CN114022378A - 一种基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法，铜带屏蔽层绕包设备运行稳定后，相机采集铜带屏蔽层绕包图像；对采集的图像进行裁剪、中值滤波、二值化和腐蚀运算；对处理后的图像得到最小外接矩形；对图像角度进行调整，对目标区域进行筛选，并提取区域质心；通过区域质心距离计算铜带屏蔽层的搭盖率。本发明通过视觉技术实时对屏蔽层的搭盖率进行自动测量，从而方便对屏蔽层绕包的搭盖率进行控制，从而无需设定较高的搭盖值，减少屏蔽层浪费。

Description

一种基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法

技术领域

本发明涉及一种铜带搭盖率检测方法，特别是一种基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法，属于线缆生产控制领域。

背景技术

为提高线缆对外部信号的抗干扰性能，在中高压线缆生产工艺中通常采用铜带或铅带作为屏蔽层绕包于线缆表面，屏蔽层厚度、宽度及搭盖率是绕包工序中的重要参数，其中搭盖率为屏蔽层相互重叠长度与屏蔽层宽度的比值，搭盖率与屏蔽层使用量成正比关系，屏蔽层绕包存在以下3个问题。第一，搭盖率因线缆行进速度与绕包速度之间的不匹配现象，导致实际搭盖率与设定搭盖率存在偏差，线缆的搭盖率参数指标通常要求限定在一定范围内，而实际生产中，为了确保生产效率与产品质量，搭盖率通常设定为较高值，这就存在屏蔽层浪费现象。第二，目前采用人工方式测量生产过程中的屏蔽层搭盖率，具有明显的人为测量误差，且测量误差因人而异。第三，测量频率过低，低于0.02％，难以反映出整个电缆表面屏蔽层实际搭盖率分布趋势。

综上所述，现有技术屏蔽层绕包系统对搭盖率的控制精度不高，实际生产中搭盖率数值往往高于产品技术参数要求，存在屏蔽层浪费现象。现有搭盖率检测为人工使用卡尺在产线运行时进行测量，存在测量误差大、一致性差、检测频率低的问题，不足以反映出整个电缆屏蔽层实际搭盖率的变化。因此有必要开发一种屏蔽层搭盖率的自动检测方法，以解决现有技术的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法，实现对铜带屏蔽层搭盖率的实时自动检测。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：铜带屏蔽层绕包设备运行稳定后，相机采集铜带屏蔽层绕包图像；

步骤二：对采集的图像进行裁剪、中值滤波、二值化和腐蚀运算；

步骤三：对处理后的图像得到最小外接矩形；

步骤四：对图像角度进行调整，对目标区域进行筛选，并提取区域质心；

步骤五：通过区域质心距离计算铜带屏蔽层的搭盖率。

进一步地，所述步骤一种铜带屏蔽层绕包设备运行稳定的状态判定方式是：在绕包设备设置编码器，绕包设备开机编码器清零，绕包设备运行后当编码器计数达到设定值时，则认为绕包设备进入运行稳定状态。

进一步地，所述步骤一中相机采集的图像需要进行相机标定，相机标定过程为：

针孔成像模型涉及4个坐标系，二维像素坐标系O₀uv、二维图像物理坐标系O₁xy、三维相机坐标系O₂X_CY_CZ_C和三维世界坐标系O₃X_WY_WZ_W，图像物理坐标系圆心O₁在像素坐标系下的坐标是(u₀,v₀),设空间一点P在相机坐标系、世界坐标系下的坐标分别是(X_C，Y_C，Z_C)、(X_W，Y_W，Z_W),像素坐标系下坐标是P₀(u，v)，dx，dy为像素点物理尺寸；

像素坐标系与图像物理坐标系关系如下：

空间点P与P₀之间的对应关系如下：

其中，f为相机焦距，Zc一般为常数，相机坐标系与世界坐标系通过旋转R与平移矩阵T进行转换；

由式1和2可知，空间任意点P转换到像素坐标系下P₀的关系如下：

其中，M₁为相机的内参数，M₂为相机的外参数；

由于相机、镜头的制造、安装存在偏差，实际成像存在畸变现象，各畸变因素中以径向畸变与切向畸变为主，设实际成像点P′₀(u′，v′)与理想点P₀(u，v)间的关系如下：

径向畸变δ_r(u,v)、切向畸变为δ_t(u,v)的数学描述如下：

使用Matlab的toolbox_calib工具箱中的张正友法计算相机参数，得到相机参数，通过内部参数将畸变图像校正，从而得到精度更高的图像。

进一步地，所述步骤二中二值化采用最大类间方差法。

进一步地，所述最大类间方差法具体为：

假设存在一个阀值T将图像像素分为像素小于T的类I1与像素大于T的类I2，两个类的均值为m1与m2，图像整体的均值与类间方差为m与σ，像素被分为I1、I2类的概率为p1、p2，则有关系式：

由此可得类间方差公式：

σ＝p1(m1-m)²+p2(m2-m)²＝p1p2(m1-m2)² (7)

采用遍历法即可得到最佳阀值T。

进一步地，所述步骤二中腐蚀运算具体为：通过一个结构化元素以滑动窗口的方式对图像进行逐像素运算，腐蚀能够消融物体的边界,然后再对腐蚀后的图像进行膨胀，膨胀与腐蚀效果相反，扩大物体的边界。

进一步地，所述步骤三中最小外接矩形采用旋转法、顶点链码法或Graham扫描法。

进一步地，所述步骤三中最小外接矩形采用Graham扫描法，Graham扫描法具体包含：

设凸包上第i个点的坐标是(x_i,y_i)，第i条边与水平轴的夹角为θ_i，其中θ_i＝tan^-1((y_i+1-y_i)/(x_i+1-x_i))，最小外接矩形面积为s_min；

1)将凸包绕坐标系原点顺时针旋转θ_i，第i条边与水平轴平行，作为外接矩形底边，此时第i点的坐标为(x′_i,y′_i)，存在关系式：

该式适用于凸包中所有点的坐标换算；

2)遍历旋转后的凸包点集，得到在水平轴与竖直轴的最大最小值，依照数据规律得到外接矩形的另外三条边，记录第i个外接矩形的面积s_i、长宽及顶点坐标；

3)如果s_i<s_min则将s_i赋值给s_min，将凸包绕图像坐标原点逆时针旋转θ_i恢复至最初始位置，设第i个外接矩形的顶点坐标为(x′,y′)，反向旋转后的顶点坐标为(x,y)，则：

重复步骤1)、2)、3)则得到凸包多边形的最小外接矩形，两最小外接矩形形心距离即为水平节距值S₀。

进一步地，所述步骤五具体为：

设线缆直径为D，铜带厚度为H,铜带宽度为W，铜带水平节距为S₀，相邻两铜带边缘距离为L，铜带绕包角度为α，搭盖率为δ，可得关系式：

当D、W、H已知时，根据铜带水平节距值S₀由公式10求出搭盖率δ。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明提供了一种基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率的检测方法，通过视觉技术实时对屏蔽层的搭盖率进行自动测量，从而方便对屏蔽层绕包的搭盖率进行控制，从而无需设定较高的搭盖值，减少屏蔽层浪费；而且自动检测屏蔽层搭盖率，检测速度快，检测结果准确，可以全程检测，从而准确检测和控制屏蔽层绕包全程的搭盖率，反应真实的生产情况；本发明首先对采集图像进行相机标定，减少图像畸变带来的检测误差，同时在图像处理中采用腐蚀膨胀法便于后续的最小外接矩形的寻找，方便快速准确得到铜带的水平节距。

附图说明

图1是本发明的一种基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法的流程图。

图2是本发明的针孔成像模型的坐标示意图。

图3是本发明的最大类间方差法二值化效果图。

图4是本发明的腐蚀运算效果图。

图5是本发明的最小外接矩形效果图。

图6是本发明的铜带绕包表面的状态图。

具体实施方式

为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的一种基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法，包含以下步骤：

步骤一：铜带屏蔽层绕包设备运行稳定后，相机采集铜带屏蔽层绕包图像。

铜带屏蔽层绕包设备运行稳定的状态判定方式是：在绕包设备设置编码器，绕包设备开机编码器清零，绕包设备运行后当编码器计数达到设定值时，则认为绕包设备进入运行稳定状态。

相机可以实时对图像进行采集，然而根据实际情况，在一定的时间内，屏蔽层的绕包率并不会有显著的变化，因此为了节约能源以及降低计算量，优选地采用间隔式的图像采集方式。间隔时间的确定方式为：编码器设定一个间隔阈值，检测设备开启时编码器清零，铜带屏蔽层绕包过程中，当编码器达到设定的间隔阈值时，触发相机采集图像，然后编码器清零，再一次达到间隔阈值再采集下一个图像。

由于相机为圆形镜头，其实际的呈现会有一定的畸变，在这样的畸变图像基础上得到的检测结果当然会加大检测结果的误差。因此我们需要将采集的图像进行相机标定，以消除图像成像畸变带来的误差。其具体过程包含：

如图2所示，针孔成像模型涉及4个坐标系，二维像素坐标系O₀uv、二维图像物理坐标系O₁xy、三维相机坐标系O₂X_CY_CZ_C和三维世界坐标系O₃X_WY_WZ_W，图像物理坐标系圆心O₁在像素坐标系下的坐标是(u₀,v₀),设空间一点P在相机坐标系、世界坐标系下的坐标分别是(X_C，Y_C，Z_C)、(X_W，Y_W，Z_W),像素坐标系下坐标是P₀(u，v)，dx，dy为像素点物理尺寸；

像素坐标系与图像物理坐标系关系如下：

空间点P与P₀之间的对应关系如下：

其中，f为相机焦距，Zc一般为常数，相机坐标系与世界坐标系通过旋转R与平移矩阵T进行转换；

由式1和2可知，空间任意点P转换到像素坐标系下P₀的关系如下：

其中，M₁为相机的内参数，M₂为相机的外参数；

由于相机、镜头的制造、安装存在偏差，实际成像存在畸变现象，各畸变因素中以径向畸变与切向畸变为主，设实际成像点P′₀(u′，v′)与理想点P₀(u，v)间的关系如下：

径向畸变δ_r(u,v)、切向畸变为δ_t(u,v)的数学描述如下：

相机标定有多种方法，而张正友标定法鲁棒性好、精度好且操作简便。使用Matlab的toolbox_calib工具箱中的张正友法计算相机参数，得到相机参数如表1所示，通过内部参数将畸变图像校正，从而得到精度更高的图像。

表1相机参数

Tab.1 Camera Parameters

步骤二：对采集的图像进行裁剪、中值滤波、二值化和腐蚀运算。

相机拍照后首先校正图像，其次经过裁切得到ROI图像，避免图像尺寸过大带来的计算浪费，最后采用中值滤波降低图像噪声，同时又能较好地保持边缘有效信息。

二值化采用阈值分隔法。阀值分割可有效区分出背景与前景，最大类间方差法(OTSU)计算简单，不受图像亮度及对比度的影响，被认为是最佳的阀值确定方法而广泛运用。其具体过程为：

假设存在一个阀值T将图像像素分为像素小于T的类I1与像素大于T的类I2，两个类的均值为m1与m2，图像整体的均值与类间方差为m与σ，像素被分为I1、I2类的概率为p1、p2，则有关系式：

由此可得类间方差公式：

σ＝p1(m1-m)²+p2(m2-m)²＝p1p2(m1-m2)² (7)

采用遍历法即可得到最佳阀值T，通过这样最佳阈值T将图像进行二值化，阈值分隔法得到的二值化图像效果如图3所示。

腐蚀运算具体为：通过一个结构化元素以滑动窗口的方式对图像进行逐像素运算，腐蚀能够消融物体的边界,然后再对腐蚀后的图像进行膨胀，膨胀与腐蚀效果相反，扩大物体的边界。腐蚀与膨胀是形态学最基本的运算，也是构成其他复杂运算的基础。为增强铜带边缘效果，采用腐蚀运算对图像进行形态学处理，效果如图4所示。

步骤三：对处理后的图像得到最小外接矩形。

最小外接矩形是常用提取区域长宽、角度、形心坐标等几何特征的图像处理算法，寻找区域最小外接矩形的方法以旋转法、顶点链码法、Graham扫描法为主，但前两种方法计算量过大，而Graham扫描法是求解平面点集凸包问题的时间最少算法，因此采用更高效的Graham扫描法。Graham扫描法首先得到区域的最小凸包，依据一个凸多边形的最小外接矩形必过该凸多边形一条边的原理，分别求过凸包各边的外接矩形即可得到最小外接矩形，具体步骤是：

设凸包上第i个点的坐标是(x_i,y_i)，第i条边与水平轴的夹角为θ_i，其中θ_i＝tan^-1((y_i+1-y_i)/(x_i+1-x_i))，最小外接矩形面积为s_min；

1)将凸包绕坐标系原点顺时针旋转θ_i，第i条边与水平轴平行，作为外接矩形底边，此时第i点的坐标为(x′_i,y′_i)，存在关系式：

该式适用于凸包中所有点的坐标换算；

2)遍历旋转后的凸包点集，得到在水平轴与竖直轴的最大最小值，依照数据规律得到外接矩形的另外三条边，记录第i个外接矩形的面积s_i、长宽及顶点坐标；

3)如果s_i<s_min则将s_i赋值给s_min，将凸包绕图像坐标原点逆时针旋转θ_i恢复至最初始位置，设第i个外接矩形的顶点坐标为(x′,y′)，反向旋转后的顶点坐标为(x,y)，则：

重复步骤1)、2)、3)则得到凸包多边形的最小外接矩形，效果如图5所示，两最小外接矩形形心距离即为水平节距值S₀。

步骤四：对图像角度进行调整，对目标区域进行筛选，并提取区域质心。

步骤五：通过区域质心距离计算铜带屏蔽层的搭盖率。

铜带绕包于线缆表面后的状态如图6所示。设线缆直径为D，铜带厚度为H,铜带宽度为W，铜带水平节距为S₀，相邻两铜带边缘距离为L，铜带绕包角度为α，搭盖率为δ，可得关系式：

当D、W、H已知时，根据铜带水平节距值S₀由公式10求出搭盖率δ。

铜带屏蔽层绕包设备得到检测的搭盖率，判断当前搭盖率是否大于系统设定的搭盖率，若当前搭盖率大于设定的搭盖率，则控制绕包机降低速度，从而降低搭盖率；若当前搭盖率小于设定的搭盖率，则控制绕包机升高速度，从而增大搭盖率。通过这样的自动控制方式，可以使屏蔽层搭盖率保持在设定值，从而减少屏蔽层浪费。

本发明提供了一种基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率的检测方法，通过视觉技术实时对屏蔽层的搭盖率进行自动测量，从而方便对屏蔽层绕包的搭盖率进行控制，从而无需设定较高的搭盖值，减少屏蔽层浪费；而且自动检测屏蔽层搭盖率，检测速度快，检测结果准确，可以全程检测，从而准确检测和控制屏蔽层绕包全程的搭盖率，反应真实的生产情况；本发明首先对采集图像进行相机标定，减少图像畸变带来的检测误差，同时在图像处理中采用腐蚀膨胀法便于后续的最小外接矩形的寻找，方便快速准确得到铜带的水平节距。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：铜带屏蔽层绕包设备运行稳定后，相机采集铜带屏蔽层绕包图像；

步骤二：对采集的图像进行裁剪、中值滤波、二值化和腐蚀运算；

步骤三：对处理后的图像得到最小外接矩形；

步骤四：对图像角度进行调整，对目标区域进行筛选，并提取区域质心；

步骤五：通过区域质心距离计算铜带屏蔽层的搭盖率。

2.根据权利要求1所述的基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法，其特征在于：所述步骤一种铜带屏蔽层绕包设备运行稳定的状态判定方式是：在绕包设备设置编码器，绕包设备开机编码器清零，绕包设备运行后当编码器计数达到设定值时，则认为绕包设备进入运行稳定状态。

3.根据权利要求1所述的基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法，其特征在于：所述步骤一中相机采集的图像需要进行相机标定，相机标定过程为：

针孔成像模型涉及4个坐标系，二维像素坐标系O₀uv、二维图像物理坐标系O₁xy、三维相机坐标系O₂X_CY_CZ_C和三维世界坐标系O₃X_WY_WZ_W，图像物理坐标系圆心O₁在像素坐标系下的坐标是(u₀,v₀),设空间一点P在相机坐标系、世界坐标系下的坐标分别是(X_C，Y_C，Z_C)、(X_W，Y_W，Z_W),像素坐标系下坐标是P₀(u，v)，dx，dy为像素点物理尺寸；

像素坐标系与图像物理坐标系关系如下：

空间点P与P₀之间的对应关系如下：

其中，f为相机焦距，Zc一般为常数，相机坐标系与世界坐标系通过旋转R与平移矩阵T进行转换；

由式1和2可知，空间任意点P转换到像素坐标系下P₀的关系如下：

其中，M₁为相机的内参数，M₂为相机的外参数；

由于相机、镜头的制造、安装存在偏差，实际成像存在畸变现象，各畸变因素中以径向畸变与切向畸变为主，设实际成像点P′₀(u′，v′)与理想点P₀(u，v)间的关系如下：

径向畸变δ_r(u,v)、切向畸变为δ_t(u,v)的数学描述如下：

使用Matlab的toolbox_calib工具箱中的张正友法计算相机参数，得到相机参数，通过内部参数将畸变图像校正，从而得到精度更高的图像。

4.根据权利要求1所述的基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法，其特征在于：所述步骤二中二值化采用最大类间方差法。

5.根据权利要求4所述的基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法，其特征在于：所述最大类间方差法具体为：

假设存在一个阀值T将图像像素分为像素小于T的类I1与像素大于T的类I2，两个类的均值为m1与m2，图像整体的均值与类间方差为m与σ，像素被分为I1、I2类的概率为p1、p2，则有关系式：

由此可得类间方差公式：

σ＝p1(m1-m)²+p2(m2-m)²＝p1p2(m1-m2)² (7)

采用遍历法即可得到最佳阀值T。

6.根据权利要求1所述的基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法，其特征在于：所述步骤二中腐蚀运算具体为：通过一个结构化元素以滑动窗口的方式对图像进行逐像素运算，腐蚀能够消融物体的边界,然后再对腐蚀后的图像进行膨胀，膨胀与腐蚀效果相反，扩大物体的边界。

7.根据权利要求1所述的基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法，其特征在于：所述步骤三中最小外接矩形采用旋转法、顶点链码法或Graham扫描法。

8.根据权利要求7所述的基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法，其特征在于：所述步骤三中最小外接矩形采用Graham扫描法，Graham扫描法具体包含：

设凸包上第i个点的坐标是(x_i,y_i)，第i条边与水平轴的夹角为θ_i，其中θ_i＝tan^-1((y_i+1-y_i)/(x_i+1-x_i))，最小外接矩形面积为s_min；

1)将凸包绕坐标系原点顺时针旋转θ_i，第i条边与水平轴平行，作为外接矩形底边，此时第i点的坐标为(x′_i,y′_i)，存在关系式：

该式适用于凸包中所有点的坐标换算；

2)遍历旋转后的凸包点集，得到在水平轴与竖直轴的最大最小值，依照数据规律得到外接矩形的另外三条边，记录第i个外接矩形的面积s_i、长宽及顶点坐标；

3)如果s_i<s_min则将s_i赋值给s_min，将凸包绕图像坐标原点逆时针旋转θ_i恢复至最初始位置，设第i个外接矩形的顶点坐标为(x′,y′)，反向旋转后的顶点坐标为(x,y)，则：

重复步骤1)、2)、3)则得到凸包多边形的最小外接矩形，两最小外接矩形形心距离即为水平节距值S₀。

9.根据权利要求1所述的基于视觉的铜带屏蔽层搭盖率检测方法，其特征在于：所述步骤五具体为：

设线缆直径为D，铜带厚度为H,铜带宽度为W，铜带水平节距为S₀，相邻两铜带边缘距离为L，铜带绕包角度为α，搭盖率为δ，可得关系式：

当D、W、H已知时，根据铜带水平节距值S₀由公式10求出搭盖率δ。

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