一种新的测量光纤直径的方法

摘要： 应用数字图像处理技术，提出了一种新的测量光纤直径的方法。通过对图像进行阈值分割、去噪、边缘检测和搜索最短路径等处理，在一定精度范围内高效智能地测量光纤上任意点直径和平均直径。与传统的光纤测量方法相比，该方法具有简单、高效和非接触式等显著优点，可推广应用于其他类线状物体的直径测量。

关键词：直径测量 图像处理 光纤测量

中图法分类号：TP751 文献标志码：A

自20世纪60年代以来，由于数字技术和微电子技术的迅猛发展，给数字图像处理提供了先进的技术手段，使之成为研究“图像信息获取、传输、存储、变换、显示、理解与综合应用”的一门崭新学科。数字图像处理与测量技术的结合也随之得到了发展。这两种技术的结合以其低成本、高效率的突出优点获得了广泛应用。此外，它具备非接触性，可以方便的应用于工业生产。

测量光纤直径的一般方法有人工判别法、图像剪切法和脉冲计数法等，这些方法或是需要人工参与，或是需要昂贵的精密仪器，或是需要切割光纤。因此，在工业控制领域希望能够找到一种低成本、高效率和非接触性的方法测量光纤的直径。为此，笔者提出一种基于数字图像处理的测量方法，它针对光纤光学图像应用数字图像处理技术，通过建立相关模型，实现光纤直径的全自动化测量，采用“种子填充”去噪，提出了“搜索最短路径”的改进测量思想。实验证明，该测量方法具有非接触性、快速准确和无需人工参与等优点。

1 测量原理

1.1 数字图像处理基本原理

在数字图像处理过程中，每一幅图像可以看成由很多极小的像素组成。对于图像中的两条直线或曲线来说，它们分别是由一对连通的像素集组成的，因此像素的空间信息决定了宏观图像的信息。要对图像的宏观信息进行测量，就可以将其转换为像素级的测量，这种转换测量的思想是应用图像处理技术进行测量的基础。

1.2 测量系统原理

1.2.1 测量系统组成及流程

测量系统主要由显微镜、CCD摄像头、图像采集卡和计算机组成。经显微镜放大的光纤影像通过CCD摄像头可成像为光纤样本影像。经过采集卡输入计算机，即可得到测量的原始位图，如图1所示。

设原始图像像素满足函数f(x,y)，按照一定的准则在f(x,y)中找到阈值T，将图像分割为两个部分。去掉后景色，只保留需要测量的光纤信息，即完成了阈值分割。描述如下：

若f(x,y)>T，则f(x,y)=1；

其他f(x,y)=0。

由于图像前景色和后景色差异明显，根据图像的直方图（如图3），发现待测图片具有两个波峰，且谷底较深的特点。因此，程序中选用迭代方法选取阈值。

在测量过程中，由于采集到的图像受到光照不均匀和背景噪声的影响，图像中存在很多干扰信息，因此有效地去噪是准确测量的保障。对于这种非周期噪声，传统的去噪方法是建立噪声模型后，利用各种滤波器达到去噪的效果。这种方法虽然可以去除噪声，但同时也损失了图像的边缘及细节特征，且这种方法只适用于噪声分布比较均匀的椒盐噪声。鉴于以上原因，笔者采取一种改进的“种子填充”算法来去除噪声，获得了显著的效果。

1.2.4 边缘检测

边缘是图像中像素灰度有阶跃变化或屋顶状变化的像素集合。测量中，关键步骤之一就是精确提取光纤的边缘。由于经过了二值化和去噪处理，得到的是相当理想的图像，因此考虑程序的效率，采用计算量最小的梯度算子检测边缘点。梯度算子如图4所示：

预测光纤的直径可以为实际的测量提供一个测量范围。笔者把局部小线段的距离平均值确定为该直径的预测值。方法如下：搜索小段光纤

一般来说，计算光纤的直径可以采用曲线拟合的方法，利用最小二乘法计算曲线的参数，但是这种方法存在一定的误差，效率也不高。

为了精确获得光纤的直径，笔者采取搜索“最短路径”的方法。光纤上任意边界点P。的直径，即是P。与到相对边界上最近的点P。的连线d1。通过在边界上移动P。，测量di，即可求得光纤某点的直径和平均直径。

《武汉理工大学学 .信息与管理工程版》 聂明新 晏植 董凯 余文芳 第30卷 第6期

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