摘 要： 針對氣球載雷達系留繩外護套表面損傷的人工目視檢測難題，設計并構建了由工業數字攝像機、工業鏡頭、光源等器件組成的視覺測量硬件平臺，運用VisionPro視覺工具庫和C#語言混合編程方法開發了檢測軟件，完成了測量圖像采集與顯示、圖像處理、分類識別等功能。通過試驗驗證表明，該系統檢測速度快、缺陷檢出率高，能夠滿足實際應用需求。
0 引言
作為氣球載雷達裝備的關鍵部件，系留纜繩在氣球載雷達裝備充氣浮空后，將長期持續工作，通常需要連續工作運行數年之久。系留纜繩在使用過程中，長期暴露在大氣環境之中，受到雷擊、溫度、輻射、扭轉、掛擦、壓搓、折彎等多種因素影響，并處于大載荷狀態。極為惡劣的工作環境和條件，會造成纜繩外護套出現起皺、變形、破損、劃傷、老化龜裂等損傷。這些損傷如果不能及時發現和處理，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，進而給氣球載雷達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。當浮空器在地面系留或空中系留時纜繩均無法通過人工進行目視檢測，且收放過程中纜繩運行速度較快（1 m/s～4 m/s），人工目視檢測存在費時、費力、影響裝備使用（檢測時必須在纜繩脫離球體后單獨進行）、無法及時發現故障隱患等問題。
為此，本文基于機器視覺技術，通過圖像攝取裝置將攝取目標轉換成圖像信號，傳送給由計算機組成的圖像處理系統，根據圖像分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號，并由處理軟件對這些信號進行各種運算來抽取目標特征[1]，研制了氣球載雷達系留纜繩外套無損檢測系統。該系統可在系留纜繩收放過程中檢測系留纜繩外護套外表面的狀態，自動查找系留纜繩外表面存在的損傷故障。
1 系統總體設計
1.1 系統組成
檢測系統由高速照相設備、光源、計米測速同步模塊、供電電源、計算機、交換機、相機工裝及電纜附件組成，組成框圖如圖1。攝像機是機器視覺系統中的一個關鍵組件，其最本質的功能就是將光信號轉變成為有序的電信號。選擇合適的攝像機也是機器視覺系統設計中的重要環節，攝像機不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質量等，同時也與整個系統的運行模式直接相關[2]。高速照相設備由3臺高速工業相機組成。該相機能采集輸出30萬像素的灰度數字圖像，具有最快達到萬分之一秒的快門速度，能有效消除纜繩運動、抖動產生的圖像模糊；相機的運行和圖像采集幀率可控、可調，以適應纜繩收放的隨機性和速度的不確定性。相機采用網絡端口輸出，具有傳輸速率高、傳輸距離遠、抗干擾性能強的特點。光源采用專門設計的2個相對照射的環形高亮LED光源。該光源的亮度高、無閃爍，并可根據需要進行亮度調整，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。計米測速同步模塊主要實現纜繩運動的計米、測速和同步三大功能。
所謂計米就是獲取當前檢測點在纜繩的位置信息；測速是為了使損傷檢測軟件參數與纜繩收放速度相一致；同步則是使檢測系統工作與收放設備工作同步進行，無需人工干預。供電電源主要是給高速相機、環形光源和四口交換機提供直流工作電源。電源為交流220 V輸入，有4路直流輸出：1路送到3個高速相機，2路送到2組環形光源，1路送到四口交換機。
1.2 工作原理
系統工作原理描述如下：在纜繩回收艙內設置一工裝，系留纜繩從工裝中穿過。將3個高速照相機和光源按一定角度放置在纜繩周圍，如圖2所示。
當回收或放出的系留纜繩以一定速度從工裝中通過時，光源對纜繩進行照射，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。高速照相設備則從不同角度對纜繩進行360°環形拍攝。
高速照相機采集到的圖像信息實時傳到圖像采集卡，圖像采集卡將采集的信號數字化送到計算機進行數字圖像處理、缺陷檢測與分類識別。計米測速同步模塊使檢測系統工作與系留繩收放設備工作同步進行，無需人工干預，并可獲取當前檢測點在纜繩的位置信息。
1.3 主要功能
檢測系統主要實現如下功能：
（1）在線自動查找系留纜繩外表面的損傷，進行損傷報警；
（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，對其進行離線式后期精細分析處理。
2 系統軟件設計
2.1 軟件功能模塊及處理流程
根據系統要完成的功能，系統軟件設計劃分為初始控制、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系統進行初始化，設定光源照度、相機焦距、光圈、幀頻等參數，初始化通信接口等；圖像采集模塊負責對相機采集數據進行控制；圖像處理模塊完成纜繩圖像的預檢測（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）的提取來實現損傷的識別和分類；用戶管理模塊管理不同權限的用戶操作，保證檢測方法的有效性；記錄顯示模塊對檢測圖像進行記錄，實時顯示檢測圖像，標記出損傷的位置，顯示損傷特征數據。系統軟件主要處理流程如圖4所示。
2.2 軟件實現方法
系統軟件開發語言采用Microsoft Visual Studio 2005 C#，為縮短開發時間，系統選用了Cognex公司先進的VisionPro機器視覺工具庫，該工具庫是一套基于PC架構的視覺系統軟件開發包，主要應用于各種復雜的機器視覺領域，它包含了用于定位、檢測、識別和通信等各種任務的視覺軟件程序組[3]。VisionPro提供了易于應用的原型、發展和應用，VisionPro的兩層軟件結構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行參數之間的連接；在程序層，原型應用可通過Visual Basic或Visual C#等開發環境開發出個性化的解決方案。本系統軟件通過在C#程序集成VisionPro機器視覺工具庫，方便地實現了圖像預處理、圖像拼接、圖像標定、幾何校正、定位、圖像幾何測量和結果分析等功能，本系統設計的工作主界面如圖5所示。
3 結束語
本檢測系統是專為氣球載雷達裝備中的系留纜繩而配套的檢測設備，用于在線無損檢測系留纜繩外護套的表面損傷。除可以在線檢測缺陷進行損傷定位外，系統還可以通過計算機保存采集的圖像，采用較為復雜的非實時圖像處理方法，對記錄的圖像進行離線精細判讀，以對纜繩缺陷進行更加全面、精細的診斷。該系統研制完成后在部隊進行了使用，使用表明該系統有較好的檢測效果，能夠對系留纜繩外護套進行快速連續檢測，且損傷檢測準確度高。可作為氣球載雷達系留纜繩的重要維護設備，提高部隊的裝備保障能力。
參考文獻
[1] 荊仁杰.計算機圖像處理[M].杭州：浙江大學出版社，1990.
[2] 王運哲，白雁兵，張博.機器視覺系統的設計方法[J].現代顯示，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.