摘  要： 針對氣球載雷達系留繩外護套表面損傷的人工目視檢測難題,，設(shè)計并構(gòu)建了由工業(yè)數(shù)字攝像機,、工業(yè)鏡頭、光源等器件組成的視覺測量硬件平臺,，運用VisionPro視覺工具庫和C#語言混合編程方法開發(fā)了檢測軟件,，完成了測量圖像采集與顯示、圖像處理,、分類識別等功能,。通過試驗驗證表明，該系統(tǒng)檢測速度快,、缺陷檢出率高,，能夠滿足實際應(yīng)用需求。

　　關(guān)鍵詞： 機器視覺,；損傷檢測,；系留繩；圖像處理

0 引言

　　作為氣球載雷達裝備的關(guān)鍵部件,，系留纜繩在氣球載雷達裝備充氣浮空后,，將長期持續(xù)工作，通常需要連續(xù)工作運行數(shù)年之久,。系留纜繩在使用過程中,，長期暴露在大氣環(huán)境之中，受到雷擊,、溫度,、輻射,、扭轉(zhuǎn)、掛擦,、壓搓,、折彎等多種因素影響，并處于大載荷狀態(tài),。極為惡劣的工作環(huán)境和條件,，會造成纜繩外護套出現(xiàn)起皺、變形,、破損,、劃傷、老化龜裂等損傷,。這些損傷如果不能及時發(fā)現(xiàn)和處理,，將造成纜繩局部性能的下降，直接影響系留纜繩的安全性,、可靠性和使用壽命,，進而給氣球載雷達和空域的安全帶來巨大的威脅。但系留纜繩的檢測目前存在著較大難度,。當(dāng)浮空器在地面系留或空中系留時纜繩均無法通過人工進行目視檢測,，且收放過程中纜繩運行速度較快（1 m/s～4 m/s），人工目視檢測存在費時,、費力,、影響裝備使用（檢測時必須在纜繩脫離球體后單獨進行）、無法及時發(fā)現(xiàn)故障隱患等問題,。

　　為此,，本文基于機器視覺技術(shù)，通過圖像攝取裝置將攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號,，傳送給由計算機組成的圖像處理系統(tǒng),，根據(jù)圖像分布和亮度、顏色等信息,，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號,，并由處理軟件對這些信號進行各種運算來抽取目標特征[1]，研制了氣球載雷達系留纜繩外套無損檢測系統(tǒng),。該系統(tǒng)可在系留纜繩收放過程中檢測系留纜繩外護套外表面的狀態(tài),，自動查找系留纜繩外表面存在的損傷故障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　1.1 系統(tǒng)組成

　　檢測系統(tǒng)由高速照相設(shè)備,、光源,、計米測速同步模塊、供電電源,、計算機,、交換機,、相機工裝及電纜附件組成，組成框圖如圖1,。攝像機是機器視覺系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵組件,，其最本質(zhì)的功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成為有序的電信號。選擇合適的攝像機也是機器視覺系統(tǒng)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié),，攝像機不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質(zhì)量等,，同時也與整個系統(tǒng)的運行模式直接相關(guān)[2],。高速照相設(shè)備由3臺高速工業(yè)相機組成。該相機能采集輸出30萬像素的灰度數(shù)字圖像,，具有最快達到萬分之一秒的快門速度,，能有效消除纜繩運動、抖動產(chǎn)生的圖像模糊,；相機的運行和圖像采集幀率可控,、可調(diào)，以適應(yīng)纜繩收放的隨機性和速度的不確定性,。相機采用網(wǎng)絡(luò)端口輸出,，具有傳輸速率高、傳輸距離遠,、抗干擾性能強的特點,。光源采用專門設(shè)計的2個相對照射的環(huán)形高亮LED光源。該光源的亮度高,、無閃爍,，并可根據(jù)需要進行亮度調(diào)整，其作用是使纜繩表面的光照均勻,、無陰影,、無亮斑，可防止外界的光線影響檢測效果,。計米測速同步模塊主要實現(xiàn)纜繩運動的計米,、測速和同步三大功能。

　　所謂計米就是獲取當(dāng)前檢測點在纜繩的位置信息,；測速是為了使損傷檢測軟件參數(shù)與纜繩收放速度相一致,；同步則是使檢測系統(tǒng)工作與收放設(shè)備工作同步進行，無需人工干預(yù),。供電電源主要是給高速相機,、環(huán)形光源和四口交換機提供直流工作電源。電源為交流220 V輸入,，有4路直流輸出：1路送到3個高速相機,，2路送到2組環(huán)形光源,，1路送到四口交換機。

　　1.2 工作原理

　　系統(tǒng)工作原理描述如下：在纜繩回收艙內(nèi)設(shè)置一工裝,，系留纜繩從工裝中穿過,。將3個高速照相機和光源按一定角度放置在纜繩周圍，如圖2所示,。

　　當(dāng)回收或放出的系留纜繩以一定速度從工裝中通過時,，光源對纜繩進行照射，使纜繩表面的光照均勻,、無陰影,、無亮斑，防止外界的光線影響檢測效果,。高速照相設(shè)備則從不同角度對纜繩進行360°環(huán)形拍攝,。

　　高速照相機采集到的圖像信息實時傳到圖像采集卡，圖像采集卡將采集的信號數(shù)字化送到計算機進行數(shù)字圖像處理,、缺陷檢測與分類識別,。計米測速同步模塊使檢測系統(tǒng)工作與系留繩收放設(shè)備工作同步進行，無需人工干預(yù),，并可獲取當(dāng)前檢測點在纜繩的位置信息,。

　　1.3 主要功能

　　檢測系統(tǒng)主要實現(xiàn)如下功能：

　　（1）在線自動查找系留纜繩外表面的損傷,，進行損傷報警,；

　　（2）損傷面積的顯示和測量,；

　?。?）損傷定位、識別及分類,；

　?。?）保存查找到的損傷圖像以及纜繩外表面全部圖像，對其進行離線式后期精細分析處理,。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　2.1 軟件功能模塊及處理流程

　　根據(jù)系統(tǒng)要完成的功能,，系統(tǒng)軟件設(shè)計劃分為初始控制、圖像采集,、圖像處理,、識別分類、用戶管理和記錄顯示等功能模塊,。軟件功能模塊組成如圖3所示,。

　　初始控制模塊對整個系統(tǒng)進行初始化，設(shè)定光源照度,、相機焦距,、光圈,、幀頻等參數(shù)，初始化通信接口等,；圖像采集模塊負責(zé)對相機采集數(shù)據(jù)進行控制,；圖像處理模塊完成纜繩圖像的預(yù)檢測（纜繩定位、圖像濾波,、背景校正和圖像二值化處理）,、損傷檢測；識別分類模塊通過對損傷特征（面積,、周長,、圓形度、伸長度,、矩形度等）的提取來實現(xiàn)損傷的識別和分類；用戶管理模塊管理不同權(quán)限的用戶操作,，保證檢測方法的有效性,；記錄顯示模塊對檢測圖像進行記錄，實時顯示檢測圖像,，標記出損傷的位置,，顯示損傷特征數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件主要處理流程如圖4所示,。

　　2.2 軟件實現(xiàn)方法

　　系統(tǒng)軟件開發(fā)語言采用Microsoft Visual Studio 2005 C#,，為縮短開發(fā)時間，系統(tǒng)選用了Cognex公司先進的VisionPro機器視覺工具庫,，該工具庫是一套基于PC架構(gòu)的視覺系統(tǒng)軟件開發(fā)包,，主要應(yīng)用于各種復(fù)雜的機器視覺領(lǐng)域，它包含了用于定位,、檢測,、識別和通信等各種任務(wù)的視覺軟件程序組[3]。VisionPro提供了易于應(yīng)用的原型,、發(fā)展和應(yīng)用,，VisionPro的兩層軟件結(jié)構(gòu)便于建立原型和集成。在交互層,，用戶利用拖放工具,，可以很方便地定義工具、測試工具行為及有效地運行參數(shù)之間的連接,；在程序?qū)?，原型?yīng)用可通過Visual Basic或Visual C#等開發(fā)環(huán)境開發(fā)出個性化的解決方案。本系統(tǒng)軟件通過在C#程序集成VisionPro機器視覺工具庫,，方便地實現(xiàn)了圖像預(yù)處理,、圖像拼接,、圖像標定、幾何校正,、定位,、圖像幾何測量和結(jié)果分析等功能，本系統(tǒng)設(shè)計的工作主界面如圖5所示,。

3 結(jié)束語

　　本檢測系統(tǒng)是專為氣球載雷達裝備中的系留纜繩而配套的檢測設(shè)備,，用于在線無損檢測系留纜繩外護套的表面損傷。除可以在線檢測缺陷進行損傷定位外,，系統(tǒng)還可以通過計算機保存采集的圖像,，采用較為復(fù)雜的非實時圖像處理方法，對記錄的圖像進行離線精細判讀,，以對纜繩缺陷進行更加全面,、精細的診斷。該系統(tǒng)研制完成后在部隊進行了使用,，使用表明該系統(tǒng)有較好的檢測效果,，能夠?qū)ο盗衾|繩外護套進行快速連續(xù)檢測，且損傷檢測準確度高,?？勺鳛闅馇蜉d雷達系留纜繩的重要維護設(shè)備，提高部隊的裝備保障能力,。

　　參考文獻

　　[1] 荊仁杰.計算機圖像處理[M].杭州：浙江大學(xué)出版社,，1990.

　　[2] 王運哲，白雁兵,，張博.機器視覺系統(tǒng)的設(shè)計方法[J].現(xiàn)代顯示,，2011（11）：24-26.

　　[3] Cognex公司.VisionPro（R）7.2幫助[EB/OL].[2015-06-01] http：//www.cognex.cn/support/visionpro. VisionPro（R） Online Documentations，2011.