阅读说明：本技术 一种电缆导体截面积测量方法 (Cable conductor sectional area measuring method ) 是由 刘毅 沈尹扩 林福昌 李化 于 2019-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电缆导体截面积测量方法,包括：采用相同放大比,分别拍摄电缆和标准棒的横截面彩色图像；采用超像素分割法,对每张图像聚类分割,得到多个超像素；基于每张图像的多个超像素,采用区域合并法,确定该张图像中的导体轮廓；清点每个导体轮廓中像素点的个数,并基于标准棒对应的横截面中导体区域面积,计算电缆的导体截面积,完成测量。本发明首先采集相同大小的电缆和标准棒横截面彩色图像,然后根据电缆导体和导体间缝隙以及包覆层材料颜色存在差异,引入一套利用颜色差异信息来区分电缆导体与非导体的数字图像处理方式,整个处理过程操作便捷、精确度高且不会对被检测对象造成损伤,具有较高的经济效益,实用性较强。(The invention discloses a method for measuring the sectional area of a cable conductor, which comprises the following steps: respectively shooting cross-section color images of the cable and the standard rod by adopting the same magnification ratio; clustering and segmenting each image by adopting a super-pixel segmentation method to obtain a plurality of super-pixels; determining conductor outlines in each image by adopting a region merging method based on a plurality of super pixels of each image; counting the number of pixel points in each conductor contour, calculating the conductor sectional area of the cable based on the conductor area in the cross section corresponding to the standard rod, and finishing the measurement. According to the invention, the color images of the cross sections of the cable and the standard rod with the same size are firstly collected, then a set of digital image processing mode for distinguishing the cable conductor and the nonconductor by using color difference information is introduced according to the difference of the gaps between the cable conductor and the color of the coating layer material, the whole processing process is convenient and fast to operate, has high accuracy, cannot damage the detected object, and has higher economic benefit and stronger practicability.)

一种电缆导体截面积测量方法

技术领域

本发明属于电缆检测领域，更具体地，涉及一种电缆导体截面积测量方法。

背景技术

电缆产业的发展与我国重大工程建设密切相关，其应用广泛，电缆的应用有以下优点：1.电力电缆的输电线路需要的空间小，铺设路径要求低，不会挤占本来宝贵的城市空间。2.电缆铺设是地下工程，电缆线路最终会被道路，建筑覆盖，不会干扰城市景观。3.同一地下通道能容纳多回电缆线路，能极大提升电力线路的负载能力。

然而，目前电缆产业还面临不少问题，主要是不合格电缆多和故障检修难。因此电缆的预检对于工程建设具有重大意义。

电缆检测环节的一项重要指标是导体的横截面积，导体横截面积与电缆直流电阻和载流量相关。传统手段主要有三种：测径法、称重法和测量直流电阻法。测径法通过测量单根铜线的直径来计算导体截面积，该方法误差较大且不适用于由紧压绞合导体制作的电缆；称重法需要截取数米长的电力电缆，该方法测量精确，是国家标准GB-T3048.2-2007采用的方法，考虑到电力电缆成本高，切割后严重影响电力电缆的销售和使用，这种方法使用较少；直流电阻测量法采用直流电阻反推导体横截面积，该方法对电缆破坏较小，但是导体直流电阻也与电缆的长度相关，有些厂家在导体截面积和导体长度上同时作假，这种情况下该方法会漏检。

发明内容

本发明提供一种电缆导体截面积测量方法，用以解决现有电缆导体截面积测量方法因精度不高和/或成本较高而导致方法实用性不高的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种电缆导体截面积测量方法，包括：

步骤1、采用相同放大比，分别拍摄电缆和标准棒的横截面彩色图像；

步骤2、采用超像素分割法，对每张图像聚类分割，得到多个超像素；

步骤3、基于每张图像的所述多个超像素，采用区域合并法，确定该张图像中的导体轮廓；

步骤4、清点每个所述导体轮廓中像素点的个数，并基于所述标准棒对应的横截面中导体区域面积，计算所述电缆的导体截面积，完成测量。

本发明的有益效果是：本发明首先垂直于电缆和标准棒的截面采用相同放大比拍摄电缆和标准棒的高清彩色图像，以保证两张图像的大小相等。然后，根据电缆导体和导体间缝隙以及包覆层材料颜色存在差异，引入一套利用颜色差异信息来区分电缆导体与非导体的数字图像处理方式，具体对每张彩色图像进行超像素分割，之后再引入区域合并法，确定导体和非导体的边界，这能够使得通过该边界确定的导体轮廓清晰、连贯无缺口，同时极大减少了噪声点的存在。最后，由于两张图像的大小相同，通过清点和计算，即可确定电缆导体面积。整个处理过程操作便捷、精确度高且不会对被检测对象造成损伤，具有较高的经济效益，实用性较强。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述方法还包括：

步骤0、垂直于所述电缆的中轴线，截取电缆，暴露所述电缆的横截面；垂直于所述标准棒的中轴线，截取标准棒，暴露所述标准棒的横截面。

本发明的进一步有益效果是：垂直于电缆和标准棒的中轴线，以提供更加准确的横截面，进一步提高电缆导体的横截面面积测量精确度。

进一步，所述截取的长度均小于3cm。

本发明的进一步有益效果是：本发明垂直于待检测电缆中轴线切下小段以暴露横截面即可，不需要截取较长一段，避免了切割后严重影响电力电缆的销售和使用的问题，因此本方法成本不高，实用性较强。

进一步，所述采用相同放大比具体为：

在固定物距下采用相同摄像头。

本发明的进一步有益效果是：采用相同摄像头且在固定物距下可以精确保证拍摄得到的两张彩色图像的大小相等，互为参照，提高面积测量精确度。

进一步，所述步骤2包括：

S2.1、对每张图像初始化初始超像素及每个初始超像素的聚类中心；

S2.2、确定每个聚类中心的大于其对应初始超像素大小的计算区域，计算并基于每个计算区域内每个像素到其聚类中心的距离，更新超像素；

S2.3、计算所述更新后每个超像素的质心，并将该质心作为该超像素的新的聚类中心，重复开始执行S2.2，直至达到迭代次数，得到多个超像素。

本发明的进一步有益效果是：本发明通过各像素点间的距离度量实现图像的初分割，得到多个超像素，其中，基于每次迭代得到的超像素，计算每个超像素的质心，基于质心进行下一次的迭代，能有效利用颜色信息的差异，降低迭代次数，得到最优的超像素分割效果，提高分割可靠性。

进一步，每个所述初始超像素为大小相等的正方形，则所述S2.2中，每个所述计算区域为正方形，且其边长为每个所述超像素的边长的2倍。

进一步，每张图像中每个像素由R、G、B通道信息和像素坐标组成的五维矢量表示；

则所述距离为所述五维矢量之间的距离，每个所述超像素的所述质心是基于该超像素中所有像素的所述五维矢量计算得到。

本发明的进一步有益效果是：本发明将彩色图像的RGB颜色通道和像素坐标结合，构成五维矢量，通过每个像素的该五维矢量，进行距离度量计算，充分考虑了导体和非导体之间的颜色差异以及空间方位的差异，能够极大提高导体轮廓的提取准确度。

进一步，所述步骤3包括：

提取每个超像素的预设颜色的灰度值矩阵，并计算该超像素的所述灰度值矩阵下的灰度值均值，所述预设颜色为导体的颜色；

遍历每张图像中各像素的所述预设颜色的灰度值，若灰度值大于该张图像的灰度阈值，则将该灰度值对应的像素的灰度值更新为非零值，否则更新为零，其中，每张图像的所述灰度阈值为最大均值的预设倍数作；

基于该张图像中预设颜色对应的灰度值分布，确定该张图像中的导体轮廓。

本发明的进一步有益效果是：将待分离的导体的颜色设置为预设颜色，提取导体颜色的灰度值矩阵，能够方便划分出导体的轮廓，方便快捷准确。

进一步，所述S4中，所述基于所述标准棒对应的横截面中导体区域面积，计算所述电缆的导体截面积，具体为：

基于所述标准棒对应的横截面中导体区域面积及所述导体轮廓中像素点的个数，计算每个像素点的所占面积，基于每个像素点的所占面积以及所述电缆对应的所述导体轮廓中像素点的个数，得到所述电缆中的导体截面积。

本发明的进一步有益效果是：两张彩色图像的放大比相同，则两张图像中单个像素对应的实际面积相同，因此通过标准棒的导体横截面面积以及清点得到的导体横截面的像素点个数，即可计算得到导体的每个像素点所占的面积，基于此，清点得到的电缆导体的像素点个数，即可得到电缆导体横截面的面积，精确度高，成本低，易操作，实用性强。

进一步，每张图像的像素数大于800万；所述电缆对应的所述导体轮廓直径与所述电缆的图像最短边长度的比例为1/2-2/3。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种电缆导体截面积测量方法的流程框图；

图2为本发明实施例提供的定比成像装置的示意图；

图3为本发明实施例提供的电缆导体横截面聚类中心初始化图像示意图；

图4为本发明实施例提供的电缆导体横截面经过超像素分割后的图像示意图；

图5为本发明实施例提供的电缆导体横截面经区域阈值合并后的图像示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种电缆导体截面积测量方法100，如图1所示，包括：

步骤110、采用相同放大比，分别拍摄电缆和标准棒的横截面彩色图像；

步骤120、采用超像素分割法，对每张图像聚类分割，得到多个超像素；

步骤130、基于每张图像的多个超像素，采用区域合并法，确定该张图像中的导体轮廓；

步骤140、清点每个导体轮廓中像素点的个数，并基于标准棒对应的横截面中导体区域面积，计算电缆的导体截面积，完成测量。

上述方法首先垂直于电缆和标准棒的截面采用相同放大比拍摄电缆和标准棒的高清彩色图像，以保证两张图像的大小相等。然后，根据电缆导体和导体间缝隙以及包覆层材料颜色存在差异，引入一套利用颜色差异信息来区分电缆导体与非导体的数字图像处理方式，具体对每张彩色图像进行超像素分割，之后再引入区域合并法，确定导体和非导体的边界，这能够使得通过该边界确定的导体轮廓清晰、连贯无缺口，同时极大减少了噪声点的存在。最后，由于两张图像的放大比相同，通过清点和计算，即可确定电缆导体面积。整个处理过程操作便捷、精确度高且不会对被检测对象造成损伤，具有较高的经济效益，实用性较强。

优选的，方法100还包括：

步骤000、垂直于电缆的中轴线，截取电缆，暴露电缆的横截面；垂直于标准棒的中轴线，截取标准棒，暴露标准棒的横截面。

垂直于电缆和标准棒的中轴线，以提供更加准确的横截面，进一步提高电缆导体的横截面面积测量精确度。

优选的，截取的长度均小于3cm。

垂直于待检测电缆中轴线切下小段以暴露横截面即可，不需要截取较长一段，避免了切割后严重影响电力电缆的销售和使用的问题，因此本方法成本不高，实用性较强。

优选的，上述采用相同放大比具体为：在固定物距下采用相同摄像头。

采用相同摄像头且在固定物距下可以精确保证拍摄得到的两张彩色图像的大小相等，互为参照，提高后续的面积测量精确度。

优选的，步骤120包括：

步骤121、对每张图像初始化初始超像素及每个初始超像素的聚类中心；

步骤122、确定每个聚类中心的大于其对应初始超像素大小的计算区域，计算并基于每个计算区域内每个像素到其聚类中心的距离，更新初始超像素；

步骤123、计算更新后每个超像素的质心，并将该质心作为该超像素的新的聚类中心，重复开始执行步骤122，直至达到迭代次数，得到多个超像素。

需要说明的是，超像素分割法的实现平台可为Matlab或openCV等，具体实现过程可为：

(1)标定感兴趣区域：在获得高清图像后，裁切出包含铜材料的较小的外接正方形图像。

(2)设一副图像有N个像素，假定其被分割的超像素个数为k，那么每个超像素包含像素数为N/k，那么每个超像素的边长为

算法开始时，首先根据超像素的大小在图像中分配聚类中心C_k:[R_k,G_k,B_k,x_k,y_k]，上式中C_k为聚类中心的编号，R、G、B为颜色分量，x、y为像素坐标，相邻聚类中心的间距为l，然后初始化每个像素的标签：C_n:[k_n＝-1,d_n＝+∞]，上式中k_n记录每个像素关联的聚类中心的编号，d_n记录该像素到聚类中心的距离；

(3)在每个聚类中心C_k的a×a正方形邻域(优选地，a＝2l)内，计算每个像素到聚类中心的距离D，如果D小于d_n，则将D的值赋给d_n，同时将当前像素点的k_n赋值为C_k。关联到同一个聚类中心的所有像素构成一个超像素，距离计算公式为：

式中，d_RGB为像素间的颜色距离，计算公式为d_xy为像素的空间距离，计算公式为：

m为归一化常数，对于8位图，m优选地取值为10。

(4)对每个聚类中心C_k对应的超像素，求质心的坐标，以质心对应的像素替代之前的聚类中心。质心坐标的计算公式为：

上式中i代表关联到C_k的所有像素。

(5)重复(3)和(4)，直到迭代次数达成，迭代完成后，为超像素分割的成图。

通过各像素点间的距离度量实现图像的初分割，得到多个超像素，其中，基于每次迭代得到的超像素，计算每个超像素的质心，基于质心进行下一次的迭代，这再与迭代次数等结合，得到最优的超像素分割，提高分割可靠性。

优选的，每个初始超像素为大小相等的正方形，则步骤122中，每个计算区域为正方形，且其边长为每个初始超像素的边长的2倍。

需要说明的是，各超像素之间的大小相等。

优选的，每张图像中每个像素由R、G、B通道信息和像素坐标组成的五维矢量表示；

则上述距离为上述五维矢量之间的距离，每个超像素的质心是基于该超像素中所有像素的五维矢量计算得到。

将彩色图像的RGB颜色通道和像素坐标结合，构成五维矢量，通过每个像素的该五维矢量，进行距离度量计算，充分考虑了导体和非导体之间的颜色差异以及空间方位的差异，能够极大提高导体轮廓的提取准确度。

优选的，步骤130包括：

提取每个超像素的预设颜色的灰度值矩阵，并计算该超像素的灰度值矩阵下的灰度值均值，预设颜色为导体的颜色；

遍历每张图像中各像素的预设颜色的灰度值，若灰度值大于该张图像的灰度阈值，则将该灰度值对应的像素的灰度值更新为非零值，否则更新为零，其中，每张图像的灰度阈值为最大均值的预设倍数作；

基于该张图像中预设颜色对应的灰度值分布，确定该张图像中的导体轮廓。

具体的区域合并算法可如下：

(1)提取超像素的某一颜色分量的灰度值矩阵，由于铜导体为红色，因此本算法优先使用图像的红色分量灰度值。

(2)遍历每一个超像素，计算每个超像素的该颜色的灰度值的均值，该均值即为超像素的灰度，记最大的均值为h_max，设定阈值为

(3)再次遍历每一个超像素，找出灰度值高于

的超像素，将其灰度值设定为1，找出灰度值低于

的超像素，将其灰度值设定为0。

(4)清点灰度值为1的像素的数量，即为铜导体或标准棒所占像素总量

将待分离的导体的颜色设置为预设颜色，提取导体颜色的灰度值矩阵，能够方便划分出导体的轮廓，方便快捷准确。

优选的，步骤140中，上述基于标准棒对应的横截面中导体区域面积，计算电缆的导体截面积，具体为：

基于标准棒对应的横截面中导体区域面积及导体轮廓中像素点的个数，计算每个像素点的所占面积，基于每个像素点的所占面积以及电缆对应的导体轮廓中像素点的个数，得到电缆中的导体截面积。

计算电缆铜材料面积的具体流程为：

(1)计标准棒所占像素数为n₁，标准棒量得的直径为d₁，单个像素所占的实际面积为：

(2)记电缆导体所占像素数为n₂，电缆的实际面积为：

S₂＝n₂S₁

由于两张彩色图像的大小相等，则两张图像的尺寸和像素数是相等的，因此通过标准棒的导体横截面面积以及清点得到的导体横截面的像素点个数，即可计算得到导体的每个像素点所占的面积，基于此，清点得到的电缆导体的像素点个数，即可得到电缆导体横截面的面积，精确度高，成本低，易操作，实用性强。

进一步，每张图像的像素数大于800万；电缆对应的导体轮廓直径与电缆的图像最短边长度的比例为1/2-2/3，标准棒是采用紫铜材料制作的圆柱体。该方法可极大提高电缆导体截面积测试的准确度。

为了更好的说明本发明，现举实例如下：

(1)垂直于电缆中轴线截下小段电缆；在该示例实施过程中，检测电缆为10kV电力电缆，在一端截下小段(不超过3cm)；

(2)采用定比成像装置，拍下电缆新截面和标准棒截面的高清图像，定比成像装置如图2所示，定比成像装置包括：定位螺栓、定距挡板、摄像头和补光部分；定为螺栓用于固定电缆和标准棒中轴与主光轴平行，避免成像失真；定距挡板用于控制电缆和标准棒截面成像物距始终一致；补光部分为6组2W LED灯管。摄像头光学参数为：物距为70mm，焦距为16mm，感光CCD像素为1000万，单个像素面积大小为s＝9.3276×10^-5mm²。

(3)裁切出包含铜导体或标准棒的较小外接正方形图像，初始化聚类中心C_k:[R_k,G_k,B_k,x_k,y_k]和像素标签C_n:[k_n＝-1,d_n＝+∞]，聚类中心的数量k为900，如图3所示，聚类中心即图中小点。

(4)将图3进行超像素分割，分割的算法为：每个聚类中心C_k的2l×2l正方形邻域内，计算每个像素到聚类中心的距离D，如果D小于d_n，则将D的值赋给d_n，同时将当前像素点的k_n赋值为C_k。关联到同一个聚类中心的所有像素构成一个超像素，距离计算公式为：

式中，d_RGB为像素间的颜色距离，计算公式为

d_xy为像素的空间距离，计算公式为：

m为归一化常数，本例中图像为8位图，因此m取值为8；聚类中心遍历完后，对每一个超像素求质心，以质心替代之前的聚类中心。

(5)重复(4)，迭代10次，迭代后的图像见图4，图中每一个小区块代表分割完成后的每一个超像素。

(6)将图4进行区域阈值合并，合并的算法为：提取分割的图像的某一颜色分量的灰度值矩阵，由于铜导体为红色，因此本算法优先使用图像的红色分量灰度值；遍历每一个超像素，计算每个超像素的该颜色的灰度值的均值，该均值即为超像素的灰度，记最大的值为h_max，设定阈值为

再次遍历每一个超像素，找出灰度值高于

的超像素，将其灰度值设定为1，找出灰度值低于

的超像素，将其灰度值设定为0。合并后的成图，如图5所示。

(7)清点图5中灰度值为1(白色)的像素的数量，即为铜导体或标准棒所占像素总量，本例中标准棒像素数量n₁为1315489，直径d₁为10mm；单个像素对应的实际面积为：

铜导体的像素值n₂为2961474，铜导体的实际面积为：

S₂＝n₂S₁＝176.8mm²

按国家标准GB/T 3048.2—2007规定的称重法测得的截面积为175.3mm²，与本方法测得的结果相差0.85％，可见本方法具有较高的精确度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。