摘 要：針對計(jì)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(jì)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(jìn)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(yùn)用Roberts算子對其進(jìn)行邊緣檢測,；最后利用邊緣輪廓特征計(jì)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(jìn)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(zhǔn)[1],，并給出了最低限和最高限,，生產(chǎn)廠家必須嚴(yán)格按照此標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)電纜的工業(yè)化生產(chǎn)。因此,，計(jì)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(jìn)行測量,，來檢驗(yàn)電纜是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)。然而到目前為止,，計(jì)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(jī)械投影儀的人工測量方法[2],。一般的機(jī)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(diǎn),，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(zhǔn)確性差,，而且后期數(shù)據(jù)處理更是加重了勞動強(qiáng)度,。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)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(jì)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(jī)攝取圖像信號,，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送至計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲,，從而完成計(jì)算機(jī)對圖像的采集過程。計(jì)算機(jī)利用由VC++開發(fā)的軟件系統(tǒng)對采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)和計(jì)算機(jī)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(zhǔn)件的方法來獲取顯微鏡的放大倍數(shù),，放大的標(biāo)準(zhǔn)件尺寸被轉(zhuǎn)換成屏幕像素進(jìn)行存儲，而屏幕尺寸與計(jì)算機(jī)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(zhǔn)件的尺寸，經(jīng)計(jì)算就可得到標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)件暴露在良好的光源之中,。然后，CCD攝像機(jī)對將要識別,、解釋的對象以圖像的形式記錄下來,，并由計(jì)算機(jī)將此電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號[3]，以便計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行各種必要的處理,。計(jì)算機(jī)捕獲到標(biāo)準(zhǔn)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?、?shù)值計(jì)算能力強(qiáng)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(jì)算機(jī)內(nèi)部，然后對此圖像進(jìn)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(jì)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(jì)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(jìn)行界面的初始化,。
(2)采集,。當(dāng)按下菜單文件中的采集選項(xiàng)時，程序首先調(diào)用CameraInit( )函數(shù),，判斷系統(tǒng)是否處在攝像機(jī)運(yùn)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(dá)到采集圖像的要求,，然后調(diào)用CameraPlay( )函數(shù)來驅(qū)動攝像機(jī)運(yùn)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(jì)算機(jī)中,。
(4)設(shè)置。在設(shè)置功能中可以實(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)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(jìn)行二值化處理,，采用迭代法計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算也是非常重要的，通過檢測它可以獲得零件邊緣點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)信息,，運(yùn)用一定的計(jì)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(jìn)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(jì)算結(jié)果，則這種算子的計(jì)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(shí)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(shí)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(zhǔn)零件,。本文選用尺寸一定的標(biāo)準(zhǔn)尺作為標(biāo)定工件，已知它的實(shí)際尺寸為d,。
(2)將標(biāo)定工件放置于顯微鏡平臺上進(jìn)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(jī)的參數(shù)以及工件和相機(jī)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(jì)算標(biāo)定系數(shù),。k體現(xiàn)了測量系統(tǒng)像素尺寸和實(shí)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(zhǔn)件,。圖4為工件定標(biāo)界面,。
4.2 實(shí)驗(yàn)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(jìn)入到標(biāo)定好的測量系統(tǒng)進(jìn)行厚度和直徑的測量,。通過像素個數(shù)與測量比k的計(jì)算,，根據(jù)公式L=kN即可得到實(shí)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(zhǔn)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(diǎn)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(diǎn),。
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(diǎn)，然后根據(jù)L=kN計(jì)算出實(shí)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(zhǔn)件相比誤差不超過0.01 mm，符合規(guī)定,。
本文設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī),。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(diǎn),，又充分利用了計(jì)算機(jī)強(qiáng)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,。
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