萬傳建

（中鐵十一局集團電務(wù)工程有限公司 湖北武漢 430071）

1 引言

電纜作為鐵路建筑工程中的必要施工材料，是電力傳輸、信號傳輸?shù)妮d體。電纜質(zhì)量作為工程安全運行的必要因素，隨著電纜產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展壯大，我國電纜生產(chǎn)能力出現(xiàn)過剩現(xiàn)象，市場競爭激烈，行業(yè)生產(chǎn)集中度低，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)很難得到嚴(yán)格控制。目前，由于電纜生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)不少小規(guī)模企業(yè)，在市場競爭中面臨越來越激烈的生存壓力，往往會出現(xiàn)不同程度、不同類型的偷工減料，以次充好。建設(shè)工程對電纜自身質(zhì)量要求較高，當(dāng)出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)電纜時，往往會帶來嚴(yán)重后果。項目施工管理過程中，多依靠送第三方抽樣檢查或者進場材料驗收等完成電纜的檢測。第三方抽樣檢查僅針對高壓電纜，進場材料驗收對電纜的外觀、絕緣性能等參數(shù)進行人工檢查、測量，對電纜導(dǎo)體截面積缺乏有效的檢查方法［1－2］。

電纜檢測環(huán)節(jié)的導(dǎo)體截面積作為評估電纜質(zhì)量的一個重要參數(shù)，截止目前主要采用線徑測量法、稱重法和直流電阻法。線徑法主要適用于單徑、未絞合的電纜導(dǎo)體［3］。稱重法通過截取數(shù)米長的電纜，通過稱重、測量導(dǎo)體長度計算導(dǎo)體截面積。該方法屬于破壞性試驗，截取的電纜長度較大并且后期無法繼續(xù)使用，且稱重過程復(fù)雜，不適用于項目施工管理的電纜導(dǎo)體截面積測量。直流電阻法通過測量導(dǎo)體的直流電阻和導(dǎo)體長度，計算得到導(dǎo)體截面積。本方法對電纜長度的要求較高，如果電纜長度和電纜導(dǎo)體截面積同比例變化，該方法無法有效判斷。

為了滿足項目施工管理中隨檢隨用的電纜合規(guī)性檢測需求，急需探求一種有效的截面積檢測方法，能快速無損地完成電纜導(dǎo)體截面積檢測。

2 機器視覺檢測技術(shù)概述

機器視覺檢測技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事和醫(yī)療等領(lǐng)域的一種間接的測量技術(shù)，通過分析和處理圖像的信息準(zhǔn)確獲取被檢測物體的幾何參數(shù)、行為信息，可用于工件尺寸測量、損傷檢測、農(nóng)作物病蟲害檢測、地形偵察、遙感測繪、器官尺寸檢測、無人駕駛等領(lǐng)域［4－6］。隨著計算機技術(shù)和光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展，機器視覺檢測技術(shù)正在向智能化、自動化方向發(fā)展，并且檢測精度、檢測效率逐步得到提高。

機器視覺檢測技術(shù)以被檢測物體的數(shù)字圖像為測量對象，經(jīng)過圖像采集和圖像處理兩個關(guān)鍵過程，獲取被檢測對象的有效幾何參數(shù)和行為信息。圖像采集是將被檢測物體的投影轉(zhuǎn)化為計算機可識別數(shù)字圖像的過程，獲取被檢測物體的高分辨率、低失真圖像。圖像處理通過圖像降噪、圖像分割和像素尺寸計算等過程，有效分離目標(biāo)和背景，對物體邊緣進行準(zhǔn)確識別［7］。機器視覺檢測技術(shù)正在開展實時檢測、多光譜檢測及數(shù)字圖像處理算法等方面的研究［8］。為了進一步實現(xiàn)導(dǎo)體端面的實時測量，提高截面積測量精度，項目組決定采用機器視覺檢測技術(shù)測定電纜導(dǎo)體的截面積。

3 機器視覺檢測裝置研究

機器視覺檢測裝置由成像裝置、圖像處理系統(tǒng)組成。成像裝置包括補光系統(tǒng)、攝像頭、被測物夾具等結(jié)構(gòu)，完成高質(zhì)量圖像的采集，是導(dǎo)體端面截面積測量的基礎(chǔ)。圖像處理系統(tǒng)主要由圖像處理軟件和輔助設(shè)備組成，實現(xiàn)導(dǎo)體端面圖像處理，獲得電纜導(dǎo)體截面積（見圖1）。

3.1 成像裝置

成像裝置通過光學(xué)攝像頭、感光芯片、光源和固定夾具完成電纜導(dǎo)體截面的數(shù)字圖像獲取及轉(zhuǎn)換。電纜導(dǎo)體在光源照射下，經(jīng)過光學(xué)鏡頭成像，利用感光芯片將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)過圖像采集卡轉(zhuǎn)變?yōu)橛行募Υ妗?/p>

光學(xué)成像裝置由拍攝導(dǎo)體端面圖像的攝像頭、固定被測對象位置的定位螺栓、控制被測物到攝像頭距離的定距擋板、提供光源的補光燈和漫光板及鏡筒組成（見圖2）。

由補光燈和漫光板組成的補光系統(tǒng)是為了使被測目標(biāo)和背景產(chǎn)生明顯的區(qū)別，凸顯被測目標(biāo)的特征，采用發(fā)光二極管（LED）為被測物提供亮度穩(wěn)定、使用壽命長、可加工度高的照明光源，提高成像質(zhì)量。經(jīng)試驗，電纜導(dǎo)體截面積測量采取12個額定電壓5 V、額定功率50 mW的矩形補光燈，光照均勻、光線柔性度高，有效避免局部圖像過于明亮，影響圖像的對比度。被測物在補光燈下，導(dǎo)體呈鏡面光澤，與背景產(chǎn)生明顯的區(qū)別。

感光芯片是成像系統(tǒng)的主要部件，也是工業(yè)相機的成像部件，一般有電荷耦合型器件（CCD）和金屬氧化物器件（CMOS）兩類。其中，金屬氧化物器件（CMOS）因不需要額外配置圖像采集卡等傳統(tǒng)硬件而被廣泛應(yīng)用。CMOS采用寄生電容將每個像素轉(zhuǎn)換成電壓（模擬信號），減少了CCD傳感器中的信號轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，有效節(jié)約能耗。根據(jù)圖像像素需求，圖像處理算法的分割精度普遍達(dá)到0.5像素以內(nèi)，電纜導(dǎo)體截面積檢測以0.5像素進行預(yù)設(shè)檢測系統(tǒng)。

電纜導(dǎo)體截面積檢測裝置檢測系統(tǒng)采用定焦鏡頭，能有效避免因?qū)拐`差造成的像素模糊。焦距增加能有效抑制成像畸變，考慮到裝置成本和測量精度需求，本裝置采用焦距為16 mm的鏡頭。

成像系統(tǒng)中導(dǎo)體端面與定距擋板貼合，由于定距擋板屬于活動構(gòu)件，因此其與鏡筒光軸存在一定傾角，在成像時會引入傾斜誤差。為提升成像系統(tǒng)的有效性，減小成像誤差，定距擋板的傾角應(yīng)限制在一定范圍。

圖3中，A和B為成像系統(tǒng)物面（導(dǎo)體端面）和感光芯片的共軛面，物體的大小用L表示，H為理想物體所成像的大小，u為物距，v為像距，假設(shè)透鏡直徑為無窮小。

導(dǎo)體的端面與物面A可能會出現(xiàn)一定程度傾斜，假設(shè)傾斜角度為θ，對應(yīng)的像高為H′，相當(dāng)于一個高度為L′的物體在A平面上所成像，L和L′的差即為傾角存在而形成的誤差。其相對誤差計算方法為：

將誤差用成像裝置光學(xué)參數(shù)表示，則：

顯然，δ隨L增大而增大。本文所述待測目標(biāo)最大直徑為15 mm，因此本文取L＝15 mm進行分析，并繪制傾斜誤差δ隨傾角θ的函數(shù)圖像（見圖4）。限制傾斜誤差小于0.3%，傾角θ設(shè)計時不大于2°，即定距擋板與光軸的夾角不大于2°。

此外，鏡筒內(nèi)外徑、擋板尺寸、定位螺栓型號等固定夾具的結(jié)構(gòu)參數(shù)由實際經(jīng)驗確定，在正常測量時不影響測量精度。

3.2 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)主要由圖像處理算法軟件和軟件運行的硬件組成。其中，軟件設(shè)計重點針對被測目標(biāo)圖像的邊緣、尺寸，進行有效提取，進而判定圖像的有效區(qū)域，利用局部區(qū)域自迭代聚類進行快速初次分割和合并，統(tǒng)計銅線圈的個數(shù)或面積，從而準(zhǔn)確計算出電纜導(dǎo)體截面積（見圖5）。

本項目擬采用像素級圖像邊緣檢測算法和基于連通組元提取等流程，實現(xiàn)導(dǎo)體邊緣精確定位。圖像邊緣檢測通過圖像的灰度值變化準(zhǔn)確定位邊緣，通過一次求導(dǎo)運算、二階倒數(shù)分別判定階躍型邊緣、斜坡形邊緣。本項目通過對比基于Laplace算子、LOG算子、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、小波變換、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和分形理論的圖像邊緣檢測方法對50 mm2緊壓絞合電纜截面進行處理。邊緣檢測結(jié)果及處理時長見圖6和表1。

表1 各類邊緣檢測算法處理時長

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)：Roberts、Sobel、Canny 算子檢測結(jié)果相似且相對準(zhǔn)確，但存在不少偽邊緣。LOG算子和Canny算子邊緣寬度約為一個像素，但LOG算子對噪聲十分敏感，Canny算子用時較長。Otsu閾值分割與數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)結(jié)合的算法定位精度高，邊緣寬度約為兩個像素，對噪聲不敏感，檢測速度最快。本項目選取Otsu閾值分割與數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)相結(jié)合的檢測方法作為檢測系統(tǒng)的邊緣檢測方法。

圖像邊緣補償采用角點提取算法，提取導(dǎo)體相接觸形成的角點，通過角點將電纜輪廓拆解為不連續(xù)的弧段，每個弧段的兩端對應(yīng)兩個角點，提取每個弧段的像素點最小凸多邊形，剔除凸多邊形中角點弧長所在的一邊，用剩余弧段代替原始弧段，依次將弧段連接，即可得到補償完成的輪廓，有效填補輪廓的缺損、修復(fù)粗糙的輪廓邊緣［9］。以50 mm2電纜導(dǎo)體輪廓為例展示邊緣補償流程，提取弧段AB，通過像素映射，獲取補償后的新弧段（見圖 7）。

通過以CPDA角點檢測為基礎(chǔ)算法，然后改進了CPDA算法的全局角度計算方法，使其更適用于電纜導(dǎo)體輪廓。以50 mm2電纜導(dǎo)體輪廓為例進行有效性驗證，經(jīng)過試驗驗證，本項目提出的角點檢測算法能精確提取角點，通過有效補償消除邊緣缺損，實現(xiàn)導(dǎo)體輪廓的重構(gòu)（見圖8）。

4 機器視覺檢測試驗

將圖像處理算法編寫為軟件，按照相機控制、圖像顯示、圖像處理、結(jié)果打印四個模塊進行設(shè)置。利用相機控制模塊控制導(dǎo)體端面圖像的采集，并顯現(xiàn)在裝置界面上；利用圖像處理模塊分離出電纜導(dǎo)體和背景，通過輪廓提取、降噪、邊緣補償、填充導(dǎo)體區(qū)域等完成電纜端面像素點的去噪、優(yōu)化；統(tǒng)計導(dǎo)體像素點數(shù)量，結(jié)合成像裝置原理計算導(dǎo)體實際面積（見圖9）。

以50 mm2電纜和150 mm2電纜為檢驗對象驗證機器視覺檢測系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性。

（1）截取50 mm2電纜和150 mm2電纜端面，采集電纜端面的高清圖像。

（2）采用機器視覺檢測系統(tǒng)對圖像進行處理，處理得到的導(dǎo)體像素點記為n1，折算得到的面積記為s1。

（3）測定電纜的有效截面積，記為s2。測量方法為國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 3048.2—2007規(guī)定的稱重法［10］。

兩種規(guī)格導(dǎo)體處理后得到的數(shù)據(jù)見表2和表3。

表2 50 mm2電纜測量結(jié)果

表3 150 mm2電纜測量結(jié)果

由表2和表3可知，50 mm2電纜的平均檢測時長為2.447 s，平均測量誤差為＋0.52%，最大測量誤差為＋0.94%；150 mm2電纜的平均檢測時長為3.735 s，平均測量誤差為－0.22%，最大測量誤差為－0.56%。經(jīng)試驗可知，機器視覺檢測技術(shù)在電纜導(dǎo)體截面積測量方面能達(dá)到較高精度，測量誤差小于1%。

5 結(jié)束語

電纜導(dǎo)體截面積是電纜質(zhì)量檢測的一個重要參數(shù)，本項目通過研究機器視覺檢測技術(shù)，準(zhǔn)確測量出電纜導(dǎo)體截面積。經(jīng)過試驗和現(xiàn)場應(yīng)用，基于機器視覺檢測技術(shù)的電纜導(dǎo)體截面積測量方法在測量電纜導(dǎo)體截面積的最大相對誤差在1%以內(nèi)，檢測時間在5 s以內(nèi)，可有效滿足項目施工管理中對電纜導(dǎo)體的截面積測量要求，并具有較強的現(xiàn)場可操作性和可推廣應(yīng)用性。同時，可為電阻測量法、電容測量法判定電纜的合規(guī)性提供精準(zhǔn)的截面積參數(shù)［11］。