摘 要：針對計量部門測量電纜絕緣層直徑和厚度等參數(shù)的問題,，設(shè)計了一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的電纜絕緣層參數(shù)測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)以VC++為平臺,。首先對顯微鏡放大倍數(shù)進行標(biāo)定,，并采集電纜絕緣層圖像；其次將圖像二值化處理后運用Roberts算子對其進行邊緣檢測,；最后利用邊緣輪廓特征計算出電纜絕緣層參數(shù),。針對本測量系統(tǒng)，選取適當(dāng)電纜絕緣層進行測試,。測試結(jié)果表明,，系統(tǒng)可靠、精度高,，能夠方便地解決電纜絕緣層參數(shù)的測量問題,。
關(guān)鍵詞：電纜絕緣層,；圖像處理；參數(shù),；VC++,；圖像測量
我國對電纜絕緣層直徑和厚度等參數(shù)有明確的標(biāo)準[1]，并給出了最低限和最高限,，生產(chǎn)廠家必須嚴格按照此標(biāo)準來指導(dǎo)電纜的工業(yè)化生產(chǎn),。因此，計量和檢定部門要對廠家生產(chǎn)的電纜絕緣層厚度和外徑尺寸進行測量,，來檢驗電纜是否符合國家標(biāo)準,。然而到目前為止，計量和檢定部門對電纜絕緣層厚度等尺寸的測量仍然采用傳統(tǒng)的基于機械投影儀的人工測量方法[2],。一般的機械投影儀放大倍率在10倍以上,，對于最普通的類型，如測量單芯圓形電纜絕緣層厚度,，應(yīng)將電纜圖像移至視場中央,，每隔60°測量對稱的三對點，記錄每個位置電纜內(nèi)外層讀數(shù),，求出6組數(shù)據(jù)中的最小值和算術(shù)平均值分別作為電纜絕緣層最小厚度和平均厚度,。雖然這種傳統(tǒng)的測量方法有很大的光學(xué)測量優(yōu)勢，但是操作繁瑣,、讀數(shù)不方便,、準確性差，而且后期數(shù)據(jù)處理更是加重了勞動強度,。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展,，計算機已經(jīng)被應(yīng)用到了社會生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，在精密測量領(lǐng)域也是如此,。為此,，本文將傳統(tǒng)的光學(xué)測量方法與數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計出了一套自動化程度較高的電纜絕緣層參數(shù)測量系統(tǒng),。本測量系統(tǒng)利用光學(xué)顯微鏡成像,，由CCD攝像機攝取圖像信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送至計算機內(nèi)存儲,，從而完成計算機對圖像的采集過程,。計算機利用由VC++開發(fā)的軟件系統(tǒng)對采集的圖像數(shù)據(jù)進行處理，并最終獲得被測對象的幾何參數(shù),。
1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1 總體結(jié)構(gòu)
電纜絕緣層參數(shù)測量系統(tǒng)主要由圖像采集,、圖像處理、圖像測量、結(jié)果輸出等幾部分組成,，配合相應(yīng)的軟件系統(tǒng)完成對電纜絕緣層直徑和厚度等參數(shù)的測量,。圖像采集部分由顯微鏡、CCD攝像機和計算機組成,，圖像分析及圖像測量部分主要由VC++開發(fā)出來的軟件系統(tǒng)完成,。硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
1.2 工作原理
本系統(tǒng)通過標(biāo)定已知標(biāo)準件的方法來獲取顯微鏡的放大倍數(shù),，放大的標(biāo)準件尺寸被轉(zhuǎn)換成屏幕像素進行存儲，而屏幕尺寸與計算機的顯示模式和屏幕像素存在一定的比例關(guān)系,，因此可以得到放大的標(biāo)準件的尺寸,，經(jīng)計算就可得到標(biāo)準件的放大倍數(shù)，即顯微鏡的放大倍數(shù),。第一步應(yīng)將標(biāo)準件放于光學(xué)顯微鏡測量平臺上,，調(diào)試顯微鏡的光源系統(tǒng)，使標(biāo)準件暴露在良好的光源之中,。然后,，CCD攝像機對將要識別、解釋的對象以圖像的形式記錄下來,，并由計算機將此電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號[3],，以便計算機對其進行各種必要的處理。計算機捕獲到標(biāo)準件圖像數(shù)據(jù)后,，還必須有一套很好的軟件系統(tǒng)與之配套,。Visual C++是微軟公司推出的一個面向?qū)ο蟮摹?shù)值計算能力強大的可視化開發(fā)工具,，并且它在圖形處理方面有較大優(yōu)勢,。第二步，將電纜絕緣層切片放于測量平臺上,，利用軟件系統(tǒng)將此切片圖像以BMP格式存儲于計算機內(nèi)部,，然后對此圖像進行二值化、邊緣檢測和封閉邊界的提取等操作,，最后根據(jù)標(biāo)定出的顯微鏡放大倍數(shù)測出電纜絕緣層的最小厚度及最小直徑,。為了更好地保存各種信息，本文設(shè)計了相應(yīng)的Excel數(shù)據(jù)表單,，并應(yīng)用了ODBC技術(shù)完成對數(shù)據(jù)庫的操作,。原理圖如圖2所示。
2 圖像采集
本文采用VC++6.0開發(fā)出基于對話框的專用圖像測量軟件,。軟件中主要包括4大部分：圖像采集,、圖像處理、參數(shù)計算及結(jié)果輸出,。而圖像采集部分是此軟件完成的第一個重要部分,。采集部分有如下功能：
(1)啟動程序,，進行界面的初始化。
(2)采集,。當(dāng)按下菜單文件中的采集選項時,，程序首先調(diào)用CameraInit( )函數(shù)，判斷系統(tǒng)是否處在攝像機運行模式下,，若是則調(diào)用CameraStop( )和CameraUnInit( )函數(shù),，退出拍攝過程；若不是則重新設(shè)置界面模式來達到采集圖像的要求,，然后調(diào)用CameraPlay( )函數(shù)來驅(qū)動攝像機運行,。
(3)圖像存儲。軟件通過調(diào)用CameraCaptureFile( )函數(shù)將圖像以BMP格式存儲在計算機中,。
(4)設(shè)置,。在設(shè)置功能中可以實現(xiàn)對顯微鏡攝影效果的諸多調(diào)整，如曝光設(shè)置,、白平衡,、曝光時間、光照頻率等,，以提高采集圖像的清晰度,，使后期對圖像的操作和處理更加高效。其中曝光設(shè)置是通過AE鎖來實現(xiàn)的,，AE鎖是用于自動曝光時人為控制曝光量,，保證主體曝光正常。在這個過程中CameraSetAeState (m_Aeen)函數(shù)起到了關(guān)鍵作用,，當(dāng)按下AE鎖之后,，曝光時間和增益被鎖定，可通過目標(biāo)來實現(xiàn)曝光量的人為調(diào)整,，而CameraGetExposureTime( )函數(shù)和CameraGetAnalogGain ( )函數(shù)可分別用來調(diào)節(jié)曝光時間和增益,。
3 圖像處理
3.1 圖像的二值化
任何一幅圖像都包含著豐富的圖像信息，對于圖像處理而言,，關(guān)鍵在于如何提取這些信息并找出其中的特征[4],。CCD原始圖像為灰度圖像，像素值范圍為0～255 [5],，圖像中包括了目標(biāo)物體,、背景還有噪聲，而背景和噪聲將對圖像測量精度產(chǎn)生一定的影響,，因此需要對圖像進行預(yù)處理,。要想從多值的數(shù)字圖像中直接提取出目標(biāo)物體，濾除不利因素，最常用的方法就是設(shè)定一個閾值T,，用T將圖像的數(shù)據(jù)分成2部分：灰度大于或等于閾值的像素其灰度值為255,，否則為0。這是研究灰度變換的最特殊的方法,，稱為圖像的二值化,。
閾值的選擇至關(guān)重要，選擇不當(dāng)則可能將被測物的信息歸于背景或?qū)⒈尘暗男畔w于被測物,。為了使查找的邊緣更理想,，本文利用VC++編寫程序?qū)D像進行二值化處理，采用迭代法計算二值化的閾值,。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2個區(qū)域R1和R2；
(3)分別計算出區(qū)域R1,、R2的均值u1,、u2,；
(4)求出新的閾值T=(u1+u2)/2,；
(5)重復(fù)(2)～(4)，直到均值u1,、u2恒定不變,，這時所得到的T就是二值化處理所需求的閾值。
圖3為二值化處理后的效果圖,。
3.2 邊緣提取
邊緣檢測是計算機識別中非常重要的圖像處理手段,。邊緣檢測對于灰度級間斷的檢測是最普通的檢測方法，利用邊緣檢測,，計算機可以將圖像轉(zhuǎn)化為有利于識別的邊緣灰度圖[6],。
零件尺寸測量的關(guān)鍵在于邊緣輪廓的提取。圖像上顏色相近的像素連在一起形成了不同的區(qū)域,，在不同區(qū)域間的邊緣表現(xiàn)為顏色灰度的躍變,。邊緣檢測就是利用微分等方法，通過對灰度躍變的分析尋找圖像區(qū)域邊緣的技術(shù),。而且圖像的邊緣對于幾何尺寸參數(shù)的計算也是非常重要的,，通過檢測它可以獲得零件邊緣點位置的數(shù)據(jù)信息，運用一定的計算方法得到待測的幾何參數(shù),。
由于圖像測量系統(tǒng)一般是在現(xiàn)有的最優(yōu)環(huán)境下獲取被測物體的圖像,，因此圖像測量系統(tǒng)的邊緣檢測算法側(cè)重于定位的精確，要求不漏檢真邊緣同時不產(chǎn)生偽邊緣,。本系統(tǒng)采用的方法是：首先利用圖像的灰度直方圖分布得到該圖像灰度的閾值,，再根據(jù)閾值將圖像二值化，形成銳化圖像，然后選擇邊緣檢測算子檢測邊緣,，最后獲得圖像邊緣的曲線,。本系統(tǒng)采用Roberts算子對圖像進行邊緣檢測，Roberts算子是針對圖像2×2鄰域的處理來求對角線像素灰度的差分,。設(shè)G(x)為Roberts算子的計算結(jié)果,，則這種算子的計算公式為：
其中A0、A1,、A2,、A3分別為相鄰的4個像素，scale為差分比例系數(shù),。
4 圖像測量
4.1 系統(tǒng)標(biāo)定
在本測量系統(tǒng)中,，工件經(jīng)過顯微鏡物鏡放大后，實際尺寸和顯示的圖像尺寸之間成一個線性比例,。因此需要一個系統(tǒng)的標(biāo)定過程,，即確定實際尺寸和圖像尺寸之間的測量比常數(shù)k。其具體的標(biāo)定步驟為：
(1)選取一個尺寸已知的標(biāo)準零件,。本文選用尺寸一定的標(biāo)準尺作為標(biāo)定工件,，已知它的實際尺寸為d。
(2)將標(biāo)定工件放置于顯微鏡平臺上進行測量,。此時需保證測量系統(tǒng)處于正常的工作狀態(tài),，即光源、相機的參數(shù)以及工件和相機之間的相對位置等均與正常工作時相同,。在這樣的環(huán)境下,，利用函數(shù)GetDeviceCaps( )測量出以像素為單位的工件尺寸dpixel。
(3)按公式k=d/dpixel計算標(biāo)定系數(shù),。k體現(xiàn)了測量系統(tǒng)像素尺寸和實際物理尺寸之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,。本測量系統(tǒng)采用的是直徑為1 mm的標(biāo)準件。圖4為工件定標(biāo)界面,。
4.2 實驗數(shù)據(jù)及分析
電纜絕緣層圖像經(jīng)過預(yù)處理后,，就可以進入到標(biāo)定好的測量系統(tǒng)進行厚度和直徑的測量。通過像素個數(shù)與測量比k的計算,，根據(jù)公式L=kN即可得到實際電纜絕緣層的測量尺寸L,。
根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準之電線電纜絕緣厚度的測量方法，當(dāng)絕緣試片內(nèi)表面呈現(xiàn)絞合線芯線痕時,，各點上的厚度應(yīng)在線痕的凹槽底部最薄處,，沿試片圓周盡可能等距離測量6點。
本文所要測量的絕緣材料層與國家規(guī)定的一種截面圖相似,，所以可以根據(jù)國家規(guī)定的以上方法盡可能等距離地測量6點,，然后根據(jù)L=kN計算出實際的尺寸,，如圖5所示。
根據(jù)圖5測得的數(shù)據(jù)可知電纜絕緣層的厚度值為0.704 mm,，與標(biāo)準件相比誤差不超過0.01 mm,，符合規(guī)定。
本文設(shè)計了基于圖像處理技術(shù)的電纜絕緣參數(shù)測量系統(tǒng),，該系統(tǒng)選用不需附加采集卡的CCD攝像頭,，通過USB接口將采集到的數(shù)據(jù)輸入計算機。本文所采用的測量方法是將傳統(tǒng)的光學(xué)方法和基于數(shù)字圖像的測量技術(shù)相結(jié)合,，與傳統(tǒng)的測量方法相比,，既繼承了光學(xué)成像的優(yōu)點，又充分利用了計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力,，操作簡單,，自動化程度高，較好地避免了人為主觀因素的影響,。
參考文獻
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