2018, Vol. 50
2. 河南省产品质量监督检验院 河南 郑州 450004
2. Product Quality Supervision and Inspection Institut of Henan Province, Zhengzhou 450004, China
电缆广泛应用于工业、航天、民用、基础设施建设等领域.针对其绝缘和外套外形尺寸的测量，通常通过光学投影仪、放大镜、指针式测厚仪完成, 不同外形、不同线芯测量点的选择与读数通过人工完成.这种传统的测量方法，测量步骤复杂、自动化程度低、测量准确性差、测量效率低.随着图像处理技术和机器视觉技术的广泛应用，有学者提出基于图像采集处理、模式识别技术的电缆绝缘厚度检测方法[1-4].但在实际检测中，这些方法并没有得到很好应用，诸如多数被测电缆的横切面为不规则圆，将传统的边缘提取及变换求圆的方法[5-7]，应用于电缆横截面几何尺寸的检测，其识别效果并不理想.文献[1]中提出了基于形体质心思想的边缘亚像素定位算法，实现了对标准电缆护套厚度的测量，但其识别精度较低，无法满足国标规定的精度要求.现有的基于图像处理的电缆横截面尺寸检测方法，仅能够实现对电缆绝缘层或护套厚度的测量，测量参数单一，无法广泛地推广应用，并且关于铠装电缆金属屏蔽层的尺寸检测，目前尚无研究或应用的报导.
本文通过对电缆截面图像特征分析，提出一种切线法定位圆心的电缆横截面几何尺寸测量方法.该方法采用形态学运算方法[8]获取电缆横截面图像的边缘像素信息，通过切线法定位线芯圆心，采用线性映射方法获得直径和绝缘厚度，避免采用Hough变换，从而大大降低了运算量；在图像HSI空间采用过定点的Hough直线变换[9]检测金属屏蔽层半径，最后通过拟合得出电缆的金属屏蔽层厚度.
1 电缆横截面特征参数识别原理及方法 1.1 切线法识别圆心的原理及方法根据电缆横截面图像特征，利用圆的两条平行切线之间的距离为直径这一特点，可知该切线与圆边缘的两个切点连线必过圆心，采用图像水平方向的两个切点连线与图像垂直方向边缘点与另一组平行线的两个切点连线交点的检测算法，提出一种电缆横截面圆心及半径识别方法，其检测流程如图 1所示.
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图 1 切线法检测圆心流程 Figure 1 Principle of tangent method |
电缆横截面图像中，电缆的金属屏蔽层很薄且灰度变化不明显，无法通过灰度变换的方法对其进行分割.根据屏蔽层颜色的特殊性，采用基于HSI空间的图像分割方法进行处理，首先对采集的图像进行颜色空间转换，再根据HSI空间分量值对图像进行分割，得出金属屏蔽层像素信息，依据金属屏蔽层与截面线芯的同心性获取圆心位置，并定位屏蔽层位置.最后，利用过定点Hough直线变换法[10]计算金属屏蔽层的半径.
根据所测电缆截面特征，拟合3个屏蔽层外切圆，求其与电缆边界的最短距离，即绝缘层最薄点，其处理流程如图 2所示.
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图 2 金属屏蔽层尺寸检测流程 Figure 2 Principle of metal shielding layer size detection |
采用平行切线方法确定截面半径及圆心时，采用形态学运算定位截面边缘像素点.然后在图像空间Y轴方向设置两条平行线α1//α2，X轴方向设置两条平行线β1//β2，遍历图像边缘点坐标，得到边缘点与平行线的切点坐标(xi1, y), (xi2, y), (x, yi1), (x, yi2), 如图 3所示，半径R=(xi2-xi1)/2, 圆心坐标为
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图 3 定位圆心示意图 Figure 3 Principle of positioning center |
根据截面外轮廓特征可知，一次相交得到的切点连线交点无法准确定位电缆截面的真实圆心位置.将图像边缘像素点顺时针旋转，旋转后像素点和原像素点与圆心连线的夹角为θ，设旋转次数为n，求n=360/θ次检测结果的平均值，即为圆心(x, y)，其数学表达式为：
| $ \left\{ \begin{array}{l} \bar x = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{x_i}} = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{x_{i1}} + {x_{i2}}}}{2}} \\ \bar y = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{y_i}} = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{y_{i1}} + {y_{i2}}}}{2}} \end{array} \right., \bar R = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{X_{i2}}-{X_{i1}}}}{2}} . $ |
同理，可求得线芯的圆心及半径.
由于本文检测对象的特殊性，可以将电缆截面图像中线芯以外与外圆以内连通区域视为噪声，通过形态学运算[8]将其滤除，这样可以避免图像噪声对处理结果的影响.分别对电缆横截面图像采用中值滤波、均值滤波、高斯滤波进行去噪处理，对比部分实验结果如图 4所示，可以看出：采用形态学运算处理的图像，边缘清晰，待检测区域与非检测区域分割明确，有利于图像的后续处理.
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图 4 不同去噪方法处理结果 Figure 4 Different de-noising results |
传统的Canny算子检测图像边缘时需要人为设定高斯函数的方差，且高斯滤波抑制噪声的同时降低了图像边缘的清晰度[9].通过去噪预处理可以看出，图 5(a)的内部线芯轮廓清晰且封闭连通，外部边缘点较其他处理结果最为完整，采用文献[10]中的轮廓填充算法对图像进行填充，通过背景变换可以得到图像的轮廓像素信息，如图 5(d)所示.
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图 5 不同边缘提取方法处理结果 Figure 5 The results of different edge extraction methods |
采用同样的处理算法，可定位3个线芯的圆心坐标，将给定的RGB图像转换为HSI彩色图像，每个RGB像素的H分量计算式为[5]H=θ, B≤G；H=360－θ, B>G，其中：
根据屏蔽层的颜色特征，选取合适的H分量值(通过对比色调表可得分割阈值)进行图像分割，可定位出金属屏蔽层和铠装带的位置，如图 6所示.金属屏蔽层形状较为规则，部分区域像素点分布不均，设金属屏蔽层像素密集处边缘点到圆心最长距离为Rmax，最短距离为Rmin.
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图 6 HSI空间分割效果 Figure 6 HSI space segmentation |
已知圆心坐标和金属屏蔽层的像素信息，按照文献[9]过定点的Hough直线变换检测方法，计算线芯轮廓点到圆心的欧氏距离，其峰值对应的欧氏距离即为所求半径.本文采集的图像像素较大，采用此种方法时，运算速度慢，占用内存高.因此，采用线性映射的方法，将所求欧氏距离映射到一个线性区域，通过对该区域的运算，得到所求半径.设映射单位为n, 映射系数k=n/(Rmax-Rmin)；映射初始点b=-k·Rmin；映射方程y=k·x+b.求映射方程的对应峰值的欧氏距离，即为金属屏蔽层半径.
2.2.2 电缆绝缘厚度检测算法电缆绝缘厚度为线芯边缘到电缆边缘的距离，根据其最小值的大小，可判断绝缘厚度是否合格，采用2.1中的检测方法定位线芯圆心坐标，根据2.2.1中方法检测的金属屏蔽层半径拟合出3个圆如图 7(a)，3个圆心的交点连线组成等边三角形，拟合3个圆的外切圆，外切圆圆心为三角形的几何中心，半径等于几何中心到三角形顶点的距离加上内圆的半径.如图 7(b)所示：过三角形的几何中心向三角形顶点做3条射线α1、α2、α3，3条射线与截面外轮廓的交点，为绝缘层最薄处候选点，判断其最小值，即为绝缘层最薄点.
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图 7 定位绝缘层最薄点示意图 Figure 7 Principle of locating the thinnest insulator layer |
实验选用三芯铠装带金属屏蔽层Φ78 mm电缆，该电缆截面尺寸多样，截面颜色复杂.外圆轮廓为非标准圆，采用2.1所述定位方法，选用不同的旋转角度进行处理.
实验中，根据旋转角度的不同，首先定位4个切点的位置，通过4个切点半径的变化率确定所需旋转次数(即360°除以旋转角度)，提取部分旋转次数检测数据如表 1所示.检测半径时，水平方向与竖直方向均有两组切线与圆相切，为了减少运算时间，只需在1°~90°范围内旋转.从测试数据可以看出，当旋转次数大于10时，检测结果趋于稳定.
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表 1 旋转次数与检测结果 Table 1 Cycle times and test results |
根据表 1中趋于稳定时的旋转次数，计算测量的切点坐标，利用2.1所述算法求得圆心坐标.为了提高实验数据的准确性，进行了多次取样.检测结果表明，旋转次数为20次(旋转角度取4.5°)，既可保证精度，又可减少运算量.分别测试1到360次旋转运算所需时间，循环最大耗时为270 μs，旋转50次，耗时40 μs；旋转20次时，定位圆半径只需17.2 μs.
本实验所用装置视场像素尺寸为45.5 μm/像素，计算旋转次数为11~20时所测半径值及其误差如表 2所示.
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表 2 旋转次数为11~20时所测半径值及其误差 Table 2 The radius value and the error after 11~20 cycles |
对比文献[11]的测量结果，由表 1、表 2实验结果表明，本文的算法运算速度更快，文献[11]中测量数据需要2 min，而本文的算法仅需要17.2 μs.本文算法在增加运算速率时并未降低测量精度，其测量精度可达0.01 mm，而文献[1]中对电缆护套6处地方的测量值与真实值的差值分别为0.006、-0.239、0.066、0.066、-0.038、-0.124 mm，其平均差值为0.099 8 mm，远高于0.01 mm.
4 结论实验证明，本文根据所测电缆截面图像特征，设计的切线法能够快速、准确地定位不规则圆的圆心；基于HSI空间的铠装电缆屏蔽层厚度检测方法，是在已有检测基础上通过数学模型进行拟合的运算方法，能够有效计算出屏蔽层厚度.并且该方法仅需一次采样，即可实现电缆横截面多个几何参数的自动化检测，解决了现有电缆检测系统检测参数单一的问题.在算法设计过程中，该方案采用了高精度计算方法，并优化计算过程，具有检测精度高、运算速度快的特点.该方案大大缩短了电缆截面几何参数的检测时间，提高了检测精度，具有较高的推广应用价值.
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