王春雷 ，嚴(yán)俊，黃正宇，陳天樂(lè)，段艷濤，楊波,3

（ 1.海軍駐南京924廠軍事代表室，南京211100；2.電磁環(huán)境效應(yīng)與電光工程國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陸軍工程大學(xué)，南京 210007;3.國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，南京 211101）

引言

8/20兼容10/350沖擊電流試驗(yàn)裝置能夠獨(dú)立完成針對(duì)各種開(kāi)關(guān)型、限壓型或組合型SPD的雷電沖擊殘壓試驗(yàn)、雷電流耐受試驗(yàn)和動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)，是開(kāi)展雷擊損傷效應(yīng)研究及雷擊防護(hù)方法研究的重要實(shí)驗(yàn)裝置。但實(shí)驗(yàn)裝置長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)高負(fù)荷工作，會(huì)導(dǎo)致放電銅球之間的間距與系統(tǒng)理論值發(fā)生偏差，造成沖擊電流峰值不準(zhǔn)確、提前放電等問(wèn)題，嚴(yán)重影響系統(tǒng)整體的可靠性及實(shí)驗(yàn)的有效性。圖1為沖擊電流試驗(yàn)裝置側(cè)視示意圖。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)是一門(mén)新型的學(xué)科，其在檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用更是獲得了越來(lái)也越多的關(guān)注[1]。基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的檢測(cè)技術(shù)首先通過(guò)圖像傳感器獲取數(shù)據(jù)，然后通過(guò)圖像視覺(jué)檢測(cè)算法計(jì)算檢測(cè)空間物體三維坐標(biāo)進(jìn)而獲取物體精確幾何尺寸、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息，具有非接觸性、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。近幾十年，該技術(shù)在多樣化測(cè)量方法、檢測(cè)精度和模式應(yīng)用的創(chuàng)新方面都取得了積極進(jìn)展。逐步研發(fā)出了較多的視覺(jué)測(cè)量應(yīng)用系統(tǒng)和設(shè)備，成為測(cè)量領(lǐng)域主流測(cè)量手段之一[2]。

單目立體視覺(jué)[3]作為視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的一種基本形式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、測(cè)量范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)，避免了雙目視覺(jué)測(cè)量中圖像點(diǎn)立體匹配困難的問(wèn)題以及每次使用前對(duì)兩套成像系統(tǒng)相對(duì)位姿的繁瑣標(biāo)定[4-6]，因此更適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

本文首次將單目視覺(jué)技術(shù)與銅球定位相結(jié)合，提出了一種新的雷電流試驗(yàn)裝置銅球間距測(cè)量方法。該方法利用一臺(tái)工業(yè)攝像機(jī)對(duì)待測(cè)銅球區(qū)域進(jìn)行拍攝，對(duì)拍攝到的圖像進(jìn)行分析并提取銅球外邊界，最后利用圖像亞像素分割原理，精細(xì)分割出銅球的的上下邊沿，計(jì)算出邊沿之間的圖像距離，最后通過(guò)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)銅球間距的實(shí)時(shí)測(cè)量和最終試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)標(biāo)定。該方法原理簡(jiǎn)單、直觀，且定位精度高，能夠很好地解決銅球間距高精度實(shí)時(shí)標(biāo)定問(wèn)題。可為下一步測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)和建設(shè)提供基礎(chǔ)。

1 基于單目立體視覺(jué)的雷電沖擊電流試驗(yàn)裝置銅球間距測(cè)量

1.1 系統(tǒng)組成及原理簡(jiǎn)介

利基于單目立體視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于雷電沖擊電流試驗(yàn)裝置銅球間距實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)裝置的實(shí)時(shí)標(biāo)定，搭建的測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

該測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)焦距25 mm的大恒水星CCD高分辨率攝像機(jī)、支撐架、通信數(shù)據(jù)線及處理機(jī)。攝像機(jī)與銅球間隙大致具有相同水平高度，距離約3 m。在使用之前，需要對(duì)攝像機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，方便后面的在線測(cè)量。單目攝像機(jī)標(biāo)定是該測(cè)試系統(tǒng)使用過(guò)程中的重要步驟，對(duì)系統(tǒng)的整體測(cè)量精度有較大的影響。下面我們著重進(jìn)行介紹。

1.2 基于HALCON的單目標(biāo)定與測(cè)量

單目視覺(jué)測(cè)量是以小孔成像原理和透視投影原理等為理論基礎(chǔ),僅使用一臺(tái)攝像機(jī)來(lái)完成對(duì)物體的幾何尺寸、位置、姿態(tài)等進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)[3]。檢測(cè)系統(tǒng)的硬件配置比較簡(jiǎn)單，一臺(tái)攝像機(jī)，一個(gè)單通道圖像采集卡和一臺(tái)計(jì)算機(jī)。此外，標(biāo)定過(guò)程也比較簡(jiǎn)單。程序搭建平臺(tái)為機(jī)器視覺(jué)軟件HALCON[7]，該軟件平臺(tái)具有較快的形狀匹配速度，有較全面的算子工具集合，且標(biāo)定手段比較簡(jiǎn)單。

圖1 沖擊電流試驗(yàn)裝置側(cè)視示意圖

圖2 基于單目的沖擊電流試驗(yàn)裝置標(biāo)定系統(tǒng)

HALCON 是德國(guó) MVTec Software GmbH 公司開(kāi)發(fā)的一套完善的機(jī)器視覺(jué)算法包，內(nèi)含眾多的圖像處理算子和交互式的開(kāi)發(fā)工具。開(kāi)發(fā)算子具有較單一的功能，從簡(jiǎn)單的讀取圖像到復(fù)雜的 Kalman 濾波等，但正是這些單一功能的算子，像一個(gè)一個(gè)積木一樣，最終能堆積成功能強(qiáng)大的的應(yīng)用設(shè)計(jì)。該軟件提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境HDevelop 為編程者提供了一個(gè)可視化的圖像界面，可以使用戶在程序調(diào)試中，通過(guò)參數(shù)窗口監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)變量和圖像變量的變化，進(jìn)而高效的進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。

在單目視覺(jué)技術(shù)測(cè)量方面，HALCON提供了比較全面的標(biāo)定助手工具和測(cè)試示例，可快速地進(jìn)行在線視覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與集成。因此，本文選取它作為視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)。

一般情來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行立體視覺(jué)測(cè)量之前首先需要進(jìn)行相機(jī)的標(biāo)定[8-10]，得到攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)（攝像機(jī)固有參數(shù)）和外參數(shù)（相對(duì)位姿），然后在運(yùn)用相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行在線的測(cè)量。而后期的在線測(cè)量，實(shí)際是將測(cè)量所得的圖像坐標(biāo)系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到實(shí)際三維空間數(shù)據(jù)的過(guò)程。而此時(shí)的相機(jī)的標(biāo)定對(duì)最終的測(cè)試結(jié)果的精度的影響時(shí)十分關(guān)鍵的。

相機(jī)的標(biāo)定可以借助標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定物和標(biāo)定算法來(lái)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。本文采用標(biāo)準(zhǔn)的100 mm - 49 黑色圓點(diǎn)HALCON標(biāo)定板，如圖 4所示。首先，讀取圖像并對(duì)圖像進(jìn)行平滑，然后，利用閾值分割算法提取標(biāo)定區(qū)域，再提取各圓形標(biāo)記點(diǎn)的邊緣，計(jì)算出各標(biāo)記點(diǎn)的中心坐標(biāo)，確定標(biāo)定點(diǎn)與圖像投影間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終得到相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。

通過(guò)標(biāo)定后的單目相機(jī)，相對(duì)位置不變的情況下，能實(shí)現(xiàn)標(biāo)定板范圍內(nèi)的在線測(cè)量。由于本系統(tǒng)需要測(cè)量的銅球之間的間距范圍不大，間距變化范圍一般為0-50 mm，在圖像視場(chǎng)范圍內(nèi)變化較小，因此，單目測(cè)量技術(shù)是能滿足要求的，精度也是有保障的。最終，通過(guò)單目的測(cè)量，銅球間距能夠?qū)崟r(shí)地傳輸?shù)教幚頇C(jī)終端上，方便遠(yuǎn)距離在線標(biāo)定與調(diào)試。

1.3 銅球間距測(cè)量與標(biāo)定過(guò)程

下面介紹基于單目單目視覺(jué)的銅球距離整體測(cè)量流程。

首先，靜態(tài)預(yù)先標(biāo)定。將攝像機(jī)固定在距離銅球大約3 m的支撐架上，利用標(biāo)定板進(jìn)行像機(jī)標(biāo)定，將標(biāo)定板放置在銅球附近并微調(diào)不同姿態(tài)，同時(shí)對(duì)焦使得標(biāo)定板圖像最清晰，以提高邊沿輪廓提取的精度。利用HALCON中的標(biāo)定助手（如圖5所示）先后采集共15張圖片進(jìn)行標(biāo)定。

圖3 HALCON開(kāi)發(fā)界面

圖4 基于HALCON的單目視覺(jué)標(biāo)定板

其次，實(shí)時(shí)在線測(cè)量。在開(kāi)展帶負(fù)載實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)銅球間距進(jìn)行在線測(cè)量與實(shí)時(shí)校正。本文選用CFRP的雷擊致?lián)p實(shí)驗(yàn)進(jìn)行在線測(cè)量。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先對(duì)銅球區(qū)域進(jìn)行連續(xù)拍攝，每拍攝一幀進(jìn)行一次在線測(cè)量。最后，將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)教幚頇C(jī)進(jìn)行顯示，方便操作人員及時(shí)查看和校準(zhǔn)。銅球測(cè)量的關(guān)鍵一步為如何準(zhǔn)確提取上下銅球的邊沿，即如圖6所示的測(cè)量線的提取。由于測(cè)量過(guò)程中攝像機(jī)位置和銅球位置不發(fā)生明顯的變化，因此，在測(cè)量時(shí)先要?jiǎng)澏ㄈ鐖D6所示的長(zhǎng)條形的測(cè)量區(qū)域。然后在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行雙線性插值，之后再計(jì)算出灰度值輪廓。再通過(guò)計(jì)算灰度值輪廓一階導(dǎo)數(shù)的局部極值得到一維邊界，然后對(duì)邊緣進(jìn)行自動(dòng)配對(duì)。最后將配對(duì)的兩點(diǎn)的距離進(jìn)行基于標(biāo)定參數(shù)的實(shí)際三維空間坐標(biāo)的變換，得到真實(shí)的測(cè)量距離。

圖5 HALCON標(biāo)定助手界面

圖6 銅球間距測(cè)量示意圖

圖7為某一次測(cè)量結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)量界面同時(shí)給出了兩根綠色的短線，這各自代表了銅球的兩個(gè)邊沿，并且測(cè)量數(shù)據(jù)也在短線旁邊實(shí)時(shí)顯示。

最后，結(jié)果顯示和誤差分析。為了驗(yàn)證本文基于單目視覺(jué)的沖擊電流裝置標(biāo)定系統(tǒng)的精度及有效性，我們?cè)阢~球之間放置了20 mm的標(biāo)準(zhǔn)物件，然后控制好銅球間距，將多次測(cè)量結(jié)果與之對(duì)比。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

通過(guò)5次的測(cè)量和對(duì)比發(fā)現(xiàn)，每次測(cè)量的結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差均控制在1 mm內(nèi)，最終的平均誤差僅為-0.033。這一精度滿足測(cè)試系統(tǒng)的整體測(cè)試要求。

圖7 測(cè)量界面和結(jié)果（37.341 mm）

表1 測(cè)量誤差分析 單位：mm

2 結(jié)論

本文研究了一種基于單目視覺(jué)技術(shù)的雷電沖擊電流放電裝置銅球間距測(cè)試方法，并搭建了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)將基于HALCON的單目視覺(jué)測(cè)量技術(shù)與沖擊電流放電裝置間距標(biāo)定需求相結(jié)合，開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確地間距在線測(cè)量和傳輸。此外，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)搭建簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)易，非常適合于下一步的試驗(yàn)裝置系統(tǒng)的自動(dòng)化集成。這也為電磁兼容領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化提供了新的借鑒和參考。

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