线缆绝缘和护套几何参数测试系统设计

董辉平，谢娟敏，沈奶连

(上海电缆研究所，上海200093)

0 引言

电线电缆以及光缆在工业、航天、军事、民用、基础设施建设等方面均有广泛的应用。针对其绝缘和护套外形尺寸的测量，在IEC 60811、GB/T 2951.11均有明确规定。其推荐测量方法包括:指针式测厚仪、显微镜和投影仪，这些传统方法人为参与相对较多，测量工作量大、繁琐，准确性差异大。

基于光学成像、图像处理［1］、识别［2-3］和机器视觉等方法形成的一种新型检测技术，很好地克服了前述传统测量方法的缺点。这种新型检测技术需提供的电缆切片样品，与手工测量样品一样，其内部边缘常有绞合导体剥离后留下的凹痕。对此，传统基于边缘的图像分析，已无法准确定位测量层的边缘位置。因此，本设计提出基于图像分割的图象分析方法，实现阴影与层本体的准确分离。

1 系统结构

1.1 测试原理

该全自动测试系统是基于光学成像、图像处理、识别和机器视觉等方法而形成的。系统硬件主要包括视觉照明、光学成像、视觉控制、数据传输等，软件图像处理中，采用多次平均、插值、亚像素化［1］等方法，可以使计算结果的精度高于物理分辨率。系统结构框图见图1。

图1 系统结构框图

此测试原理可使整个测试过程中人为干预很少，且非常简便:将切割好的电缆绝缘和护套放置在测试平台上，通过光学成像系统，自动完成图像识别后，由主机软件完成图像处理，最终获取绝缘和护套的几何参数。

1.2 系统硬件

ISG电缆绝缘和护套几何参数全自动测试系统硬件架构由以下几个模块组成:光学成像模块、光学照明系统、光源控制模块和数据转接模块。

光学成像模块由多个光学镜头和相机(CCD)组合而成。光学照明系统尽可能清晰地体现待测件的外形参数，减少待测件其它不必要的可见特征。另外，为了检测方便，亮度流明控制通过上位机实现恒流程控。光源控制模块和数据转接模块则为光学和照明系统提供便捷的上位机接口。

1.3 测试软件算法

电缆切片样品，厚度小于2 mm，内部边缘常有绞合导体剥离后留下的凹痕。对此，传统的基于边缘的图像分析，已无法准确定位测量层的边缘位置。因此，本系统设计提出基于图像分割的图象分析方法，实现阴影与层本体的准确分离。

任何一种常用的图像分割算法，如:分水岭分割、聚类分割(包括K means，模糊聚类，基于核的模糊聚类)［3］、均值漂移(Mean Shift)［4］、图割(Graph cut包括Min-Cut，N-Cut，R-Cut等)和活动等值线等方法［1，4-5］，都不能有效地实现电缆切面图像的分割。因此，本设计采用多层级的图像分割方法来实现电缆截面图像分析。考虑工程应用的实际，并针对传统V.S.分水岭算法存在的过分割现象［6-7］，提出一种基于脊线的层级分水岭算法。通过对传统V.S.分水岭算法中浸没过程的适当改进，找到完整无冗余的区域脊线;再次修改浸没过程，仅对脊线进行多级迭代的分水岭再分割，即可完成区域分割。

2 测试结果

基于上述的新型图像处理算法，针对不同的电缆截面，我们进行了大量的论证试验。试验结果显示:以这种新型算法为基础的图像处理技术，非常适合电缆截面测量的工程实际应用。图2显示了基于新型算法的测试系统所支持的常见电缆截面类型图。这些类型截面的样品，其测试结果均能达到或优于标准所要求的精度。且在实际测试过程中，测试过程为自动完成，大大减少了人为干预的程度。测试速度和测试结果的一致性也得到了更高的保证。图3为测试系统自动生成的测试结果及测试报告。

测试结果的准确性与合理性是判断系统成功与否的关键所在。对此我们分别进行了准确性测试验证。在准确性测试验证中，我们选用标定件A和标定件B来检测测试系统。标定件A和标定件B如图4和图5所示，可以达到±1μm的精度。

图2 常见电缆截面类型图

图3 测试结果及测试报告

图4 标定件A样板图示

表1和表2中分别列出了标准件A和标准件B的测试结果。从表1中的测试数据可以看出，对于大于100 mm直径的标准件，其测试精度达到±0.039 mm。从表2可以看出，对于小于25 mm直径的标准件，其测试精度达到±0.005 mm。对于大于25 mm小于48 mm直径的标准件，其测试精度达到±0.0017 mm。均小于标准要求的±0.01 mm。测试结果也说明:该测试系统的测试精度(平均值－实际值)可以达到IEC 60811、GB/T 2951.11标准值更高的水平，完全可以实现工业现场的绝缘和护套几何参数实际测量的要求。

图5 标定件B样板图示

表1 标准件A准确性测试结果(单位:mm)

表2 标准件B准确性测试结果 (单位:mm)

3 结束语

ISG电缆绝缘和护套几何参数全自动测试系统，是实现光电缆绝缘及护套厚度和外形尺寸测试的专用高精密仪器。系统采用数字图像测量技术和模式识别系统，采用非接触图像处理，采用高精度CCD摄像机实现了被测样品测试参数的自动测量。具有测试速度快、人性化、自动化、测试准确、系统稳定及操作简单等优点。系统不仅可提供测试电缆、光缆的绝缘和护套材料的厚度、外径参数。同时，系统还可以给出绝缘和护套材料的椭圆度、同心度、内径、面积、颜色比等参数。目前，已有多个用户应用该套测试系统，运行情况良好。

［1］Gonzalez R.C，Woods R.E.阮秋琦，阮宇智译.数字图像处理(第二版)［M］.北京:电子工业出版社，2003.

［2］章毓晋.图像分割「M］.北京:科学出版社:2001.

［3］王小鹏，罗进文.基于形态学梯度重建的分水岭分割［J］.光电子·激光，2005，16(1):98-101.

［4］卢官明.一种计算图学形态梯度的多尺度算法［J］.中国图象图形学报，2001，6(A)(3):218-241.

［5］肖鹏峰，冯学智，赵书河，等.基于相位一致的高分辨率遥感图像分割方法［J］.测绘学报，2007，36(2):146-151.

［6］陈 杰，邓 敏，肖鹏峰，等.基于分水岭变换与空间聚类的高分辨率遥感影像面向对象分类［J］.遥感技术与应用，2010，26(5):597-603.

［7］孙卫芳，段智勇，朱仲杰.结合JSEG与分水岭方法的彩色图像分割［J］.计算机工程与应用，2010，46(21):185-187.