基于数字图像处理的电缆绝缘几何参数测试

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 1.54MB 67 页 15积分

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第一章绪论

§1.1 论文背景

近年来，随着我国现代化的发展，电力和通信产业也呈现了前所未有的快速

发展，而电力的传输和信号的传送都离不开电缆。电缆常常应用于短距离内电能

的输送和控制信号的传递。随着设备自动化水平的提高，大型装备，如飞机、导

弹、舰船和特种车辆中，使用的电缆逐渐增多。电线电缆产品主要分为五大类：

1、

裸电线及裸导体制品；2、电力电缆电线；3、电气装备用电线电缆；4、通讯电缆

及光纤；5、电磁线(绕组线)。电缆应用主要分为：1、电力系统；电力系统采用

的电线电缆产品主要有架空裸电线、汇流排(母线)、电力电缆(塑料线缆、油纸力

缆、橡套线缆、架空绝缘电缆)、分支电缆(取代部分母线)、电磁线以及电力设备

用电气装备电线电缆等；2、信息传输系统；用于信息传输系统的电线电缆主要有

市话电缆、电视电缆、电子线缆、射频电缆、光纤缆、数据电缆、电磁线、电力

通讯或其他复合电缆等；3、机械设备、仪器仪表系统；此部分除架空裸电线外几

乎其他所有产品均有应用，但主要是电力电缆、电磁线、数据电缆、仪器仪表线

缆等。由此可见，电缆已经应用到了我们生产和生活的各个方面，面对市场对电

线电缆的如此大的需求，相应我们的生产效率和检测技术都要得到提高[1]。

众所周知一般电缆是由外面包覆绝缘材料的铜导体构成，而电缆绝缘体是将

绝缘材料按其耐受电压程度的要求，以不同的厚度包覆在导体外面而成，其绝缘

性能的优劣与绝缘材料及其包覆尺寸有直接关系,在电线电缆产品强制性标准中均

引用GB /T 2951. 1 - 1997《电缆绝缘和护套材料通用试验方法第1部分：通用试验

方法第1节厚度和外形尺寸的测量》标准作为电缆绝缘体参数的试验方法，对于包

覆尺寸质量要求中包括了对绝缘层断面的平均厚度和最薄点厚度两个方面[2]。

通常，传统的检测方法是由试验人员通过投影仪将切片样品投影放大后人为

目测判断最薄点、最厚点的位置，并人为识别边界测量绝缘层壁厚，在最薄点和

壁厚起止点的辨别上存在着较大的随机误差(一般占±2% )，判定也具有不可追溯

性；另外，测量是通过使用传统的测量工具对切片的投影和标定量的投影经行测

量，这些都会存在无法避免的系统误差；再者，由于数据繁多，对于数据的计算

和整理效率极低,并且容易产生计算差错。一般操作熟练的检测人员每次要二十多

分钟才能测量和计算完成。那么面对如此种类繁多的电线电缆，怎样应用当前国

基于数字图像处理的电缆绝缘几何参数测试

内外的先进技术开发出一系列更加高效、便捷、精确的电缆检测技术这一问题，

摆在了我们面前[3]。

§1.2 目前国内外该领域的发展现状

以计算器进行图像处理，改善图像品质的有效应用开始于 1964 年美国喷射推

进实验室（J.P.L）用计算机对宇宙飞船发回的大批月球照片进行处理，获得显著

的效果。1970 至1980 年代由于离散数学的创立和完善，使数字图像处理技术得

到了迅速的发展，随着电脑的功能日益增强，价格日益低廉，使得图像处理在各

行各业的应用已经成为相当普遍的工具之一，举凡在医学工程、工业应用、交通

领域应用等。八十年代开始，有关交通量估测的研究渐渐有了成果。到 1985 年以

后，各国对于应用于大众的图像侦测系统已有实际的成品发展出来。另外，近年

来结合类神经网络加速图像处理速度形成一个研究趋势。

对于电线、电缆绝缘体检测方面，国外于 90 年代应用基于计算机的数字图像

处理技术和自动化、智能化检测技术逐渐代替了传统的应用机械工具人手工目测

的粗略的检测方法，因此基于计数机数字图形处理技术是目前比较先进的主流检

测技术。随着数字图像处理技术本身的不断发展，电缆电线检测已经可以达到测

速快、精度高、成本低、节省了大量人力资源。国外的相关公司已经开发并应用

了多款基于数字图像处理的检测系统，从而大大的提高了测量的准确性, ,减少由

于人为判断因素造成的判断偏差,提高检测效率,以及通过技术手段保留检测纪录,

使整个测量过程具有可追溯性(保留了测量图片和数据) ,最大可能的减小了随机

误差;另外由于具有局部识别的智能化设计和以人为本的操作界面,完全满足了快

速查找最薄弱点的标准要求,提高了工作效率。

我国对电缆绝缘层直径和厚度等参数有明确的标准，并给出了最低限和最高

限，检测部门必须严格按照这些标准来指导电缆的工业化生产。因此，计量和检

定部门要对厂家生产的电缆绝缘层厚度和外径尺寸进行测量，来检验电缆是否符

合国家标准。传统的测量方法是，一般选用放大倍率在 10 倍以上的机械投影仪，

对于最普通的类型，如测量同轴圆形电缆绝缘层厚度，应将电缆图像移至视场中

央，每隔 60°测量对称的三对点，记录每个位置电缆内外层读数，求出 6组数据

中的最小值和算术平均值分别作为电缆绝缘层最小厚度和平均厚度。这种传统的

测量方法不但操作繁琐、读数不方便，而且后期数据处理需要人为识别边界测量

绝缘层壁厚，在最薄点和壁厚起止点的辨别上存在着较大的随机误差(一般占±

第一章绪论

2% )。一般操作熟练的检测人员每次要二十多分钟才能测量和计算完成。我国数

字图像处理技术的研究比起国外稍晚一些，但发展很快。目前，我国从事电线电

缆检测设备研发较早的单位是上海电缆研究所。它们已经研发了一系列的电线电

缆检测设备，基本能够满足我国电线电缆行业发展的需求，这些研发的设备已经

在一些重要部门、大型企业应用起来[4]。

§1.3 电缆绝缘几何尺寸参数介绍和主要工作

§1.3.1 电缆绝缘几何尺寸参数介绍及结构概述

本文主要研究基于数字图像处理技术的同轴电缆绝缘体检测方法及其关键技

术。电缆绝缘体是将绝缘材料按其耐受电压程度的要求，以不同的厚度包覆在导

体外面而成。绝缘材料一般使用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯(PVC) 和氟塑料等,

常用的绝缘介质是损耗小、工艺性能好的聚乙烯。其绝缘性能的优劣与绝缘材料

及其包覆尺寸有直接关系，因此作为电缆组成的一个重要部分，电缆绝缘体的优

劣关系到电缆本身的品质[5]。

电缆绝缘体的参数主要包括：绝缘体绝缘断面的内径尺寸、外径尺寸、壁厚

度等几何外观几何参数，同时也包括材料性质等内在属性。绝缘体外径主要指的

是绝缘皮套外侧到绝缘断面几何中心的距离；绝缘体内径主要是绝缘皮套内侧到

绝缘断面几何中心的距离；壁厚是指绝缘体内外径差值。本课题主要是用基于数

字图像处理技术来智能地检测绝缘体的内径、外径、壁厚度等几何参数的最大值、

最小值及平均值等。

§1.3.2 主要完成工作

对于绝缘体的内径、外径、壁厚度等几何参数的测量，主要应用到图像滤波、

边缘检测、轮廓提取和处理等算法。这就要求我们把精力放在绝缘体边缘检测算

法的优化和改进工作，从而追求一套整体性能较优的算法，这也是本课题研究的

重点。比如，对从摄像机获取的原始图像绝缘体绝缘断面按照处理的需要进行滤

波，去除噪声方便我们后续的处理；然后将滤波后的图像二值化，并进行边缘检

测，提取图像的轮廓，即得到外径和内径构成的同心椭圆行；根据每个圆形所占

据的像素的多少，按照一定的算法计算出外径和内径等参数的粗略数据；最后经

过反复验证和对比得出准确的值，并在 Visual C++ 编程环境下设计实现电缆绝缘

基于数字图像处理的电缆绝缘几何参数测试

体检测系统。

相应的实施方案：

（1）针对本课题了解国内外对电缆绝缘体检测等相关技术的研究。

（2）了解相关光学仪器，选择适合的光学仪器，比如光源和摄像机等

作为计算机的图像输入设备。

（3）基于本课题所研究的对象，研究图像滤波、边缘检测、轮廓提取

和处理等算法。

（4）根据以上选择合适算法，计算相关结果，再根据计算出的结果反

过来校验算法的合理性。

（5）最后在 Visual C++ 编程环境下实现绝缘体内径、外径、壁厚度等

几何参数相应数据的输出和打印，实现一个完整的电缆绝缘体检测系统。

§1.3.3 应用图像法测量电缆绝缘体几何参数的关键技术

对于电缆绝缘体几何参数的检测，本文主要应用的数字图像处理技术，所以

所涉及到的关键技术都是图像处理方面[6~7]：

（1）对于输入到计算机中的原始图像进行 256 级灰度化和滤波。由于

外界光线的噪声干扰和 CCD 数码摄相机本身的产生的噪声，所以要对原始图

像进行噪声滤除，主要针对高斯噪声的滤除；另外要考虑到在滤除噪声的同

时不能影响到研究对象的有效像素，尤其是边界像素，否则会产生伪边界，

会影响到检测精度。

（2）图像的边缘检测及细化。由于光线入射的角度和被测物体有一定

的高度，所以得到的原始图像中会有一些阴影区域，这些是很难避免的，但

它有对我们精确的测量电缆绝缘几何参数产生了较大的干扰，怎样有效的消

除这些阴影区域是我们研究的一项重点。

（3）对于图像轮廓的提取和处理。边缘轮廓提取的图像处理算法比较

多，相关的研究也比较充分，但怎样选择合适本文研究对象的算法，需要进

行大量的实验来解决这个问题。

（4）计算相关电缆绝缘体数据。测量出精确的数据，要求我们作出合

适的象素当量标定，以及找到合适的方法来测量出最终的数据。

第二章绪论

第二章系统总体结构及工作原理

在本章中，主要通过分析电缆绝缘体横断面图的特点，针对测量要求给出了测量

方案，设计出系统的总体结够，阐述了系统的工作原理。

§2.1 电缆绝缘体截断面图的特点

图2.1 电缆绝缘体横断面图

图2.1 是电缆绝缘体横断面图，从图中可以观察到我们要测量的对象和背景

还是比较分明的，黑色的背景中有一些点状的和纹理状的白色干扰，这主要是由

于外界光线的噪声干扰和 CCD 数码摄相机本身的产生的噪声，以及当时选取的

采集原始数据的平台不平整照成的，可以通过在平台上铺设呢绒垫和后期的噪声

滤除等手段大大消除这些噪声干扰。另外，我们还能够发现绝缘体横截面的圆环

的两侧有部分灰色的阴影区域，这个阴影区域的产生是由于取样的绝缘体具有一

定的高度，而我们的光源是以一定的角度斜射向绝缘体的，这就形成这些阴影区

域。从这一点来看，这种情况我们是难以避免的，以人工肉眼观察的方式是很难

完全将光源调节到正垂射绝缘体。

基于数字图像处理的电缆绝缘几何参数测试

§2.2 总体结构设计

根据上节对被测量对象图像特点的分析，从算法的设计上首先要滤除对测量

对象干扰的噪声；其次，我们研究的重点是被测量对象的内圆和外圆的两个边缘

上，所以要把图像从背景中分离出来并提取边缘。最后，对提取的边缘进行相应

处理得到测量的参数。因此电缆绝缘层参数测量系统主要包括图像采集、24 位图

到8位图转换、图像滤波、图像分割和边缘提取、参数计算、输出结果等几部分，

利用 VC++开发工具实现所设计的算法。图像采集部分由光源、CCD 摄像机和计

算机组成，通过 CCD 摄像机摄取的图像信号，经 A/D 转换存储至计算机的硬盘

中。同轴电缆绝缘检测系统的总体结构如图 2.2 所示[8]。

图2.2 同轴电缆绝缘检测系统结构框图

光源

CCD 摄像机（图

像采集）

24 位图到 8 位图

灰度化

图像进行滤波

图像分割和边缘

提取

参数计算

输出结果

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摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1论文背景近年来，随着我国现代化的发展，电力和通信产业也呈现了前所未有的快速发展，而电力的传输和信号的传送都离不开电缆。电缆常常应用于短距离内电能的输送和控制信号的传递。随着设备自动化水平的提高，大型装备，如飞机、导弹、舰船和特种车辆中，使用的电缆逐渐增多。电线电缆产品主要分为五大类：1、裸电线及裸导体制品；2、电力电缆电线；3、电气装备用电线电缆；4、通讯电缆及光纤；5、电磁线(绕组线)。电缆应用主要分为：1、电力系统；电力系统采用的电线电缆产品主要有架空裸电线、汇流排(母线)、电力电缆(塑料线缆、油纸力缆、橡套线缆、架空绝缘电缆)、分支电缆(取代部分母线)、电磁...

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