电缆保护管内壁缺陷视觉检测方法及系统与流程

本发明涉及机器视觉检测及工业无损探伤，具体涉及电缆保护管内壁缺陷视觉检测方法及系统。

背景技术：

1、电缆保护管用于地下电力电缆敷设、道路穿越、园区配电通道和市政电力排管工程中，常见材质包括pvc-c、mpp和hdpe。电缆保护管在施工、转运、热熔连接、牵引穿缆和长期地下服役过程中，内壁可能形成尖锐划伤、微裂纹崩边、局部腐蚀剥落、挤压变形、接头台阶和内壁异物附着。对于尚未穿入电缆的保护管，内壁缺陷会在后续穿缆过程中刮擦电缆外护套；对于已经投入使用的保护管，内壁变形和异物堆积会增加电缆抽换阻力，并可能在弯曲段和接头段形成局部受力集中。

2、电缆保护管的内径通常小于城市排水管、燃气管和工业输送管，管体长度较长，内壁反射光受弧形壁面、塑料材质漫反射、水膜镜面反射和泥沙遮挡共同影响。施工现场中，管口附近存在井口强光、手持照明、灰尘和凝结水，图像采集装置进入管内后，视场中会出现水滴圆斑、泥沙颗粒、金属碎屑、成型纹和接头阴影。上述目标与真实裂纹或划伤在灰度图像中均表现为局部灰度突变，仅依赖固定阈值或单一边缘检测容易把水膜边缘、泥沙边缘识别为缺陷。

3、现有管道内壁检测方案多面向较大直径管道，通常依赖爬行车、全景相机、激光断面扫描、结构光测量或三维点云重建。此类方案在大直径管道中具有足够的安装空间和测量基线，但对于小直径塑料电缆保护管，受管内空间、弯曲半径、照明布置和成本约束，难以直接布置多相机、多激光器或长基线三维测量组件。采用普通内窥视觉方案时，图像增强、候选区域提取、特征提取和分类识别通常作为相互独立的处理环节，各环节之间缺少可传递的图像响应量，导致前一阶段识别出的高频突变信息未能持续参与后一阶段特征统计。

4、在小直径塑料电缆保护管内壁检测场景中，缺陷识别的关键问题不在于单纯获得管内图像，而在于同一帧图像中水渍反光、泥沙附着、塑料内壁成型纹和真实缺陷同时存在时，如何让图像全局光照状态参与局部缺陷候选提取，并让局部差分响应继续参与缺陷特征构建。若尺度空间固定，积水段或反光段会产生大量候选连通域；若候选区域提取后的差分响应被丢弃，方向梯度直方图特征会对泥沙边缘和裂纹边缘赋予接近权重，造成后续分类网络的输入特征区分度不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供电缆保护管内壁缺陷视觉检测方法及系统用于解决在小直径塑料电缆保护管内壁视觉检测中，塑料内壁漫反射纹理、水渍反光边缘和泥沙颗粒边缘容易与裂纹、划伤、腐蚀和变形形成相近灰度突变，现有固定尺度候选提取和独立特征统计流程无法利用全局灰度状态修正局部尺度空间，也无法将候选提取阶段的差分响应传递至方向梯度统计阶段，导致候选区域过多、误判复核负担较大以及缺陷位置信息不够稳定的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、电缆保护管内壁缺陷视觉检测方法及系统所述检测方法包括：

4、获取图像采集装置在电缆保护管内壁检测过程中生成的第一灰度图像，记录所述第一灰度图像的采集时间戳，并获取测距机构输出的轴向脉冲计数序列；

5、根据所述第一灰度图像确定全局灰度均值和灰度方差，根据所述全局灰度均值和所述灰度方差对所述第一灰度图像进行非线性灰度映射，得到第二灰度图像，并根据所述灰度方差构建尺度空间序列；

6、将所述尺度空间序列对所述第二灰度图像进行多尺度平滑和相邻尺度差分，得到候选区域图和综合差分幅值矩阵；

7、基于所述候选区域图截取缺陷子图像，利用所述综合差分幅值矩阵调制所述缺陷子图像的基础梯度幅值，得到方向梯度直方图特征，并将所述方向梯度直方图特征与灰度共生矩阵特征融合，得到融合特征向量；

8、将所述融合特征向量输入分类网络，并结合所述采集时间戳和所述轴向脉冲计数序列，输出缺陷类型和缺陷位置信息。

9、作为本发明的一个优选技术方案，所述第一灰度图像由设置在所述图像采集装置中的红色面光源、定焦光学组件和光电传感芯片生成，所述红色面光源沿所述定焦光学组件的光学接收轴线同轴照射所述电缆保护管内壁，所述红色面光源的中心波长为630nm至680nm，所述定焦光学组件接收所述电缆保护管内壁的反射光，所述光电传感芯片将所述反射光转换为所述第一灰度图像。

10、作为本发明的一个优选技术方案，所述根据所述全局灰度均值和所述灰度方差对所述第一灰度图像进行非线性灰度映射，得到第二灰度图像，包括：

11、根据所述全局灰度均值和所述灰度方差确定灰度映射下限点和灰度映射上限点；

12、将位于所述灰度映射下限点和所述灰度映射上限点之间的像素灰度值映射至预设灰度显示范围；

13、将低于所述灰度映射下限点的像素灰度值压缩至低灰度端；

14、将高于所述灰度映射上限点的像素灰度值压缩至高灰度端，得到所述第二灰度图像。

15、作为本发明的一个优选技术方案，所述根据所述灰度方差构建尺度空间序列，包括：

16、根据所述灰度方差生成基础尺度调节因子，所述基础尺度调节因子与所述灰度方差负相关；

17、根据所述基础尺度调节因子和预设尺度公比生成多个高斯平滑尺度，由所述多个高斯平滑尺度构成所述尺度空间序列。

18、作为本发明的一个优选技术方案，所述根据所述尺度空间序列对所述第二灰度图像进行多尺度平滑和相邻尺度差分，得到候选区域图和综合差分幅值矩阵，包括：

19、根据所述尺度空间序列对所述第二灰度图像进行高斯平滑，得到多层平滑图像；

20、对相邻两层平滑图像进行差分，得到多尺度差分图像；

21、对所述多尺度差分图像分别取绝对值后进行加权叠加，得到所述综合差分幅值矩阵；

22、对所述综合差分幅值矩阵进行阈值分割和连通域标记，得到所述候选区域图。

23、作为本发明的一个优选技术方案，所述对所述综合差分幅值矩阵进行阈值分割和连通域标记，得到所述候选区域图之后，还包括：

24、计算每一候选连通域的区域面积值、外接矩形比和圆润度值；

25、当所述圆润度值大于圆润度阈值且所述区域面积值小于面积阈值时，将对应候选连通域标记为非缺陷异物区域，并从所述候选区域图中删除所述非缺陷异物区域。

26、作为本发明的一个优选技术方案，所述利用所述综合差分幅值矩阵调制所述缺陷子图像的基础梯度幅值，得到方向梯度直方图特征，包括：

27、将所述缺陷子图像划分为多个胞元单元；

28、计算所述缺陷子图像中像素的基础梯度幅值和梯度方向；

29、读取所述综合差分幅值矩阵中与所述缺陷子图像对应位置的矩阵幅值作为空间权重；

30、利用所述空间权重对所述基础梯度幅值进行像素级调制，得到加权梯度幅值；

31、按照所述梯度方向对应的量化区间累加所述加权梯度幅值，得到所述方向梯度直方图特征。

32、作为本发明的一个优选技术方案，所述灰度共生矩阵特征通过如下方式得到：

33、对所述缺陷子图像进行灰度级压缩；

34、按照多个像素位移量和多个方向角统计灰度共现频次，得到灰度共生矩阵；

35、根据所述灰度共生矩阵提取能量、对比度、相关性和熵值，并对各像素位移量和各方向角对应的所述能量、所述对比度、所述相关性和所述熵值分别取平均，得到所述灰度共生矩阵特征。

36、作为本发明的一个优选技术方案，所述将所述方向梯度直方图特征与灰度共生矩阵特征融合，得到融合特征向量，包括：

37、分别对所述方向梯度直方图特征和所述灰度共生矩阵特征进行归一化处理；

38、将归一化后的方向梯度直方图特征和归一化后的灰度共生矩阵特征按固定顺序拼接，得到所述融合特征向量；

39、所述分类网络采用焦点损失函数训练，并输出裂纹、腐蚀、划伤、变形和非缺陷异物的概率分布。

40、作为本发明的一个优选技术方案，所述结合所述采集时间戳和所述轴向脉冲计数序列，输出缺陷位置信息，包括：

41、将所述轴向脉冲计数序列换算为物理轴向距离；

42、将所述物理轴向距离与所述第一灰度图像的采集时间戳建立映射关系；

43、根据所述候选区域图中候选连通域对应的采集时间戳确定缺陷轴向位置，并将所述缺陷轴向位置作为所述缺陷位置信息的一部分输出。

44、作为本发明的一个优选技术方案，所述确定所述第一灰度图像的全局灰度均值和灰度方差之后，还包括：

45、判断所述全局灰度均值是否处于预设均值有效区间，判断所述灰度方差是否处于预设方差有效区间；

46、当所述全局灰度均值超出所述预设均值有效区间，或所述灰度方差超出所述预设方差有效区间时，将所述第一灰度图像标记为光照异常帧，并对所述光照异常帧降低分类置信度或触发重新采集。

47、作为本发明的一个优选技术方案，所述综合差分幅值矩阵在参与所述基础梯度幅值的像素级调制前经过幅值归一化处理，所述幅值归一化处理以所述综合差分幅值矩阵的矩阵最大值、矩阵均值或分位数阈值为归一化基准，所述分位数阈值为所述综合差分幅值矩阵中全部矩阵幅值按数值升序排列后位于预设比例位置的矩阵幅值，将所述综合差分幅值矩阵中对应像素的矩阵幅值与所述归一化基准的比值限定在预设权重范围[0,1]内，超出上限者取1，低于下限者取0，并将限定后的比值作为空间权重参与所述基础梯度幅值的像素级调制。

48、作为本发明的一个优选技术方案，所述电缆保护管内壁缺陷视觉检测系统用于实现如上所述的电缆保护管内壁缺陷视觉检测方法，所述电缆保护管内壁缺陷视觉检测系统包括图像采集装置、处理终端和显示终端；

49、所述图像采集装置包括柱状外壳体、定焦光学组件、光电传感芯片、红色面光源和测距机构，所述定焦光学组件、所述光电传感芯片和所述红色面光源设置在所述柱状外壳体内，所述红色面光源沿所述定焦光学组件的光学接收轴线同轴设置，所述光电传感芯片用于输出第一灰度图像，所述测距机构用于在所述图像采集装置沿电缆保护管轴向移动过程中输出轴向脉冲计数序列；

50、所述处理终端与所述图像采集装置连接，所述处理终端用于接收所述第一灰度图像和所述轴向脉冲计数序列，在接收所述第一灰度图像时记录采集时间戳，确定所述第一灰度图像的全局灰度均值和灰度方差，根据所述全局灰度均值和所述灰度方差生成第二灰度图像，根据所述灰度方差构建尺度空间序列，根据所述尺度空间序列生成候选区域图和综合差分幅值矩阵，根据所述候选区域图截取缺陷子图像，利用所述综合差分幅值矩阵调制所述缺陷子图像的基础梯度幅值，得到方向梯度直方图特征，将所述方向梯度直方图特征与灰度共生矩阵特征融合，得到融合特征向量，将所述融合特征向量输入分类网络，输出缺陷类型，并将所述轴向脉冲计数序列换算为物理轴向距离，以输出缺陷位置信息；

51、所述显示终端与所述处理终端连接，所述显示终端用于显示所述缺陷类型和所述缺陷位置信息形成的结构化映射图。

52、另外，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的电缆保护管内壁缺陷视觉检测方法。

53、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

54、本发明通过红色面光源沿定焦光学组件光学接收轴线同轴照射电缆保护管内壁，并根据第一灰度图像的全局灰度均值和灰度方差进行非线性灰度映射，使水膜反光高亮点、管内暗部和塑料内壁漫反射纹理对后续候选区域提取的影响降低；同时，通过灰度方差驱动基础尺度调节因子并构建尺度空间序列，使不同光照状态和内壁状态下的局部候选区域提取尺度能够随第一灰度图像的整体灰度波动状态调整，从而减少积水反光段和泥沙附着段产生的非缺陷候选区域。

55、本发明将综合差分幅值矩阵同时用于候选区域图生成和方向梯度直方图特征统计，使候选提取阶段形成的局部突变强度继续作为空间权重调制基础梯度幅值，并与灰度共生矩阵特征融合后输入分类网络；结合候选区域形态剔除、光照异常帧处理和轴向脉冲计数序列定位，能够输出与电缆保护管轴向距离对应的缺陷类型和缺陷位置信息，降低泥沙边缘、水滴边缘和塑料成型纹造成的误判复核负担。