CN114187348A - 一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为测量技术领域，具体而言，涉及一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法，该方法包括：在电缆护套两端分别绘制圆环标记符，并用夹具将护套竖直夹紧；对护套进行拉伸，同时使用摄像机拍摄拉伸过程；通过图像处理的方式获取标记符位置信息，并利用帧间差分法追踪标记符，实时记录标记符间距；利用长度增量阈值判据，当护套长度发生突变时，判定护套断裂，并输出护套样品的断裂伸长率测量结果。

Description

一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法

技术领域

本发明为测量技术领域，具体而言，涉及一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法。

背景技术

电缆护套是保护电缆内芯的重要材料，起到了维持内芯不受来自于外部的机械损害和化学腐蚀的保护作用，因此检测电缆护套的各项质量参数显得尤为重要。电缆护套的质量参数主要有最大拉力、拉伸应力、抗张强度和断裂伸长率，这些质量参数都离不开电缆护套最大形变量的测量。目前，市面上对电缆各项参数的测量都主要通过人工测量进行，存在效率低，且测量结果受测量员主观意识影响较大等缺点，因此，电缆护套断裂伸长率自动化的测量方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法，以改善上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法，包括如下内容：

对电缆护套两端分别绘制圆环标记符，夹持电缆护套两端并获取电缆护套的图像信息，通过图像处理方法获取电缆护套图像中圆环标记符的初始位置，并对圆环标记符的初始间距进行记录；

对电缆护套进行拉伸测量，在电缆护套的拉伸中，通过帧间差分法对圆环标记符进行追踪，并记录每帧电缆护套图像中的圆环标记符间距，并对圆环标记符间距进行最小二乘法的直线拟合；

当拟合点数量达到阈值后，对每帧图像中圆环标记符间距的增量进行计算，若圆环标记符间距的增量不超过阈值，则继续对电缆护套进行拉伸测量；若圆环标记符间距的增量大于阈值，则判定电缆护套断裂，输出圆环标记符的最大间距，并通过圆环标记符的初始间距计算电缆护套的断裂伸长率。

可选的，通过图像处理方法获取电缆护套图像中圆环标记符的初始位置，其过程如下：

获取电缆护套的第一帧图像信息，对电缆护套的第一帧图像信息进行二值化处理和高斯滤波处理，得到处理后的电缆护套第一帧图像；

通过轮廓提取法对处理后的电缆护套第一帧图像进行计算，得到电缆护套第一帧图像中的多个连通域，经面积阈值条件筛除像素面积低于设定值与高于设定值的连通域后，通过圆形度阈值条件对圆形度小于设定值的连通域进行筛除，得到圆环标记符的位置；

通过形心公式分别对圆环标记符所处连通域的形心进行计算，并计算两个形心的距离，得到圆环标记符的初始间距。

可选的，所述圆形度的设定值具体为0.8。

可选的，在电缆护套的拉伸中，通过帧间差分法对圆环标记符进行追踪，具体步骤为：

从第二帧开始，通过帧间差分法对当前帧的电缆护套图像与前一帧的电缆护套图像进行差分处理，得到差分处理结果；

根据设定的灰度阈值对差分处理结果进行二值化处理，得到当前帧与前一帧电缆护套图像中圆环标记符的位置；

根据圆环标记符的位置对圆环标记符的形心位置进行计算，并对圆环标记符的形心间距进行计算并记录；

重复上述步骤，直至电缆护套断裂。

可选的，所述帧间差分法具体为：将当前帧的电缆护套图像与前一帧的电缆护套图像进行差分，并通过阈值分割条件获取正在拉伸运动的电缆护套，所述差分的计算公式为：

其中，

为当前帧的电缆护套图像与前一帧的电缆护套图像差分的结果，

为当前帧的电缆护套图像，

为前一帧的电缆护套图像。

可选的，所述阈值分割条件的计算公式为：

其中，

为二值化后的帧间差分图像，

为设定的灰度阈值，

为当前帧的电缆护套图像与前一帧的电缆护套图像差分的结果。

可选的，所述电缆护套的断裂伸长率计算公式为：

其中，

为断裂伸长率，

为圆环标记符间距的增量，

为圆环标记符的初始间距。

可选的，所述圆环标记符的直径具体为1cm。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法，通过固定的摄像机拍摄电缆护套的拉伸过程并同步传输至计算机，在计算机中利用图像处理技术获取标记符的初始位置，并用帧间差分法追踪标记，通过长度增量阈值判据判定护套断裂瞬间，最后根据标记符的最大间距和初始间距计算护套断裂伸长率，从而实现了电缆护套断裂伸长率的非接触式、高精度、自动化测量。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例中所述的一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法的示意图；

图2是本发明实施例中所述的圆环标记符间距变化坐标示意图；

图3是本发明实施例中所述的电缆护套断裂判定流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号或字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的实施例中，电缆护套的测量系统具体可以由通用万能试验机、网络摄像机、计算机和照明系统组成。

其中，电子万能试验机组件，包括拉伸装置和夹具，所述夹具主要包括有一个固定夹持端和一个可移动夹持端，主要用于夹紧被测护套样品；

数据采集组件，包括带有三脚架的摄像机、计算机和相关总线，所述摄像机用于拍摄护套拉伸过程，并通过总线与计算机连接，传输拍摄数据至所述计算机。

所述计算机包括：存储器；处理器。

照明系统由多个灯泡组成，为整个测量系统提供稳定的光源，用于降低环境亮度变化对测量实验造成的影响。在测量实验开始前，使用试验机夹具将电缆护套样品竖直夹紧，实验开始后，试验机缓慢拉伸电缆护套样品。网络摄像机拍摄实验过程，并同步将拍摄数据传输至计算机，然后由计算机软件实时计算护套标记符间距，并在检测到电缆护套断裂时，输出断裂伸长率。

如图1所示，首先通过网络摄像机获取包含电缆护套样品的第一帧图像，采用高斯滤波平滑图像，然后对图像进行二值化操作，利用轮廓提取法得到包含标记符在内的大量连通域。在摄像机与通用万能试验机距离约为1m的实验环境下，单个标记符的像素面积大约为70个像素大小，因此通过面积阈值将像素面积小于50或者大于100的连通域滤除。然后利用标记符为圆环的特点，筛选出圆形度大于0.8的连通域，即为目标标记符。最后利用形心公式计算标记符的形心，并将其间距作为标记符的初始间距。

在电缆护套的拉伸过程中，采用帧间差分法对标记符进行追踪。帧间差分法是将当前帧与前一帧图像进行差分，再通过阈值条件获取运动目标的方法，其原理可以表示为：

其中，

为当前帧的电缆护套图像与前一帧的电缆护套图像差分的结果，

为当前帧的电缆护套图像，

为前一帧的电缆护套图像。

阈值分割条件可表示为：

其中，

为二值化后的帧间差分图像，

为根据实验环境光亮设置的灰度阈值，

为当前帧的电缆护套图像与前一帧的电缆护套图像差分的结果。

对某连续两帧图像使用帧间差分法的追踪效果，将第n+1帧图像与第n帧图像进行差分，得到第n+1帧与前一帧差分结果，并根据光照条件选取合适阈值（本文阈值设定为130）进行二值化处理后得到阈值分割后的结果。其中，采用帧间差分法能够准确地分割出运动的标记符。接着，根据分割出的标记符信息分别计算其形心位置，实时计算并保存两个形心的间距，并将其作为标记符间距。

在拉伸过程，在每一帧图像中计算标记符间距，并实时存储。由经验可知，护套样品在稳定拉伸过程中，标记符间距均匀增大，但在护套断裂的瞬间，标记符间距将产生突变。用某次实验为例，以每一帧图像中标记符的间距为纵坐标，与之对应的帧数为横坐标绘制坐标图。

如图2所示，在实验开始前，标记符间距保持不变；实验开始至电缆护套断裂前，标记符间距均匀增大，曲线斜率基本不变；电缆护套断裂瞬间，标记符间距增量突增，坐标图斜率突变。通过以上特点，提出了一种长度增量阈值判据，其判定流程如下所示：

如图3所示，在检测到标记符间距开始增大后，保存每一帧图像中的标记符间距。与此同时，对其进行最小二乘法的直线拟合，当拟合点的数量达到阈值后，对每一帧图像中标记符间距增量进行判定，即计算当前点与拟合直线的距离，若该距离小于阈值，则实验继续；若该距离大于阈值，则判定电缆护套断裂，通过标记符的初始间距和最大间距计算该样品的断裂伸长率。实验表明，该判据能够准确定位电缆护套的断裂瞬间。

在电缆护套断裂伸长率的计算中，断裂伸长率的定义为电缆护套在受拉力断裂时的长度增加量与护套原始长度的比值，可表示为：

其中，

为断裂伸长率，

为圆环标记符间距的增量，

为圆环标记符的初始间距。在实验中以标记符的初始间距作为电缆护套的原始长度，以电缆护套断裂瞬间标记符的间距作为其最大长度。以测量员对5组电缆护套样品的测量结果为参照，用本发明提出的一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法得到的测量结果与之对比，得到如表1所示结果：

表1 实验结果

由上表实验结果表明，本发明提出的方法所得结果与人工测量所得结果平均误差为6.09%，能够较好的完成测量任务。本发明的优势在于一方面利用帧间差分法对运动的标记符进行追踪，计算量小，拥有良好的实时性；另一方面提出的长度增量阈值判据能够准确地判定电缆护套断裂所在帧，避免了人工判定电缆护套断裂时机的主观性和不稳定性，自动化的测量方案极大地提高了工作效率。

本发明测量结果的误差主要来源于两个方面，其一在于利用帧间差分法追踪标记符，在标记符运动速度较慢的情况下，会出现标记符轮廓提取不完整的现象，从而影响标记符形心的位置计算，进一步造成标记符间距测量不准确，可通过改进帧间差分法的方式优化该问题；其二在于电缆护套断裂时间的判定问题，目前实验采用频率为30赫兹的网络摄像机，电缆护套真实的断裂瞬间可能存在于连续帧之间，由此造成测量误差，理论上通过使用更高频率的拍摄设备可减小该问题带来的影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法，其特征在于，包括如下内容：

对电缆护套两端分别绘制圆环标记符，夹持电缆护套两端并获取电缆护套的图像信息，通过图像处理方法获取电缆护套图像中圆环标记符的初始位置，并对圆环标记符的初始间距进行记录；

对电缆护套进行拉伸测量，在电缆护套的拉伸中，通过帧间差分法对圆环标记符进行追踪，并记录每帧电缆护套图像中的圆环标记符间距，并对圆环标记符间距进行最小二乘法的直线拟合；

当拟合点数量达到阈值后，对每帧图像中圆环标记符间距的增量进行计算，若圆环标记符间距的增量不超过阈值，则继续对电缆护套进行拉伸测量；若圆环标记符间距的增量大于阈值，则判定电缆护套断裂，输出圆环标记符的最大间距，并通过圆环标记符的初始间距计算电缆护套的断裂伸长率。

2.根据权利要求1所述的一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法，其特征在于，通过图像处理方法获取电缆护套图像中圆环标记符的初始位置，其过程如下：

获取电缆护套的第一帧图像信息，对电缆护套的第一帧图像信息进行二值化处理和高斯滤波处理，得到处理后的电缆护套第一帧图像；

通过轮廓提取法对处理后的电缆护套第一帧图像进行计算，得到电缆护套第一帧图像中的多个连通域，经面积阈值条件筛除像素面积低于设定值与高于设定值的连通域后，通过圆形度阈值条件对圆形度小于设定值的连通域进行筛除，得到圆环标记符的位置；

通过形心公式分别对圆环标记符所处连通域的形心进行计算，并计算两个形心的距离，得到圆环标记符的初始间距。

3.根据权利要求2所述的一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法，其特征在于，所述圆形度的设定值具体为0.8。

4.根据权利要求2所述的一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法，其特征在于，在电缆护套的拉伸中，通过帧间差分法对圆环标记符进行追踪，具体步骤为：

从第二帧开始，通过帧间差分法对当前帧的电缆护套图像与前一帧的电缆护套图像进行差分处理，得到差分处理结果；

根据设定的灰度阈值对差分处理结果进行二值化处理，得到当前帧与前一帧电缆护套图像中圆环标记符的位置；

根据圆环标记符的位置对圆环标记符的形心位置进行计算，并对圆环标记符的形心间距进行计算并记录；

重复上述步骤，直至电缆护套断裂。

5.根据权利要求4所述的一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法，其特征在于，所述帧间差分法具体为：将当前帧的电缆护套图像与前一帧的电缆护套图像进行差分，并通过阈值分割条件获取正在拉伸运动的电缆护套，所述差分的计算公式为：

其中，

为当前帧的电缆护套图像与前一帧的电缆护套图像差分的结果，

为当前帧的电缆护套图像，

为前一帧的电缆护套图像。

6.根据权利要求5所述的一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法，其特征在于，所述阈值分割条件的计算公式为：

其中，

为二值化后的帧间差分图像，

为设定的灰度阈值，

为当前帧的电缆护套图像与前一帧的电缆护套图像差分的结果。

7.根据权利要求1所述的一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法，其特征在于，所述电缆护套的断裂伸长率计算公式为：

其中，

为断裂伸长率，

为圆环标记符间距的增量，

为圆环标记符的初始间距。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种基于计算机视觉的电缆护套断裂伸长率测量方法，其特征在于，所述圆环标记符的直径具体为1cm。

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