[发明专利]一种用于光纤环绕制的在线监测与报警系统及方法

权利要求书

1.一种用于光纤环绕制的在线监测与报警系统，包括照明系统、光纤环、成像系统、图像采集系统、图像处理检测报警系统；

光纤环为正在采用四极对称绕制的光纤环；照明系统发出的光沿着光纤环切线方向照射，部分光被光纤环侧面阻挡，通过成像系统产生暗影，没被光纤环遮挡的光，通过成像系统形成明亮的背景；成像系统将光纤环切线处的阴影曲线图进行放大，输出至图像采集系统；图像采集系统包括电荷耦合元件和图像采集卡，其中电荷耦合元件将通过成像系统的光信号转化为模拟信号，模拟信号输出至图像采集卡，图像采集卡将模拟信号转换为数字信号，得到阴影曲线图，输出至图像处理检测报警系统；图像处理检测报警系统包括图像预处理模块、边缘信息检测及判别模块和判定结果显示模块；图像预处理模块对图像采集系统输出的图像进行预处理，即对图像进行图像点运算、图像平滑、图像分割、形态学滤波，最终得到清晰的预处理后的图像，预处理后的图像输出至边缘信息检测及判别模块；边缘信息检测及判别模块对预处理后的图像进行光纤定位与边缘信息的检测，并对是否有叠纤、漏纤情况、以及绕纤任务是否完成进行实时的判别，并将判别信息传送给判定结果显示模块；判定结果显示模块若接收到边缘信息检测及判别模块传送信息为叠纤或漏纤，则会进行结果显示并报警停止绕制；若为正常信息则会反馈给图像采集系统进行下一帧图像的采集直到判断绕纤任务完成为止。

2.根据权利要求1所述的一种用于光纤环绕制的在线监测与报警系统，所述的照明系统1采用平板光源结合背向照明方法进行照明。

3.根据权利要求1所述的一种用于光纤环绕制的在线监测与报警系统，所述的成像系统3为显微镜。

4.一种用于光纤环绕制的在线监测与报警方法，包括以下几个步骤：

步骤一：设定预绕环层数；

绕环前，设置预绕环的层数，设已绕环层数参数为c，c的初始值为零；

步骤二：开始绕环并进行图像采集，获取光纤环切线处的阴影曲线图；

光纤环为正在采用四极对称绕制的光纤环；照明系统采用平板光源结合背向照明方法进行照明，发出的光沿着光纤环切线方向照射，部分光被光纤环侧面阻挡，通过成像系统产生暗影，没被光纤环遮挡的光，通过成像系统形成明亮的背景；成像系统将光纤环切线处的阴影曲线图进行放大，输出至图像采集系统；图像采集系统包括电荷耦合元件和图像采集卡，其中电荷耦合元件将通过成像系统的光信号转化为模拟信号，模拟信号输出至图像采集卡，将模拟信号转换为数字信号，得到阴影曲线图，输出至图像处理检测报警系统；

在最初采样图像前，旋转电荷耦合元件使得光纤环轮廓大致平行于水平方向；

步骤三：对图像进行预处理；

图像处理检测报警系统对图像进行预处理，预处理包括：图像点运算、图像平滑、图像分割、形态学滤波；最终得到了清晰的预处理后的图像；

步骤四：对预处理后的图像进行光纤定位与边缘检测；

包括以下几个步骤：

（1）判断光纤环进给方向；

设光纤绕层数增加方向为y轴，其垂直方向为x轴，由于光纤紧密排布，因此最外层与次外层边缘点y值都会以光纤直径D为周期进行波动，在预处理后的图像两端，在x方向上各取一个光纤直径的宽度，在此两端宽度内，分别取两个y值最大的点，设左端为P₁（x_左,y_左），右端为P₂（x_右,y_右），对两最大值点纵坐标y_左和y_右进行比较，若y_左<y_右，则判断光纤进给方向为从右向左；若y_左>y_右，则判断进进方向为从左至右；同时，将较小的y值对应的点重新定义为P（x₀，y₀）；

（2）光纤位置的初定位；

在P(x₀,y₀)点的下方，找到一点P(x₁,y₁)，其中x₁=x₀；

（3）图像的旋转矫正；

采用二值图像旋转算法对采集的图像进行旋转矫正，具体为：以点P(x₁,y₁)为基准，沿着y方向扫面找到正在缠绕匝光纤边缘上的点P（x₂,y₂），通过x₂判断在图像上最外层光纤的匝数多还是次外层的匝数多；若x₂>width/2，width表示图像宽度，则次外层的匝数多；若x₂<width/2，则最外层的匝数多；取匝数多的一层光纤轮廓点，每隔D/2的距离取D范围内的最高值点坐标，用最小二乘法对极值点进行直线拟合，得到图像的斜率b，调整斜率b趋于零；

（4）缠绕匝光纤的再定位；

经上述步骤（3）对图像进行旋转矫正后，得到了旋转校正后的图像，即光纤环成像在电荷耦合元件上的图像的轴线平行于x轴方向；重复步骤（2）、（3），重新定位正在缠绕匝光纤中心等高的缠绕匝光纤上的边缘点P（x₂,y₂）；

（5）缠绕匝光纤位置精细定位；

以P（x₂,y₂）点为基准，沿进给负方向圈定宽为D、高为D的长方形区域，提取此长方体内的边缘点，得到边缘图像；

根据已测定边缘点的坐标位置，以及步骤二得到的预处理后图像的灰度特征，对选定范围内的点进行亚像素处理，得到新的亚像素级的边缘点坐标，采用多项式最小二乘法对图像进行边缘拟合，得到最终的光纤图像连续轮廓边缘；对得到的边缘曲线进行极值计算，得到光纤边缘最高点坐标的亚像素级坐标值；

步骤五、绕环叠纤的判定；

在对光纤进行精细定位和边缘检测后，首先对光纤叠纤情况进行判断；

确定底层光纤的顶点坐标P(x₃,y₃)，并从(x₃,y₃+h+A)点向进给反方向扫描，如果遇到灰度为0值点记为(a,b)，当灰度值又从0值变为1值时再次记下坐标值(e,f)；h表示次外层光纤最高点与最外层光纤最高点的纵向间距，A为测量精度；

若a=width，说明无叠纤存在；

若|a-e|≤A，则扫描到噪声颗粒，无叠纤存在；

则判断为合格，继续判断是否有漏纤情况发生，进入步骤六；

若|a-e|>A，则扫描到叠纤处的光纤；判断为不合格，进行报警，经处理后返回步骤二继续进行图像采集处理；

步骤六、绕环漏纤判定；

假设现在绕匝光纤的极值点为(a₁,b₁)，前一匝光纤的极值点为（a₂,b₂）；

获取相邻两匝光纤的间距l=|a₂–a₁|，若l流落在d±A的范围之外，则有缝隙产生；进行报警处理，经处理后返回步骤二继续进行图像的采集处理；若l的值落在D±A的范围内，则绕纤正常，进入步骤七；

步骤七、绕制完成判断；

绕制层数参数c增加一，与设置的预绕制层数做对比，若小于预绕制层数则转入步骤二继续进行光纤绕制，若等于预绕制层数，则停止操作，绕环结束。