基于區域的光纖環繞制缺陷實時檢測算法

郭晨霞,楊瑞峰,趙洛彬

(中北大學 儀器與電子學院,儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

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基于區域的光纖環繞制缺陷實時檢測算法

郭晨霞,楊瑞峰,趙洛彬

(中北大學 儀器與電子學院,儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,太原 030051)

摘要:針對光纖陀螺敏感線圈(光纖環)制備過程中,光纖的繞制張力變化和光纖環承載主軸跳動度變化等因素導致的“爬絲”和“間隙”繞制缺陷,提出基于區域的光纖環繞制缺陷檢測算法,將原始光纖凹凸特征的處理轉換成矩形大小及數量特征的處理。該算法在對光纖環繞制輪廓精確提取的基礎上,通過對光纖環初始表面進行擬合，確定繞制光纖覆蓋的最小有效區域,并實時提取區域內已繞制光纖輪廓的最小包圍矩形；然后根據閾值的合理選取,計算最小有效區域內已繞制輪廓的最小包圍矩形的區域大小及區域個數，以此判斷繞制缺陷的種類,并標記缺陷位置。實驗結果表明，在光纖環繞制輪廓精確提取的基礎上,該算法可以有效識別并標記缺陷位置,對于不易受環境因素影響的“間隙”缺陷可以完全正確檢出,且執行速度快,可滿足缺陷實時檢測的要求。

關鍵詞:光纖陀螺;光纖環;區域；繞制缺陷;實時檢測

real-time detection

光纖環由圓環形多匝光纖線圈繞制而成,是光纖陀螺中用于敏感輸入角速度引起的兩相向傳播光波之間的SAGNAC相位差的部件,也是影響光纖陀螺性能的主要因素[1]。由于光纖陀螺的廣泛應用,尤其高精度光纖陀螺的戰略意義及光纖環對光纖陀螺精度的重要影響；因此對光纖環的制備過程有嚴格的要求,即要求光纖環上繞制的光纖根與根、層與層之間應緊密排繞,不出現凹、凸等排列不均勻、纏繞不緊密的繞制缺陷[2]。目前,光纖環繞制設備有全自動和半自動兩種,后者還被廣泛采用,即繞制過程還處于低速、半自動狀態,當繞制過程中出現缺陷或換層時需要人為輔助動作,由于人眼的局限性,不能保證產品良好的一致性。因此針對光纖環自動繞制設備的研制,提出采用視覺測量技術結合高精度輪廓提取算法和針對設備性能設計的光纖環繞制缺陷檢測算法,對光纖環繞制過程中的缺陷進行在線檢測。

工程應用中,一般使用直徑為85 μm或125 μm的光纖來繞制光纖環[3]。由于光纖直徑微小,因此在對其繞制圖像進行處理過程中,需要研究適用于專用繞制設備及現有光學系統的光纖環圖像特征提取算法[4]。本文采用亞像素閾值分割算法對采集回的光纖環繞制圖像進行特征提取,此算法通過對運算速度較快的閾值分割算法進行亞像素細分,解決了傳統像素級邊緣提取算法定位精度不高問題,同時也解決了常用亞像素級邊緣檢測算法運算量大的問題[5]。針對光纖環繞制的特點和實時檢測的要求,本文提出基于區域思想的光纖環繞制缺陷檢測方法。

1利用區域檢測繞制缺陷的基本思想

特征提取的前提需要對被測圖像進行濾波、增強等一系列的預處理,使感興趣區域特征(光纖邊緣)更加明顯[6-7]；但是這些操作對于非特征區域都是不必要的,反而會增加運算量,導致算法執行速度減緩,也會增加后續缺陷檢測算法的運算量[8]。為了在得到感興趣區域的同時,排除影響圖像質量和算法難以解決的干擾因素,可以建立區域將有用信息的部分“圈”在指定的區域中,使這種算法只對感興趣區域起作用,這種方法勢必會將其它區域對圖像質量的影響因素排除在外,顯著提升圖像的處理速度,區域的建立過程會在下節進行具體說明。

在實際測量過程中,由于視場范圍比較大,細微的光纖邊緣輪廓特征不明顯。大視場下細微的光纖輪廓導致利用高精度的邊緣提取算法處理指定區域內的光纖輪廓得到的效果不是很理想。基于區域的缺陷檢測思想,即通過提取區域內已繞制光纖輪廓的最小包圍矩形,由原始光纖凹凸特征的處理轉換成矩形大小及數量特征的處理,相比縮減了很多復雜的過程,算法變得更為簡單,從而可以滿足實時檢測的要求,同時也可彌補模糊輪廓對檢測結果造成的誤判。再者，不同的光纖環繞制方法具體到每層的繞制方向不同,針對四極性對稱光纖敏感線圈的纏繞順序,前四層中第一層和第四層纏繞順序一致,第二層與第三層的繞制順序相同。基于區域的缺陷檢測思想同樣可以克服繞制方向的不確定性給檢測帶來的問題。

對光纖環繞制中正常、爬絲、間隙三種狀態的檢測，需要先利用亞像素算法處理指定區域中光纖環骨架表面的繞制光纖輪廓,通過計算光纖邊緣輪廓最小包圍矩形的個數，并選定合理閾值判斷矩形高度和長度是否超出設置范圍來依次鑒別繞制狀態,以及“爬絲”和“間隙”的最小包圍矩形停止邊中心點的數據信息，甚至可以準確定位出錯位置,方便光纖繞制設備及時做出正確調整。

2算法實現過程

2.1區域的建立

在監測光纖環繞制的過程中,由于相機的方位因素,不能保證采集到的光纖環骨架圖像中繞制表面與像平面坐標保持平行,實際中兩者成一定的夾角,如圖1所示。在實際應用中,需要通過采集光纖環骨架繞制表面,確定基準面,具體方法是:在圖1-a規定的區域(虛線框)中,先通過亞像素精度閾值分割算法提取骨架表面邊緣輪廓[9],再利用直線擬合方法提取出與骨架繞制表面相似的線段作為監測基準表面,根據采集回的圖像擬合直線可以計算出該線段的長度L和夾角β。獲取線段的長度和夾角信息后,可以通過HALCON軟件中的gen_rectangle2函數在光纖化骨架上,以擬合的線段為基準建立長度為L高度為2D的矩形區域Q(D為在圖像坐標系中光纖環圖像中單位光纖所占的像素個數,根據使用的CCD相機分辨率為1292×964計算得)。

圖1　光纖環骨架示意及區域建立圖Fig.1　The schematic diagram of fiber coil skeleton and winding region

2.2基于區域的缺陷檢測方法

通過上述方法建立區域后,將光纖環繞制缺陷的檢測轉化為判斷所建區域內,光纖環繞制輪廓形成的區域大小及個數的問題,即由原始光纖凹凸特征的處理轉換成矩形大小及數量特征的處理，這大大減小了圖像處理及缺陷識別的工作量,具體缺陷檢測流程圖如圖2所示。

圖2　基于區域的實時缺陷檢測算法流程Fig.2　The flow chart of real-time defacts detection algorithm based on region

基于區域的實時缺陷檢測過程為：根據光纖環纏繞工藝使用的4級對稱纏繞法[10]的繞制特征,光纖繞制4層為一周期,循環往復。以檢測光纖環第一層繞制缺陷為例(i=1)說明基于區域的實時缺陷檢測方法。當繞制開始時,檢測系統針對亞像素精度光纖輪廓提取算法處理后的圖像,提取出光纖輪廓圖像的最小包圍矩形,并且計算最小包圍矩形個數n。根據最小包圍矩陣的不同取值進行缺陷種類識別。

1) 若最小包圍矩形個數n=1,即在線段l的水平方向上得到的光纖輪廓最小包圍矩形有且僅有一個,標記該矩形的長度為Mi和高度為Hi.

若上述參數滿足式(1),則光纖環繞制處于正常狀態。

(1)

其中d為閾值,取值方法見2.2說明。

若上述參數滿足式(2),則光纖環繞制處于當前層完成狀態,準備繞制下一層,并更新當前繞制層數i。

(2)

當|Hi-2D|≤d,則光纖環繞制處于爬絲狀態。同時顯示繞制出錯的信息,該信息包括出錯時繞制層數i和出錯位置標記:(Mi，Row,Mi，columu),出錯位置信息滿足式(3):

(3)

式中:XRow為最小包圍矩形中心點的行像素值;XCol為最小包圍矩形中心點的列像素值;β為最小包圍矩形的傾斜弧度;L1為最小包圍矩形長度值的一半;L2為最小包圍矩形高度值的一半。

2) 若最小包圍矩形個數n=2,即得到的最小包圍矩形有兩個,記這兩個矩形的長度和高度分別為Mi[0]，Mi[1]和Hi[0]，Hi[1] .

當|Hi[0]-D|≤d，且|Hi[1]-D|≤d,則光纖環繞制屬于間隙狀態,同時顯示繞制出錯信息,包括繞制出錯層數i和出錯位置標記:(Mi，Row,Mi，Column),出錯位置信息滿足式(3)。

2.3缺陷識別中閾值選取影響因素

光纖環繞制過程中,繞制缺陷的識別跟選取的閾值大小有關,閾值的精確與否直接關系到缺陷能否正確檢出。閾值的選取跟以下因素有關:光纖環繞制設備主軸的跳動度，攝像機的分辨率，圖像邊緣定位精度。其中,圖像邊緣定位精度,采用基于閾值分割的亞像素邊緣檢測算法定位精度可達0.02像素(單像素尺寸為3.75μm),完全滿足測量要求,不會造成累積誤差,因此不會影響閾值的大小;攝像機分辨率會直接影響到閾值理論值的選取,光纖環缺陷識別根據攝像機分辨率和視場大小確定一個理論閾值。結合光纖環繞制設備的排纖精度,確定閾值d=2。

3實驗及分析

為了驗證所提出的基于輪廓區域算法的有效性和準確性,建立了視覺測量系統進行實驗。實驗內容主要包括兩部分,第一部分是邊緣輪廓提取算法的精度驗證;第二部分是缺陷檢測算法有效性的驗證,即在對光纖環繞制圖像邊緣輪廓精確提取的基礎上,采用文中提出的基于區域的缺陷監測算法對光纖環繞制過程中出現的各種繞制狀態進行實時監測,并在圖像中標識缺陷位置。

3.1實驗裝置

視覺系統中包括的實驗裝置為:分辨率為1 292×964的CCD工業數字攝像機,其像素元大小為3.75μm×3.75μm,鏡頭為焦距為50mm,并配置CPL偏振鏡,光源選擇紅色LED平面光源,采用專用的光源控制器在光強20%時明場漫射背光照明方式。

3.2實驗結果

對光纖環繞制圖像預處理后(如圖3-a所示)的邊緣輪廓提取效果進行分析。本文使用算法-亞像素精度閾值分割算法與亞像素級的經典sobel(3-b)和canny(3-c)算法進行比較,驗證其在邊緣輪廓提取的效果上更優,以便于后續缺陷正確檢出。

圖3　光纖環邊緣輪廓提取對比圖Fig.3　The effect chart of edge contour extraction of fiber coil

從圖3各算法的邊緣輪廓提取效果圖可以看出,本文使用的算法不僅更貼近于光纖環實際邊緣輪廓,而且在連續性和光滑性方面均更優。準確的邊緣輪廓提取有助于后續缺陷的正確檢出。

圖4　監測光纖繞制過程中兩種狀態實驗結果Fig.4　The sketch and enlarge figure of climb and gap defects

按照四極性對稱光纖環的繞制方法,在繞制設備主軸跳動度在允許誤差范圍內,根據圖2所示的算法流程對采集到的光纖環繞制圖像進行處理、識別。在光纖環繞制某層時,人為讓其呈現出正常、爬絲、間隙狀態,運用此算法進行檢出、定位,并用紅色“+”標示標記缺陷位置,同時顯示缺陷所在的像素點坐標。通過實驗表明,利用本文提出的基于區域的算法對光纖環繞制缺陷檢出、定位的結果與實際位置吻合,驗證了該算法對光纖環繞制缺陷檢出、識別的有效性。以光纖環上某一層光纖繞制為例,應用該算法對缺陷的監測結果如下圖4所示。從圖4-c和圖4-d可以看出,對繞制過程中出現的爬絲和間隙可以標識位置,并且顯示其像素點坐標。

3.3檢出正確率分析

對光纖缺陷的正確檢出,需要在光纖環繞制設備平穩、主軸跳動度及繞制張力恒定,且光纖環繞制表面無污損等情況下進行。本文針對現有光纖環繞制設備對繞制缺陷的檢出正確率進行了分析,見表1所示。

表1　光纖繞制缺陷檢出正確率統計表

對于間隙的檢出,由于跟光纖環繞制設備的排纖精度有關,只要根據排纖精度計算出判斷間隙的閾值即可,一般不容易受其它因素影響;對于爬絲的檢出容易受光纖絲上污漬及微小飄落物的影響,需要讓其處于密閉空間內進行。上述實驗結果均為人為制造的缺陷檢出正確率,用以驗證算法的有效性。

3.4檢測實時性分析

光纖環繞制輪廓特征提取算法和缺陷檢測算法確定以后,為了驗證所使用算法對實時檢測的有效性,分別對每層爬絲和間隙缺陷的檢測時間進行統計,見表2所示。光纖環繞制設備主軸電機轉速小于60 rad/min,并且相機的幀周期要小于光纖環繞制設備主軸旋轉一周所需時間。

從表2所示繞制狀態檢測時間可以看出,各種狀態的檢出均能滿足繞制設備主軸電機轉速小于60 rad/min時的缺陷實時檢測要求。

表2　光纖環某層繞制狀態檢測識別時間

4結論

針對光纖環繞制過程中,繞制張力變化或主軸磨損造成的跳動度增加導致的繞制缺陷,提出采用基于區域的算法進行缺陷的檢出,同時對缺陷種類及出現缺陷的位置進行顯示。通過對光纖環繞制圖像的邊緣輪廓精確提取,并對光纖環“裸環”表面精確擬合確定基準面,劃定有用信息所在區域,在此區域內根據當前光纖環繞制輪廓所在的最小包圍區域大小及區域個數判斷缺陷的種類,并通過實驗驗證了算法的有效性和實時性,可為光纖環繞制狀態的判斷提供可靠依據。

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(編輯：賈麗紅)

The Defect Detection Algorithm of Fiber Coil Winding Based on Winding Region

GUO Chenxia,YANG Ruifeng,ZHAO Luobin

(SchoolofInstrumentandElectronics,KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement，NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

Abstract:The paper proposed a defect detection algorithm of fiber coil winding.The winding defects are caused by the factors such as the change of winding tension and the spindle beating.The defect detection algorithm based on fiber coil winding region was proposed to convert the processing of original fiber bump features into the processing of rectangular size and quantity,which needs to fit the straight line of the initial surface of fiber coil to ensure the smallest enclosing winding region and its quantity to verdict winding defects and sign their coordinates.The experimental results show that the algorithm can effectively identify and mark winding defect,the gap defect less susceptible to environmental factors can be completely detected;meanwhile,its fast execution speed can meet the real-time detection of winding defects.

Key words:fiber-optic gyroscope；fiber coil；winding region；winding defects；

文章編號:1007-9432(2016)02-0190-05

*收稿日期：2015-08-10

基金項目：山西省青年科技研究基金資助項目:視覺測量精確標定算法研究(2015021104);山西省科技攻關項目：光纖環繞制設備結構優化設計及小型化設計定型(2015031007-1)

作者簡介：郭晨霞(1979-),女,山西原平人,博士,講師,主要從事測控技術、視覺測量研究，(E-mail)guochenxia@nuc.edu.cn

中圖分類號:TP306.2

文獻標識碼:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.02.013