和尺寸测量工作，其中包括图像预处理、图像分割、边缘检测、系统标定、尺寸测量等内容。图像处理流程如图3所示。

图3 图像处理流程图

测量系统界面如图4所示。在摄像机采集完待测样品图像后，只需在测量系统界面输入图像名称，选择相应的按钮，测量结果就会在右侧的图框中显示出来。

图4 测量系统界面图

2.2.1 图像处理

系统的测量精度很大程度上取决于软件设计，硬件选择对系统产生的影响可以通过软件算法来减少。因此，在系统硬件确定的情况下，软件算法的选择非常重要，应该尽量选择合理高效的算法。在实际的应用中，应根据计算量及精度要求来选择适当的算法。首先要对图像进行预处理，目的是去除噪声，提取感兴趣的对象特征，同时又不损坏图像边缘等重要信息，这里选用的是数学形态学滤波法。其次通过阈值分割将目标与背景区分开来，这里选用双峰法。然后选择合适的边缘检测算子提取图像边缘，考虑到算子的精度和速度，这里选择canny算子。为了提高测量精度，在得到图像单像素边缘后，还需要提取亚像素边缘，这里选用最小二乘法。最后对试样厚度进行测量。

2.2.2 系统标定

测量系统是通过图像来计算物体的实际尺寸的，因此需要建立图像像素与实际长度的对应关系。但是镜头对物像是有缩放的，而且缩放倍数是未知的，因此需要对其进行标定。这里采用一种简单快速的标定方法，只需标定出图像中的一个像素代表的实际物理尺寸，不需要标定摄像系统参数，简化了标定过程。

标定时，用一个尺寸已知的标准件作为标定参照物。让测量系统处于正常的工作状态，将标准件放在测量平台上，先通过摄像机采集它的图像，再对图像进行处理分析，通过测量标准件在图像中的像素数来计算测量系统的标定系数。假设图像中的像素数为p（单位为pixel），物体实际尺寸为l(单位为mm），则图像像素数转换成实际尺寸的公式可表示为：

其中k=称为标定系数，单位为mm/pixel。

经过计算，本测量系统标定系数为0.01179。

3 测量系统的实现

下面通过测量试验来验证文中所设计的测量系统的可行性。笔者选取2种常见的绝缘和护套作为测量试样，如图5所示为采集的试样图像，其中图5（a）是型号为60227 IEC 01（BV）的绝缘图像，图5（b）是型号为60245 IEC 53(YZ)的圆形护套图像。为了方便叙述，将这两个试样依次编号为1-2号。

图5 试样图像

3.1 图像预处理

这里选择数学形态学滤波法进行滤波处理，然后用双峰法对图像进行阈值分割，以便区分目标与背景。如图6所示为1-2号试样经过阈值分割二值化后的图像，其中对目标与背景进行了取反处理。

图6 试样二值化图像

3.2 边缘提取

这里选用canny算子对图像进行边缘提取，结果如图7所示，其中图7（a）～（b）分别为1-2号试样的边缘图像。

图7 试样边缘图像

3.3 厚度测量

首先介绍一下在标准中这两种试样的测量要求。

在GB/T 2951.11-2008[1]中规定，首先应将试样置于测量设备的工作面上，切面与光轴垂直。

（1）当试样内侧呈圆形时，应按如图8（a）所示径向测量6点。

（2）当试件内侧有导体造成很深的凹槽时，应按图8（b）在每个凹槽底部径向测量。

图8 试样类型

根据标准中的规定，对试样的测量方法进行设计。

对于1号绝缘试样测量方法：

（1）绝缘的外边缘近似圆形，首先可以找到它的圆心，并且将直角坐标转换为极坐标。

（2）以圆心为起点向外引射线，射线与绝缘的内外边缘相交，两个交点之间的距离就是绝缘的厚度。

（3）每间隔1°向外引一条射线，找出绝缘的最薄厚度，即射线与绝缘内外边缘的两个交点的最小距离。

（4）找到绝缘最薄处后，以这条射线为基准，每间隔60°向外引射线，分别求出另外5处测量点的绝缘厚度。

（5）最后将测得的6个数据取算术平均值，即为该片绝缘试样的平均厚度。

测量结果如表1所示。

表1 1号绝缘试样厚度测量结果

用传统的投影仪对1号试样进行测量，得到平均值为0.917mm。可以看出，用本系统测量的绝缘厚度平均值与投影仪的测量方法测得的厚度平均值的差值为0.0011mm，说明本系统测量精度高。试验中整个程序仅运行6.9秒，而投影仪法测量一片试样需要7分钟左右，显然，用本系统进行测量，大大缩短了检测时间，检测速度提升10倍。

对于2号护套试样测量方法：

（1）护套的外边缘近似圆形，首先可以找到它的圆心，并且将直角坐标转换为极坐标。

（2）与1号绝缘试样的测量方法类似，以圆心为起点向外引射线，射线与护套的内外边缘相交，两个交点之间的距离就是护套的厚度。

（3）每间隔1°向外引一条射线，找出护套的最薄厚度，即射线与护套内外边缘的两个交点的最小距离。

（4）找到护套最薄处后，以这条射线为基准，每间隔120°向外引射线，分别求出另外2处测量点的护套厚度。

（5）最后将测得的3个数据取算术平均值，即为该片护套试样的平均厚度。

结果如表2所示。