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

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;

(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。基于相位一致性的邊緣檢測(cè)可以很好地解決這個(gè)問題?？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)字圖像處理開發(fā)入門與編程實(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］.