基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的電纜護(hù)套斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)量技術(shù)

牟少華 李志強(qiáng)

摘要：為解決電纜護(hù)套斷裂伸長(zhǎng)率人工測(cè)量效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的電纜護(hù)套斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)量系統(tǒng)，并提出了一種電纜護(hù)套斷裂伸長(zhǎng)率的自動(dòng)化測(cè)量方案。首先在電纜護(hù)套表面的兩端分別繪制一種圓環(huán)標(biāo)記符，然后使用攝像機(jī)拍攝護(hù)套在拉力裝置作用下的拉伸過(guò)程，利用邊緣檢測(cè)、連通域提取等圖像處理技術(shù)獲取電纜護(hù)套表面的標(biāo)記符信息，并使用幀間差分法追蹤標(biāo)記符，實(shí)時(shí)計(jì)算并保存標(biāo)記符形心位置，并以兩個(gè)形心的間距作為標(biāo)記符間距。本文提出了一種長(zhǎng)度增量閾值判據(jù)，該判據(jù)夠精確判定護(hù)套斷裂所在幀，實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)量出電纜護(hù)套的斷裂伸長(zhǎng)率。

關(guān)鍵詞：斷裂伸長(zhǎng)率;幀間差分法;運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè);電纜護(hù)套

一、引言

電纜護(hù)套是保護(hù)電纜內(nèi)芯的重要材料，起到了維持內(nèi)芯不受來(lái)自于外部的機(jī)械損害和化學(xué)腐蝕的保護(hù)作用，因此檢測(cè)電纜護(hù)套的各項(xiàng)質(zhì)量參數(shù)顯得尤為重要。電纜護(hù)套的質(zhì)量參數(shù)主要有最大拉力、拉伸應(yīng)力、抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率[1]，這些質(zhì)量參數(shù)都離不開(kāi)電纜護(hù)套最大形變量的測(cè)量。目前，各個(gè)質(zhì)量檢測(cè)公司對(duì)電纜各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量都主要通過(guò)人工測(cè)量的方式，存在效率低、測(cè)量結(jié)果受測(cè)量員主觀意識(shí)影響較大等缺陷，因此電纜護(hù)套斷裂伸長(zhǎng)率自動(dòng)化的測(cè)量方法顯得尤為重要。

電纜護(hù)套在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中呈漸進(jìn)伸長(zhǎng)的狀態(tài)，可利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的方法追蹤護(hù)套完成測(cè)量任務(wù)。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的方法主要有幀間差分法、光流法和背景減除法。幀間差分法[3]是一種將連續(xù)的兩幀或者多幀圖像進(jìn)行差分后，通過(guò)閾值法提取運(yùn)動(dòng)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)追蹤法。該方法計(jì)算量小，有良好的實(shí)時(shí)性，但存在不能提取出完整運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的問(wèn)題。袁益琴[7]等提出了一種將幀間差分法和背景差分法相結(jié)合的遙感衛(wèi)星視頻的運(yùn)動(dòng)車輛檢測(cè)方法，有效地抑制移動(dòng)的背景邊緣和殘留噪聲，提高了檢測(cè)質(zhì)量。幀間差分法對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較慢的目標(biāo)檢測(cè)效果較差，且受環(huán)境噪聲影響較大，Bhattacharya[8]等通過(guò)累積幀間差分的方式有效提升了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)精度，并解決了目標(biāo)對(duì)象在運(yùn)動(dòng)速度較慢時(shí)追蹤質(zhì)量差的問(wèn)題。Cao[9]等提出了一種基于局部聚類分割的對(duì)稱差分目標(biāo)檢測(cè)算法，解決了在紅外航空視頻序列中相鄰幀間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)較小而導(dǎo)致追蹤效果較差的問(wèn)題，較好地分割出了運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較慢的目標(biāo)對(duì)象。

對(duì)于電纜護(hù)套斷裂伸長(zhǎng)率的自動(dòng)測(cè)量問(wèn)題，高振斌[10]等提出了利用閾值分割求取標(biāo)記點(diǎn)邊緣輪廓，并利用標(biāo)記點(diǎn)重心間距求取護(hù)套斷裂伸長(zhǎng)量的方法，有較高的測(cè)量精度，但未對(duì)護(hù)套斷裂的判定方法進(jìn)行說(shuō)明。陳俊松[11]等提出的基于改進(jìn)L-K光流法的護(hù)套斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)量方案解決了護(hù)套斷裂瞬間的判定問(wèn)題，但利用光流法追蹤特征點(diǎn)計(jì)算量大，速度較慢。本文采用幀間差分法追蹤電纜護(hù)套上的標(biāo)記符，可有效減少計(jì)算量，提高檢測(cè)效率。提出了一種長(zhǎng)度突變閾值判據(jù)，通過(guò)檢測(cè)護(hù)套標(biāo)記符間距的突變精確判定護(hù)套斷裂瞬間，從而得到護(hù)套樣品的斷裂伸長(zhǎng)率參數(shù)。該方法計(jì)算量小，效率高，可有效協(xié)助測(cè)量員完成測(cè)量任務(wù)。

二、基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的測(cè)量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本測(cè)量系統(tǒng)由通用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)和照明系統(tǒng)組成。

通用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是一種可用于拉伸實(shí)驗(yàn)的裝置，主要適用于試驗(yàn)負(fù)荷高的各類金屬、非金屬和復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和分析研究，具有應(yīng)力、位移、應(yīng)變?nèi)N閉環(huán)控制方式，可求出斷裂伸長(zhǎng)率、最大力、彎曲強(qiáng)度和彈性模量等參數(shù)。將待測(cè)的材料用試驗(yàn)機(jī)夾具沿豎直方向夾緊后，內(nèi)置的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制傳動(dòng)橫梁向上運(yùn)動(dòng)，能夠基本保持以恒定的速度移動(dòng)，并具有精準(zhǔn)的加載速度和測(cè)力范圍。通過(guò)與之配套的操作軟件，可獲取拉力、長(zhǎng)度等過(guò)程參數(shù)，通用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的實(shí)物圖如圖2所示。

照明系統(tǒng)用于為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)提供穩(wěn)定的光源，以降低環(huán)境亮度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的影響。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，使用試驗(yàn)機(jī)夾具將電纜護(hù)套樣品豎直夾緊，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，試驗(yàn)機(jī)勻速緩慢拉伸電纜護(hù)套樣品。利用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)拍攝實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并同步將拍攝數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，然后由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)計(jì)算護(hù)套標(biāo)記符間距，并在檢測(cè)到電纜護(hù)套斷裂時(shí)，輸出斷裂伸長(zhǎng)率。電纜護(hù)套樣品如圖3所示。

三、基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的測(cè)量系統(tǒng)軟件框架

本系統(tǒng)在Python 3.6環(huán)境下開(kāi)發(fā)，并用OpenCV開(kāi)源函數(shù)庫(kù)輔助完成。采用面向過(guò)程的軟件設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)按功能劃分為四個(gè)模塊：圖像預(yù)處理模塊、追蹤模塊、斷裂判斷模塊和計(jì)算模塊。其中圖像預(yù)處理模塊的主要功能是圖像去噪和利用連通域提取等數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取初始標(biāo)記符的位置信息，并計(jì)算標(biāo)記符初始間距;追蹤模塊主要利用幀間差分法在連續(xù)的圖像序列中檢測(cè)標(biāo)記符的位置，并實(shí)時(shí)計(jì)算標(biāo)記符間距;斷裂判斷模塊主要利用間距增量閾值判據(jù)準(zhǔn)確判定電纜護(hù)套的斷裂時(shí)刻;計(jì)算模塊主要功能是整合各個(gè)過(guò)程參數(shù)，計(jì)算電纜護(hù)套斷裂伸長(zhǎng)率。分別實(shí)現(xiàn)各模塊功能后拼接組成軟件系統(tǒng)，功能模塊化后的測(cè)量系統(tǒng)具有良好的錯(cuò)誤定位能力，并降低了系統(tǒng)功能的耦合性，利于各組件的功能更新與刪改。測(cè)量流程圖如圖4所示。

首先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)獲取包含電纜護(hù)套樣品的第一幀圖像，如圖5（a）所示，采用高斯濾波平滑圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行二值化操作[12]，得到圖5（b）所示圖像。進(jìn)一步地，利用輪廓提取法[13]得到包含標(biāo)記符在內(nèi)的大量連通域。在攝像機(jī)與通用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)距離約為1米的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，單個(gè)標(biāo)記符的像素面積大約為70個(gè)像素大小，因此通過(guò)面積閾值條件將像素面積小于50或者大于100的連通域?yàn)V除。然后利用標(biāo)記符為圓環(huán)的特點(diǎn)，篩選出圓形度[15]大于0.8的連通域，即為目標(biāo)標(biāo)記符[11]。最后利用形心公式計(jì)算標(biāo)記符的形心，如圖5（c）中紅點(diǎn)所示，并將其間距作為標(biāo)記符的初始間距。

在電纜護(hù)套的拉伸過(guò)程中，采用幀間差分法對(duì)標(biāo)記符進(jìn)行追蹤。幀間差分法是將當(dāng)前幀與前一幀圖像進(jìn)行差分，再通過(guò)閾值條件獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方法，其原理可以表示為：

（1）

其中dk（x， y）為當(dāng)前幀與前一幀差分的結(jié)果，fk（x， y）為當(dāng)前幀，bk（x， y）為前一幀。閾值分割條件可表示為：

（2）

其中Rk（x， y）為二值化后的幀間差分圖像，T為根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境光亮設(shè)置的灰度閾值。幀間差分法原理簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，因此具有良好的快速性，能夠應(yīng)用于實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)之中。同樣也存在一些缺點(diǎn)，其一，幀間差分法通過(guò)相鄰兩幀圖像作差的方式獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，則需要實(shí)驗(yàn)環(huán)境的背景固定，因此不能應(yīng)用在攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景中;其二，當(dāng)目標(biāo)對(duì)象處于靜止或是運(yùn)動(dòng)速度較慢的狀態(tài)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)跟蹤目標(biāo)丟失的情況;其三，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)表面存在大面積灰度值相同或相近區(qū)域時(shí)，對(duì)圖像進(jìn)行差分處理會(huì)導(dǎo)致這些區(qū)域出現(xiàn)孔洞。

圖6為對(duì)某連續(xù)兩幀圖像使用幀間差分法的追蹤效果，其中圖6（a）為第n幀圖像，將第n+1幀圖像與第n幀圖像進(jìn)行差分得到如圖6（b）所示結(jié)果，根據(jù)光照條件選取合適閾值（本文閾值設(shè)定為130）對(duì)圖6（b）進(jìn)行二值化處理后得到如圖6（c）所示結(jié)果。由結(jié)果可看出，采用幀間差分法能夠準(zhǔn)確地分割出運(yùn)動(dòng)的標(biāo)記符。接著，根據(jù)分割出的標(biāo)記符信息分別計(jì)算其形心位置，實(shí)時(shí)計(jì)算并保存兩個(gè)形心的間距，并將其作為標(biāo)記符間距。

在拉伸過(guò)程，在每一幀圖像中計(jì)算標(biāo)記符間距，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。根據(jù)胡克定律，在彈性限度內(nèi)，固體材料因受力產(chǎn)生的形變量與受力大小之間呈線性關(guān)系。結(jié)合多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，護(hù)套樣品在穩(wěn)定拉伸過(guò)程中，標(biāo)記符間距呈現(xiàn)均勻增大的狀態(tài)，但在護(hù)套斷裂的瞬間，標(biāo)記符間距將產(chǎn)生明顯突變。用某次實(shí)驗(yàn)為例，以每一幀圖像中標(biāo)記符的間距為縱坐標(biāo)，與之對(duì)應(yīng)的幀數(shù)為橫坐標(biāo)繪制坐標(biāo)圖如圖7所示。

由圖7可知，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，標(biāo)記符間距保持不變;實(shí)驗(yàn)開(kāi)始至電纜護(hù)套斷裂前，標(biāo)記符間距均勻增大，曲線斜率基本不變;電纜護(hù)套斷裂瞬間，標(biāo)記符間距增量突增，坐標(biāo)圖斜率突變。通過(guò)以上特點(diǎn)，提出了一種長(zhǎng)度增量閾值判據(jù)，其判定流程如圖8所示。

在檢測(cè)到標(biāo)記符間距開(kāi)始增大后，保存每一幀圖像中的標(biāo)記符間距。與此同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行最小二乘法的直線擬合，具體過(guò)程為：利用最開(kāi)始的兩點(diǎn)計(jì)算初始直線方程，每當(dāng)有新的點(diǎn)增加，通過(guò)最小化誤差的平方和的方式修正直線方程的斜率和常數(shù)項(xiàng)，以尋找最佳的函數(shù)匹配。當(dāng)擬合點(diǎn)的數(shù)量達(dá)到閾值后，對(duì)每一幀圖像中標(biāo)記符間距增量進(jìn)行判定，即計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)與擬合直線的距離，若該距離小于閾值，則實(shí)驗(yàn)繼續(xù);若該距離大于閾值，則標(biāo)記符間距出現(xiàn)了突增，判定電纜護(hù)套斷裂，并通過(guò)標(biāo)記符的初始間距和最大間距計(jì)算該樣品的斷裂伸長(zhǎng)率。實(shí)驗(yàn)表明，該判據(jù)能夠準(zhǔn)確定位電纜護(hù)套的斷裂瞬間，如圖9所示。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由當(dāng)前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]，斷裂伸長(zhǎng)率的定義為電纜護(hù)套在受拉力斷裂時(shí)的長(zhǎng)度增加量與護(hù)套原始長(zhǎng)度的比值，可表示為

（3）

其中p為斷裂伸長(zhǎng)率，Δl為電纜護(hù)套的伸長(zhǎng)量，l為護(hù)套原始長(zhǎng)度。在實(shí)驗(yàn)中以標(biāo)記符的初始間距作為電纜護(hù)套的原始長(zhǎng)度，以電纜護(hù)套斷裂瞬間標(biāo)記符的間距作為其最大長(zhǎng)度。以測(cè)量員對(duì)5組電纜護(hù)套樣品的測(cè)量結(jié)果為參照，用本文提出的基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的自動(dòng)測(cè)量方法得到的測(cè)量結(jié)果與之對(duì)比，得到如表1所示結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法所得結(jié)果與人工測(cè)量所得結(jié)果平均誤差為6.09%，能夠較好地完成測(cè)量任務(wù)。本方法的優(yōu)勢(shì)在于一方面利用幀間差分法對(duì)運(yùn)動(dòng)的標(biāo)記符進(jìn)行追蹤，計(jì)算量小，擁有良好的實(shí)時(shí)性;另一方面提出的長(zhǎng)度增量閾值判據(jù)能夠準(zhǔn)確地判定電纜護(hù)套斷裂所在幀，避免了人工判定電纜護(hù)套斷裂時(shí)刻的主觀性和不穩(wěn)定性，自動(dòng)化的測(cè)量方案極大地提高了工作效率。

在實(shí)際生產(chǎn)生活中，電纜斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)量主要是采用人工測(cè)量的方式，具體為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前在電纜護(hù)套兩端分別繪制標(biāo)記符，測(cè)量并記錄標(biāo)記符間距，并將其作為電纜護(hù)套的初始長(zhǎng)度。在電纜護(hù)套的拉伸過(guò)程中，人工地判定斷裂瞬間，并測(cè)量電纜護(hù)套斷裂時(shí)標(biāo)記符的間距。上述人工測(cè)量法在測(cè)量標(biāo)記符的初始間距和最大間距時(shí)兩次引入了測(cè)量誤差，并且在測(cè)量標(biāo)記符最大間距時(shí)，由于測(cè)量時(shí)間短，產(chǎn)生的測(cè)量誤差較大。另一方面，隨著操作人員的長(zhǎng)時(shí)間工作，受反應(yīng)速度下降的影響，電纜護(hù)套的斷裂瞬間判定的準(zhǔn)確率也會(huì)隨之下降。本文方法采用基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的方式對(duì)電纜護(hù)套拉伸前后標(biāo)記符間距進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度和測(cè)量穩(wěn)定性都高于人工測(cè)量的方式。同樣本文測(cè)量方法也存在一些不足之處，其一在于利用幀間差分法追蹤標(biāo)記符，在標(biāo)記符運(yùn)動(dòng)速度較慢的情況下，會(huì)出現(xiàn)標(biāo)記符輪廓提取不完整的現(xiàn)象，從而影響標(biāo)記符形心位置的計(jì)算，進(jìn)一步造成標(biāo)記符間距測(cè)量不準(zhǔn)確，可通過(guò)改進(jìn)幀間差分法的方式優(yōu)化該問(wèn)題;其二在于電纜護(hù)套斷裂時(shí)間的判定問(wèn)題，采用本文方法獲取的電纜護(hù)套斷裂瞬間存在兩種情況：

1.電纜護(hù)套斷裂所在時(shí)刻恰好處于圖像序列的某一幀中;

2.電纜護(hù)套斷裂時(shí)刻處于圖像序列的兩幀之間。

其中第一種情況不會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，而當(dāng)處于第二種情況時(shí)，假設(shè)電纜護(hù)套的斷裂時(shí)刻t處于第n幀和第n+1幀之間，可由式（4）表示為：

（4）

本文算法僅能在第n+1幀時(shí)，即在tn+1時(shí)刻，檢測(cè)出電纜護(hù)套斷裂，在電纜護(hù)套斷裂的真實(shí)時(shí)刻t到檢測(cè)出斷裂的tn+1這段時(shí)間內(nèi)，標(biāo)記符的移動(dòng)距離可由式（5）表示為：

（5）

其中d為標(biāo)記符移動(dòng)距離，v為標(biāo)記符移動(dòng)速度。因此，該種情況會(huì)造成測(cè)量出標(biāo)記符的最大間距大于其真實(shí)值，進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出的斷裂伸長(zhǎng)率的值偏大。目前實(shí)驗(yàn)采用幀率為30赫茲的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，當(dāng)電纜護(hù)套的真實(shí)斷裂時(shí)刻恰好處于tn時(shí)刻的下一時(shí)刻，此時(shí)將產(chǎn)生情況2所引起的最大誤差，最大誤差可由式（6）表示為：

（6）

其中e為最大誤差，v為標(biāo)記符移動(dòng)速度，f為攝像機(jī)的幀率。由式（6）可知，選用幀率更高的攝像機(jī)能夠減弱這種情況造成的測(cè)量誤差。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得到標(biāo)記符在世界坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)速度約為0.36cm/s，當(dāng)攝像機(jī)幀率達(dá)到120赫茲時(shí)，最大誤差約為0.003cm/s，在工程意義下基本可認(rèn)為該誤差不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。

此外，在電纜護(hù)套的拉伸過(guò)程中，標(biāo)記符會(huì)產(chǎn)生一定形變，從而對(duì)標(biāo)記符間距的測(cè)量和計(jì)算帶來(lái)誤差。一方面，本文采用的利用兩個(gè)標(biāo)記符形心的距離作為標(biāo)記符間距的方式在一定程度上可以削弱上述情況造成的影響;另一方面，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)把標(biāo)記符繪制于靠近電纜護(hù)套兩端的位置時(shí)，電纜護(hù)套拉伸過(guò)程標(biāo)記符產(chǎn)生的形變量遠(yuǎn)小于將標(biāo)記符繪制于電纜護(hù)套中間區(qū)域時(shí)產(chǎn)生的形變量，因此利用標(biāo)記符的繪制位置也可降低上述情況帶來(lái)的影響。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的電纜護(hù)套斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)量方案，該方法實(shí)現(xiàn)了電纜護(hù)套斷裂伸長(zhǎng)率的自動(dòng)化測(cè)量，提出的長(zhǎng)度增量閾值判據(jù)可精確地定位護(hù)套斷裂瞬間，解決了人工判定存在的主觀性和不穩(wěn)定性的問(wèn)題。該方法在穩(wěn)定光源的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，能夠高效地完成測(cè)量任務(wù)，具有較強(qiáng)的工程意義。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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作者單位：牟少華? ? 日照市工業(yè)和信息化局無(wú)線電監(jiān)測(cè)站

李志強(qiáng)? ? 日照市職業(yè)技術(shù)學(xué)院