摘  要： 針對氣球載雷達(dá)系留繩外護(hù)套表面損傷的人工目視檢測難題，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了由工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、工業(yè)鏡頭、光源等器件組成的視覺測量硬件平臺，運(yùn)用VisionPro視覺工具庫和C#語言混合編程方法開發(fā)了檢測軟件，完成了測量圖像采集與顯示、圖像處理、分類識別等功能。通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)檢測速度快、缺陷檢出率高，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

　　關(guān)鍵詞： 機(jī)器視覺；損傷檢測；系留繩；圖像處理

0 引言

　　作為氣球載雷達(dá)裝備的關(guān)鍵部件，系留纜繩在氣球載雷達(dá)裝備充氣浮空后，將長期持續(xù)工作，通常需要連續(xù)工作運(yùn)行數(shù)年之久。系留纜繩在使用過程中，長期暴露在大氣環(huán)境之中，受到雷擊、溫度、輻射、扭轉(zhuǎn)、掛擦、壓搓、折彎等多種因素影響，并處于大載荷狀態(tài)。極為惡劣的工作環(huán)境和條件，會造成纜繩外護(hù)套出現(xiàn)起皺、變形、破損、劃傷、老化龜裂等損傷。這些損傷如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，將造成纜繩局部性能的下降，直接影響系留纜繩的安全性、可靠性和使用壽命，進(jìn)而給氣球載雷達(dá)和空域的安全帶來巨大的威脅。但系留纜繩的檢測目前存在著較大難度。當(dāng)浮空器在地面系留或空中系留時(shí)纜繩均無法通過人工進(jìn)行目視檢測，且收放過程中纜繩運(yùn)行速度較快（1 m/s～4 m/s），人工目視檢測存在費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、影響裝備使用（檢測時(shí)必須在纜繩脫離球體后單獨(dú)進(jìn)行）、無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患等問題。

　　為此，本文基于機(jī)器視覺技術(shù)，通過圖像攝取裝置將攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給由計(jì)算機(jī)組成的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)圖像分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號，并由處理軟件對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)特征[1]，研制了氣球載雷達(dá)系留纜繩外套無損檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在系留纜繩收放過程中檢測系留纜繩外護(hù)套外表面的狀態(tài)，自動查找系留纜繩外表面存在的損傷故障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)組成

　　檢測系統(tǒng)由高速照相設(shè)備、光源、計(jì)米測速同步模塊、供電電源、計(jì)算機(jī)、交換機(jī)、相機(jī)工裝及電纜附件組成，組成框圖如圖1。攝像機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成為有序的電信號。選擇合適的攝像機(jī)也是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，攝像機(jī)不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質(zhì)量等，同時(shí)也與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式直接相關(guān)[2]。高速照相設(shè)備由3臺高速工業(yè)相機(jī)組成。該相機(jī)能采集輸出30萬像素的灰度數(shù)字圖像，具有最快達(dá)到萬分之一秒的快門速度，能有效消除纜繩運(yùn)動、抖動產(chǎn)生的圖像模糊；相機(jī)的運(yùn)行和圖像采集幀率可控、可調(diào)，以適應(yīng)纜繩收放的隨機(jī)性和速度的不確定性。相機(jī)采用網(wǎng)絡(luò)端口輸出，具有傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)。光源采用專門設(shè)計(jì)的2個(gè)相對照射的環(huán)形高亮LED光源。該光源的亮度高、無閃爍，并可根據(jù)需要進(jìn)行亮度調(diào)整，其作用是使纜繩表面的光照均勻、無陰影、無亮斑，可防止外界的光線影響檢測效果。計(jì)米測速同步模塊主要實(shí)現(xiàn)纜繩運(yùn)動的計(jì)米、測速和同步三大功能。

　　所謂計(jì)米就是獲取當(dāng)前檢測點(diǎn)在纜繩的位置信息；測速是為了使損傷檢測軟件參數(shù)與纜繩收放速度相一致；同步則是使檢測系統(tǒng)工作與收放設(shè)備工作同步進(jìn)行，無需人工干預(yù)。供電電源主要是給高速相機(jī)、環(huán)形光源和四口交換機(jī)提供直流工作電源。電源為交流220 V輸入，有4路直流輸出：1路送到3個(gè)高速相機(jī)，2路送到2組環(huán)形光源，1路送到四口交換機(jī)。

　　1.2 工作原理

　　系統(tǒng)工作原理描述如下：在纜繩回收艙內(nèi)設(shè)置一工裝，系留纜繩從工裝中穿過。將3個(gè)高速照相機(jī)和光源按一定角度放置在纜繩周圍，如圖2所示。

　　當(dāng)回收或放出的系留纜繩以一定速度從工裝中通過時(shí)，光源對纜繩進(jìn)行照射，使纜繩表面的光照均勻、無陰影、無亮斑，防止外界的光線影響檢測效果。高速照相設(shè)備則從不同角度對纜繩進(jìn)行360°環(huán)形拍攝。

　　高速照相機(jī)采集到的圖像信息實(shí)時(shí)傳到圖像采集卡，圖像采集卡將采集的信號數(shù)字化送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字圖像處理、缺陷檢測與分類識別。計(jì)米測速同步模塊使檢測系統(tǒng)工作與系留繩收放設(shè)備工作同步進(jìn)行，無需人工干預(yù)，并可獲取當(dāng)前檢測點(diǎn)在纜繩的位置信息。

　　1.3 主要功能

　　檢測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

　　（1）在線自動查找系留纜繩外表面的損傷，進(jìn)行損傷報(bào)警；

　　（2）損傷面積的顯示和測量；

　　（3）損傷定位、識別及分類；

　　（4）保存查找到的損傷圖像以及纜繩外表面全部圖像，對其進(jìn)行離線式后期精細(xì)分析處理。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 軟件功能模塊及處理流程

　　根據(jù)系統(tǒng)要完成的功能，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)劃分為初始控制、圖像采集、圖像處理、識別分類、用戶管理和記錄顯示等功能模塊。軟件功能模塊組成如圖3所示。

　　初始控制模塊對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，設(shè)定光源照度、相機(jī)焦距、光圈、幀頻等參數(shù)，初始化通信接口等；圖像采集模塊負(fù)責(zé)對相機(jī)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行控制；圖像處理模塊完成纜繩圖像的預(yù)檢測（纜繩定位、圖像濾波、背景校正和圖像二值化處理）、損傷檢測；識別分類模塊通過對損傷特征（面積、周長、圓形度、伸長度、矩形度等）的提取來實(shí)現(xiàn)損傷的識別和分類；用戶管理模塊管理不同權(quán)限的用戶操作，保證檢測方法的有效性；記錄顯示模塊對檢測圖像進(jìn)行記錄，實(shí)時(shí)顯示檢測圖像，標(biāo)記出損傷的位置，顯示損傷特征數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件主要處理流程如圖4所示。

　　2.2 軟件實(shí)現(xiàn)方法

　　系統(tǒng)軟件開發(fā)語言采用Microsoft Visual Studio 2005 C#，為縮短開發(fā)時(shí)間，系統(tǒng)選用了Cognex公司先進(jìn)的VisionPro機(jī)器視覺工具庫，該工具庫是一套基于PC架構(gòu)的視覺系統(tǒng)軟件開發(fā)包，主要應(yīng)用于各種復(fù)雜的機(jī)器視覺領(lǐng)域，它包含了用于定位、檢測、識別和通信等各種任務(wù)的視覺軟件程序組[3]。VisionPro提供了易于應(yīng)用的原型、發(fā)展和應(yīng)用，VisionPro的兩層軟件結(jié)構(gòu)便于建立原型和集成。在交互層，用戶利用拖放工具，可以很方便地定義工具、測試工具行為及有效地運(yùn)行參數(shù)之間的連接；在程序?qū)樱蛻?yīng)用可通過Visual Basic或Visual C#等開發(fā)環(huán)境開發(fā)出個(gè)性化的解決方案。本系統(tǒng)軟件通過在C#程序集成VisionPro機(jī)器視覺工具庫，方便地實(shí)現(xiàn)了圖像預(yù)處理、圖像拼接、圖像標(biāo)定、幾何校正、定位、圖像幾何測量和結(jié)果分析等功能，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作主界面如圖5所示。

3 結(jié)束語

　　本檢測系統(tǒng)是專為氣球載雷達(dá)裝備中的系留纜繩而配套的檢測設(shè)備，用于在線無損檢測系留纜繩外護(hù)套的表面損傷。除可以在線檢測缺陷進(jìn)行損傷定位外，系統(tǒng)還可以通過計(jì)算機(jī)保存采集的圖像，采用較為復(fù)雜的非實(shí)時(shí)圖像處理方法，對記錄的圖像進(jìn)行離線精細(xì)判讀，以對纜繩缺陷進(jìn)行更加全面、精細(xì)的診斷。該系統(tǒng)研制完成后在部隊(duì)進(jìn)行了使用，使用表明該系統(tǒng)有較好的檢測效果，能夠?qū)ο盗衾|繩外護(hù)套進(jìn)行快速連續(xù)檢測，且損傷檢測準(zhǔn)確度高。可作為氣球載雷達(dá)系留纜繩的重要維護(hù)設(shè)備，提高部隊(duì)的裝備保障能力。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 荊仁杰.計(jì)算機(jī)圖像處理[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1990.

　　[2] 王運(yùn)哲，白雁兵，張博.機(jī)器視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[J].現(xiàn)代顯示，2011（11）：24-26.

　　[3] Cognex公司.VisionPro（R）7.2幫助[EB/OL].[2015-06-01] http：//www.cognex.cn/support/visionpro. VisionPro（R） Online Documentations，2011.