一种光缆检测方法、设备、装置及计算机程序产品与流程

本发明涉及机器视觉检测，尤其涉及一种光缆检测方法、设备、系装置及计算机程序产品。

背景技术：

1、光缆在生产过程中，其内部光纤束、加强构件及外部护套通常按照预设方向进行绞合，并在不同位置形成绞合方向的换向。光缆表面绞合纹理的方向变化以及换向位置能够反映光缆的绞合状态，是评价光缆生产工艺稳定性、控制绞合节距以及识别生产异常的重要依据。因此，在光缆连续生产过程中，需要对光缆表面的绞合纹理进行在线检测，并确定对应的换向点或换向区域。

2、现有的光缆检测设备通常通过相机采集光缆表面图像，并采用阈值分割、边缘检测、直线检测或方向特征分析等方式提取光缆表面纹理，进而根据纹理方向的变化确定绞合换向位置。部分光缆检测设备还通过设置照明光源改善光缆表面的成像条件，并对采集到的图像进行滤波或帧间校正，以减小图像噪声和相机抖动对检测结果的影响。

3、然而，在高速生产过程中，生产设备振动、光缆传输机构振动以及相机安装位置受到的外部冲击容易使相邻帧图像产生位移、抖动或扭曲。现有采用固定滤波参数或直接根据帧间运动估计结果进行补偿的方式，难以根据振动强度和运动状态的变化动态调整补偿程度，容易出现补偿不足或过度补偿，从而造成纹理位置漂移。此外，光缆表面呈圆柱曲面，容易产生镜面反射和光照不均，使绞合纹理与背景之间的对比度降低；单侧相机还可能存在曲面成像盲区。与此同时，光缆绞合纹理的换向既可能表现为上升方向与下降方向之间的直接切换，也可能经过水平纹理或无明显主导方向的过渡区域，采用单一边缘或直线特征难以稳定识别不同形式的换向边界。

4、因此，如何降低高速生产环境下机械振动及帧间运动变化对图像稳定性的影响，并在复杂光照和多种纹理换向模式下准确确定光缆表面的换向点或换向区域，成为需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种光缆检测方法、设备、装置及计算机程序产品。

2、为了解决现有光缆视觉检测过程中因机械振动、帧间运动变化及复杂纹理换向模式导致图像稳定性差、换向边界检测准确性不足的问题，本发明技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种光缆检测方法，包括以下步骤：采集光缆表面的连续图像序列，对所述连续图像序列进行运动估计，得到帧间仿射变换矩阵，根据所述帧间仿射变换矩阵中的位移参数确定帧间运动矢量；根据所述帧间运动矢量的局部方差和加速度估计实时更新观测噪声协方差矩阵，对所述帧间运动矢量进行自适应运动平滑滤波，输出补偿矩阵；根据所述补偿矩阵对所述连续图像序列进行逆变换补偿，得到补偿后图像；基于所述补偿后图像获取各有效连通域的纹理方向，沿所述补偿后图像中光缆轴线的延伸方向设置滑动窗口，统计各滑动窗口内各方向纹理面积占比，构建主导方向序列；基于所述主导方向序列进行换向边界检测，输出检测换向结果。通过根据帧间运动状态动态调整观测噪声协方差矩阵，能够降低机械振动和运动估计误差对图像稳定性的影响，并结合纹理方向统计及换向边界检测，提高光缆换向点或换向区域的检测准确性。

4、可选的，所述根据所述帧间运动矢量的局部方差和加速度估计实时更新观测噪声协方差矩阵，包括：获取以当前帧间运动矢量为终点的连续k个帧间运动矢量，其中，k为用于计算局部方差的帧间运动矢量数量；分别计算所述连续k个帧间运动矢量在图像坐标系x方向位移的局部方差和y方向位移的局部方差，以所述x方向位移的局部方差和所述y方向位移的局部方差为对角元素，构建局部方差对角矩阵；从变噪声卡尔曼滤波器的状态向量中获取当前加速度估计，根据所述当前加速度估计和单位矩阵构建加速度矩阵；按照预设的自适应系数，对所述局部方差对角矩阵和所述加速度矩阵进行加权叠加，得到当前时刻的观测噪声协方差矩阵，具体为：

5、；

6、其中，表示t时刻对应的局部方差对角矩阵，和表示自适应系数；k表示局部窗口长度，表示当前加速度估计，表示单位矩阵。通过将帧间运动矢量的局部波动程度与当前运动趋势的突变程度共同用于更新观测噪声协方差矩阵，使滤波器能够根据设备稳定运行、启停或受到冲击等不同状态自适应调整对观测结果的信任程度，降低补偿不足或过度补偿的风险。

7、可选的，所述对所述连续图像序列进行运动估计，包括：对所述连续图像序列中的当前帧采用角点检测，得到特征点集；采用稀疏光流法在下一帧中跟踪所述特征点集，得到与所述特征点集对应的对应点集；根据所述特征点集和所述对应点集估计帧间仿射变换矩阵。通过对相邻帧图像中的特征点进行跟踪和匹配，能够获得相邻帧之间稳定的空间对应关系，从而提高帧间仿射变换矩阵及帧间运动矢量的估计可靠性。

8、可选的，其特征在于，所述根据所述当前时刻的观测噪声协方差矩阵更新所述变噪声卡尔曼滤波器，对当前帧间运动矢量进行自适应运动平滑滤波，基于平滑后的帧间运动矢量生成补偿矩阵；利用所述补偿矩阵的逆矩阵对所述连续图像序列中的各帧图像进行坐标映射，得到补偿后图像。通过对帧间运动矢量进行自适应平滑后再生成补偿矩阵，能够抑制运动估计结果中的高频波动，并通过逆变换补偿减少相邻帧图像之间的位移和扭曲，为后续纹理方向分析提供稳定的图像基础。

9、可选的，所述基于所述补偿后图像获取各有效连通域的纹理方向，包括：提取所述补偿后图像的蓝色通道和绿色通道，将所述蓝色通道与所述绿色通道作差，得到通道增强图像；采用自适应阈值分割对所述通道增强图像进行二值化处理，得到二值纹理图；对所述二值纹理图进行连通域标记，过滤面积小于预设面积阈值的噪声区域，得到各有效连通域；对各所述有效连通域的轮廓点集进行最小二乘椭圆拟合，得到各所述有效连通域的长轴方向角；根据所述长轴方向角确定方向向量，当所述方向向量的x方向分量小于零时，对所述方向向量取反，得到统一方向角；根据方向分类阈值对所述统一方向角进行分类，得到各所述有效连通域的上升方向、下降方向或水平过渡方向。通过通道差分增强光缆表面纹理与背景之间的对比度，并通过噪声区域过滤、椭圆拟合及方向统一，能够降低光照变化、零散噪声以及椭圆长轴双向性对纹理方向判断的影响，提高纹理方向分类的一致性。

10、可选的，所述统计各滑动窗口内各方向纹理面积占比，构建主导方向序列，包括：沿所述补偿后图像中光缆轴线的延伸方向，以预设窗口宽度和预设步长设置滑动窗口；根据各所述滑动窗口内有效连通域的面积及纹理方向，确定上升方向纹理面积占比、下降方向纹理面积占比和水平过渡方向纹理面积占比；对各方向纹理面积占比进行高斯平滑，根据高斯平滑后的各方向纹理面积占比、方向主导阈值和水平过渡阈值，确定各滑动窗口对应的主导方向；按照各滑动窗口沿所述光缆轴线的延伸方向的排列顺序构建所述主导方向序列；所述主导方向序列包括上升方向、下降方向、水平过渡方向和无主导方向。通过以有效连通域面积为依据统计各方向纹理占比，并对方向纹理面积占比进行高斯平滑，能够削弱局部纹理缺失和随机噪声引起的方向波动，连续表征光缆轴向上的纹理方向变化。

11、可选的，所述基于所述主导方向序列进行换向边界检测，包括：沿所述补偿后图像中光缆轴线的延伸方向扫描所述主导方向序列；当相邻滑动窗口的主导方向在上升方向与下降方向之间发生直接切换，且所述相邻滑动窗口对应的上升方向纹理面积占比与下降方向纹理面积占比之间的差值乘积小于零时，将所述相邻滑动窗口之间的位置确定为直接换向边界，通过线性插值确定所述直接换向边界对应的换向点坐标；当所述主导方向序列中出现上升方向经水平过渡方向或无主导方向过渡至下降方向，或者下降方向经水平过渡方向或无主导方向过渡至上升方向的过渡模式时，将所述过渡模式的进入边界和离开边界确定为间接换向边界；当所述进入边界与所述离开边界之间的过渡区宽度大于最小宽度阈值时，根据所述进入边界和所述离开边界确定换向区域；当所述进入边界与所述离开边界之间的过渡区宽度不大于最小宽度阈值时，将所述进入边界和所述离开边界合并为换向点；对所述直接换向边界和所述间接换向边界进行去重与邻近合并，输出换向点坐标或换向区域。通过分别识别直接切换模式和具有过渡区域的间接切换模式，能够适应不同形态的光缆纹理换向，并通过线性插值、宽度判断以及边界去重与邻近合并，提高换向边界定位的精度和检测结果的唯一性。

12、第二方面，本发明提供一种光缆检测设备，包括：联合变噪单元，根据所述帧间运动矢量的局部方差和加速度估计实时更新观测噪声协方差矩阵，对所述帧间运动矢量进行自适应运动平滑滤波，输出补偿矩阵。通过联合利用帧间运动矢量的局部方差和加速度估计动态更新滤波参数，使光缆检测设备能够适应不同振动强度和运动突变状态，提高补偿矩阵的稳定性。

13、可选的，所述光缆检测设备，包括：运动估计单元，采集光缆表面的连续图像序列，对所述连续图像序列进行运动估计，得到帧间仿射变换矩阵，根据所述帧间仿射变换矩阵中的位移参数确定帧间运动矢量；图像补偿单元，根据所述补偿矩阵对所述连续图像序列进行逆变换补偿，得到补偿后图像；纹理分析单元，基于所述补偿后图像获取各有效连通域的纹理方向，沿所述补偿后图像中光缆轴线的延伸方向设置滑动窗口，统计各滑动窗口内各方向纹理面积占比，构建主导方向序列；边界检测单元，基于所述主导方向序列进行换向边界检测，输出换向点坐标或换向区域。通过运动估计、联合变噪滤波、图像补偿、纹理分析和边界检测的协同处理，实现从光缆表面图像采集至换向结果输出的完整检测流程，提高高速生产场景下光缆纹理检测的连续性和准确性。

14、可选的，所述联合变噪单元，用于：获取以当前帧间运动矢量为终点的连续k个帧间运动矢量，其中，k为用于计算局部方差的帧间运动矢量数量；分别计算所述连续k个帧间运动矢量在图像坐标系x方向位移的局部方差和y方向位移的局部方差，以所述x方向位移的局部方差和所述y方向位移的局部方差为对角元素，构建局部方差对角矩阵；从变噪声卡尔曼滤波器的状态向量中获取当前加速度估计，根据所述当前加速度估计和单位矩阵构建加速度矩阵；按照预设的自适应系数，对所述局部方差对角矩阵和所述加速度矩阵进行加权叠加，得到当前时刻的观测噪声协方差矩阵。通过分别表征帧间运动的局部波动和运动趋势突变，并对二者进行加权融合，使观测噪声协方差矩阵能够随实际运动状态动态变化，增强变噪声卡尔曼滤波器对复杂振动环境的适应能力。

15、第三方面，本发明提供一种光缆检测装置，包括：侧向照明装置，通过侧向打光方式照射光缆表面；同步成像装置，包括同步控制器和工业面阵相机，同步采集光缆表面的连续图像序列；机械抑振组件，包括气动平衡阻尼支架，衰减所述工业面阵相机受到的机械振动；边缘计算处理器，对所述连续图像序列中的相邻帧图像进行运动估计，得到帧间运动矢量，根据所述帧间运动矢量的局部方差和加速度估计实时更新观测噪声协方差矩阵，对所述帧间运动矢量进行自适应运动平滑滤波并生成补偿矩阵，根据所述补偿矩阵对所述连续图像序列进行逆变换补偿，得到补偿后图像，基于所述补偿后图像构建主导方向序列，根据所述主导方向序列进行换向边界检测，输出换向点坐标或换向区域；还包括一种光缆检测设备。通过侧向照明提高光缆表面纹理的成像对比度，通过同步成像减少不同视场之间的时间偏差，通过机械抑振与软件动态补偿的级联处理降低图像抖动，并通过边缘计算处理器实现在线纹理换向检测，从而提高光缆高速生产过程中的检测稳定性。

16、可选的，所述光缆检测设备集成了上述光缆检测方法。通过将光缆检测方法部署于光缆检测设备中，可以实现运动补偿、纹理分析和换向边界检测的自动化执行，提高光缆检测过程的实时性和集成化程度。

17、第四方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述光缆检测方法的步骤。通过计算机程序产品承载并执行上述光缆检测方法，便于将所述方法部署于不同的边缘计算设备或图像处理平台，提高技术方案的可移植性和应用灵活性。

18、本发明通过将帧间运动矢量的局部方差与加速度估计共同用于实时更新观测噪声协方差矩阵，使变噪声卡尔曼滤波器能够根据当前机械振动强度及运动趋势的突变程度，自适应调整对运动观测结果与状态预测结果的信任权重：在设备稳定运行时提高对观测结果的利用程度，在产线启停、速度变化或受到冲击时降低异常观测结果的影响，从而减少固定滤波参数造成的补偿不足或过度补偿，降低连续图像序列中的帧间抖动和纹理位置漂移，为后续主导方向序列构建及换向边界检测提供稳定的图像基础，进而提高光缆换向点或换向区域的检测准确性和可靠性。

19、为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。