基于机器视觉的电缆绝缘护套厚度测量系统的研究

谢莉杰

摘 要：传统的电缆绝缘护套厚度测量方法存在繁琐、速度慢、受人为因素影响大等缺点，本文针对这些缺点提出了一种新测量方法，设计了一套基于机器视觉的电线电缆绝缘护套测量系统。文中介绍了测量系统的组成，通过试验证明测量系统的测量精度符合标准要求，而且具有速度快、操作简便、精度高等优点，对提高工作效率和检测精度有重要的意义。

关键词：机器视觉；图像处理；厚度测量

中图分类号：TM247 文献标识码：A

1 引言

电线电缆质量事关人身和财产安全，因此，电线电缆产品的检测十分重要，而电缆绝缘护套厚度是其中一个重要的指标。很多生产企业为了节约成本偷工减料或者生产工艺落后，控制不及时，总是出现绝缘护套偏心、厚度不足或厚度不均等现象。在GB/T 2951.11-2008《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。”这种测量方法需要将待测的绝缘或护套投影仪上进行投影，然后再对投影部分进行手工测量。该方法测量过程枯燥、速度慢、精度不高且受人为因素影响大。近年来，机器视觉技术发展迅速，提高了很多领域的自动化程度。于是本文提出了一种基于机器视觉的图像检测方法，通过摄像头采集图像，再进行图像处理和分析，即可得到我们需要的测量结果。机器视觉的检测方法，不仅测量效率比人工测量高，而且测量准确，让检验人员从枯燥的测量过程解放出来，大大降低了测量的劳动强度和成本。目前，国内尚无检测机构将机器视觉用于电线电缆绝缘护套尺寸的自动检测，因此急需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。

2 测量系统

测量系统主要由两部分组成：硬件部分和软件部分。硬件部分主要完成图像采集工作，主要由摄像机、光学镜头、光源、计算机等组成；软件部分主要完成图像处理工作，主要以Matlab为工作平台，通过软件编程完成待测图像的平滑滤波处理、二值化处理以及边缘提取等图像处理，实现待测样品的尺寸测量和输出。

2.1 硬件部分

2.1.1光学镜头

镜头是测量系统的关键部件之一。选择镜头时主要考虑成像面的焦距、倍率、景深、视角、工作范围和接口等参数。在视觉检测系统中，应该选用畸变小的远心镜头。根据被测物体的特点，本测量系统中选用的镜头是由两个基本镜头通过接口组合成的远心成像镜头。其中镜头型号：GCO-2304、GCO-2302，接头型号：GCO-230204。

2.1.2摄像机

在检测过程中，摄像机的任务就是将光学信号转换成电信号，摄像机的选择主要取决于检测任务和工作条件。在本测量系统中，我们从成本、处理速度、实用性等方面考虑，选用的摄像机型号为UI1540-M。

2.1.3光源

被测物体所成像的质量，在很大程度上依赖于其照明情况，因此光源的设计就成为了本测量系统的一个重要组成部分。系统的重复性和精度受光源强度、光照稳定性及均匀性的很大影响，其中任何一个细节出问题都有可能使整个系统的设计不能得以成功。

（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。视觉系统的照明通常以背向照明为主，可突出物体与背景间差别。当需突出图像中物体各部分间差别时，一般采用前向照明。综上分析，本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）光源

目前在机器视觉系统中可以选用的光源主要有日光灯、白炽灯、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，本系统选用LED光源。

2.2软件部分

在本课题中，我们选用Matlab软件为开发平台，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、显示测量结果等内容。

2.2.1图像处理

在机器视觉测量系统中，软件设计是关系到系统测量准确与否的一个重要原因。良好的图像处理算法能减小硬件产生的影响。因此，在系统硬件确定的情况下，软件算法的选择非常重要，算法应该尽量合理高效。在图像处理部分，先对图像进行滤波和阈值分割处理，再用canny算子对图像进行边缘检测，得到单像素边缘，然后用最小二乘法提取亚像素边缘，最后进行绝缘护套的厚度参数测量。

2.2.2系统标定

机器视觉测量系统是通过镜头采集的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。这里通过标定已知尺寸的标准件来对测量系统进行标定，简化了标定过程。经过计算，本测量系统标定系数为0.01183。

3测量系统的实现

为了证明本文所设计的测量系统的可行性，我们选取一种常见的试样进行厚度测量试验，如图1所示。用前面所述的处理方法对图像进行边缘提取，如图2所示。

在GB/T2951.11-2008中规定，这种形状的试样首先径向寻找最薄点，然后大约间隔60°再测一点，共测量6点。该试样通过本系统测得厚度平均值为0.9001mm。

将试样用传统的投影仪的测量方法进行测量，得到平均值为0.901mm。可以看出，两者差值为0.0009mm，说明本系统测量精度较高。试验中整个程序运行时间为11.750000s，而人工测量一片试样大约需要5分钟时间，由此可以看出，本系统大大缩短了检测时间，使检测速度得到很大提高。

结语

本文以电线电缆绝缘护套为对象，提出了一种新的测量方法，设计了一套基于机器视觉的电线电缆绝缘护套厚度测量系统。该系统是机、光、电一体化的智能化检测产品，它将机器视觉的快速性、可靠性与图像处理技术相结合，实现了电线电缆绝缘护套的自动测量。文中对测量系统的硬件组成和软件算法进行了分析和选择，并且通过测量试验，证明该系统不仅测量速度快，而且避免了人为因素的影响，测量更加准确，大大降低了测量的劳动强度和成本，具有重大应用意义。

参考文献

[1]GB/T 2951.11-2008，电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法[S].

[2]闰枫，吴斌.视觉检测系统中的光源照明方法[J].兵工自动化，2006，25（11）：85-86.