基于機器視覺的高精度新型光纖端面檢測裝置的研究

侯進 王克謙 龍明 王鵬展

摘?要：本文通過對傳統(tǒng)光纖端面檢測技術(shù)弊端的分析，提出了一種基于機器視覺的高精度新型光纖端面檢測裝置。并對該裝置的研究思路和設(shè)計方法進行了描述，主要包括圖像采集部分，硬件部分，軟件部分組成;光纖端面圖像的顯示利用BMP編碼格式，同時調(diào)用API函數(shù)繪制和顯示圖像，并根據(jù)光纖缺陷圖像灰度不同設(shè)置的閾值實現(xiàn)對光纖端面缺陷進行分析。

關(guān)鍵詞：光纖端面;機器視覺;閾值

1 緒論

在光纖信號傳輸過程中，在經(jīng)過不同的系統(tǒng)、設(shè)備以及模塊時，需要將兩條光纖連接起來，由于光纖連接會產(chǎn)生信息傳播損耗，為提高其穩(wěn)定性，采用光纖連接器將光纖的兩個端面進行非永久性的精密對接，使光路按照指定通道傳輸。光纖連接器已經(jīng)成為光纖通信中最重要的無源器件，其產(chǎn)品質(zhì)量、表面規(guī)則性會對光信號傳輸?shù)目煽啃砸约案黜椥阅苤笜擞兄匾绊?。[1]光纖連接器的端面上長期性傷痕（劃痕、裂痕等）和短暫的污垢（液體、灰塵、油脂等）是光信號進行高速傳輸?shù)闹卮箅[患。而目前通信技術(shù)的迅速發(fā)展需要高帶寬、超低損耗率的通信保障，因此通過對光纖端面檢測儀器的研究，以提高和保證其光信號傳輸?shù)目煽啃砸约熬W(wǎng)絡(luò)的運行的安全性是不可或缺的。[2]人工檢測光纖端面的潔凈程度和幾何參數(shù)是傳統(tǒng)的方法，主要是通過照相機拍攝光纖連接器的表面，將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至顯示器上，然后通過人眼觀察和判斷光纖端面的情況。人工檢測是當前最常用的檢測方法，但存在著效率不高、智能程度低、主觀性強等缺點。

隨著智能時代的到來，通過先進的技術(shù)、設(shè)備、方法的應(yīng)用，實現(xiàn)電網(wǎng)的安全、可靠、環(huán)境友好成為一種途徑。利用顯微成像獲取光纖表面的圖片，通過利用基于機器視覺的檢測手段測出光纖端面的衡量指標：比如纖芯直徑、纖芯/包層同心度誤差、纖芯不圓度和包層直徑，進而以判斷光纖端面的質(zhì)量。[3]這樣，不僅能夠提高光纖端面檢測的效率和準確性，而且降低光纜故障導致的網(wǎng)絡(luò)通信運行風險，提升通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。[4]

2 研究內(nèi)容

本文所研究的檢測裝置采用模塊化，程序化的設(shè)計理念，將整個系統(tǒng)劃分為圖像采集部分、硬件部分、軟件部分等三個主要功能模塊，最后塔建成一個完整的系統(tǒng)，以實現(xiàn)對光纖端面的高精度檢測。

圖像采集模塊主要是講光纖端面的數(shù)據(jù)信息在CMOS圖像傳感器上呈現(xiàn)出來，通過發(fā)出圖像采集命令，圖像數(shù)據(jù)信息通過USB數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)紸RM處理器中，通過采用影像光源自動增益補強技術(shù)、自動亮度、白平衡控制技術(shù)、色飽和度、對比度、邊緣增強和伽馬矯正等先進影像控制技術(shù)，使成像各項指標達到實際所需。同時在LCD顯示屏上將結(jié)果顯示出來給檢測人員參考。

嵌入式處理器以及嵌入式外圍設(shè)備組成了該檢測裝置的硬件部分，其中外圍設(shè)備主要作用是輔助軟件部分和圖像采集的實現(xiàn)，其包含了存儲模塊，顯示模塊、通信模塊等。

軟件部分采用嵌入式系統(tǒng)，由與硬件交互和管理硬件資源的嵌入式操作系統(tǒng)、操作系統(tǒng)中控制以及連接硬件的關(guān)鍵模塊的設(shè)備驅(qū)動程序和根據(jù)操作系統(tǒng)提供的API和庫非直接與硬件打交道的應(yīng)用程序三大部分組成。其中設(shè)備驅(qū)動程序提供連接到計算機的硬件設(shè)備的軟件接口，使特定的硬軟件與操作系統(tǒng)建立通信聯(lián)系，以便讓操作系統(tǒng)能夠正常運行并啟用該設(shè)備。

3 研究方案的實現(xiàn)

3.1 圖像數(shù)據(jù)的繪制和顯示

當系統(tǒng)采集得到初始的圖像信息后，為了更高效的處理這些圖像信息，首先將彩色圖像灰度化，然后利用BMP圖像的編碼格式進行顯示。而BMP位圖格式文件主要由位圖文件頭、調(diào)色板、位圖信息頭和圖像數(shù)據(jù)等四部分組成，其中位圖文件頭包含文件類型、文件大小、存放位置等信息，位圖信息頭包含BMP圖像長寬、顏色位數(shù)、圖像大小以及是否壓縮等信息。將位圖信息和圖像數(shù)據(jù)分別填寫到這四個部分中即可通過調(diào)用API函數(shù)繪制和顯示圖像。

3.2 機器視覺的圖像分析的實現(xiàn)

在特定的光照環(huán)境中，通過攝像機采集包含目標物體的數(shù)字圖像，運用包含圖像處理、模式識別等多種技術(shù)的視覺判定系統(tǒng)對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行分析處理，最后通過根據(jù)控制與決策系統(tǒng)對圖像處理的結(jié)果給出目標物體的性能指標，進而使機器視覺系統(tǒng)能夠高項的完成預(yù)定的任務(wù)。

在進行圖像采集時，關(guān)鍵是定位纖芯的位置，對采集到的圖像進行二值化。閾值法是一種簡單有效的圖像二值化分割方法，此方法是用一個或幾個閾值將圖像的像素灰度級分為幾個級別，屬于一個級別的像素點被認為是同一類物體。因為光纖端面的缺陷主要存在著兩種情況：①暗色;②亮色。為了更好的對二者進行區(qū)分，進行需要對每個區(qū)域檢測時需要做不同的二值處理。接著對纖芯中心進行定位，通過膨脹腐蝕等圖像形態(tài)學處理去除小顆粒和大顆粒從而去除對光纖包層定位的干擾，從而標定出圓心。標定出光纖纖芯后，需要根據(jù)光纖端面上不同圓環(huán)范圍內(nèi)所采用的檢測標準對檢測的區(qū)域進行劃分，假設(shè)某一個區(qū)域的檢測不能通過，則這個光纖端面的質(zhì)量標準就不符合光纖信號傳輸?shù)囊?。光纖端面缺陷包括白點（崩缺）、黑點（臟污）、陰影（內(nèi)裂）以及劃痕。其中崩缺和劃痕是灰度高于光纖端面的部分，而臟污和陰影是灰度低于光纖端面的部分，所以針對亮色缺陷和暗色缺陷需要分別設(shè)置不同的閾值，才能準確檢測出整個端面的缺陷。

4 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)光纖端面清潔度檢測依賴人工檢測的問題，提出了一種基于機器視覺的高精度光纖端面檢測裝置，其不但具有便攜式和客觀性檢測的優(yōu)點，而且避免了主觀錯誤判斷。將得到圖像信息數(shù)據(jù)，采集到ARM處理器并顯示出來，同時采用特定的應(yīng)用軟件對光纖端面圖像信息數(shù)據(jù)進行處理，以實現(xiàn)對其端面質(zhì)量標準進行檢測評估。這種設(shè)計方式十分便于維修人員進行現(xiàn)場作業(yè)，有效提高工作效率。

參考文獻：

[1]張堃，王明泉，張俊生.基于機器視覺的光纖傳像元件缺陷檢測系統(tǒng)[J].測試技術(shù)學報，2017，31（04）：298-303.

[2]文伍龍.機器視覺技術(shù)在光纖端子檢測中的應(yīng)用研究[J].信息通信，2016（04）：200-201.

[3]謝季峰.機器視覺在光纖缺陷檢測中的應(yīng)用[J].電腦編程技巧與維護，2012（16）：112-113+115.

[4]趙偉杰，高勇.機器視覺在光纖端面缺陷檢測中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（19）：136-139+143.