結(jié)構(gòu)表面裂縫寬度的數(shù)字光測法研究

張平平 孫 強(qiáng) 張劉松 劉雯雯

(鄭州大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450001)

結(jié)構(gòu)表面裂縫不僅會影響結(jié)構(gòu)外觀，也可能影響其正常使用和耐久性，當(dāng)裂縫寬度達(dá)到一定值時(shí)，盡管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初都有一定的安全儲備，還是會引起使用者的不安心理，隨著裂縫擴(kuò)展甚至危及生命安全。因此，快速、準(zhǔn)確測量裂縫寬度對于結(jié)構(gòu)的安全性評估、鑒定和維護(hù)都有著重要的實(shí)際意義［1－5］。

從力學(xué)的角度來看，裂縫的位置和形態(tài)近似反映了結(jié)構(gòu)內(nèi)拉應(yīng)力的方向和應(yīng)力集中點(diǎn)，與產(chǎn)生拉應(yīng)力的原因之間存在比較確定的相對應(yīng)關(guān)系，這也是我們實(shí)驗(yàn)力學(xué)工作者需要認(rèn)真解決的問題［6］。到目前為止，結(jié)構(gòu)表面裂縫的檢測方法有目測法、聲發(fā)射(AE)法、攝影法等［7］。傳統(tǒng)的人工測量表面裂縫寬度的方法，由于其費(fèi)時(shí)費(fèi)力、主觀性較大、精度較低，將逐漸被新方法替代，其他的檢測方法也逐漸顯示出各自的不足。

隨著計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代和數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字光測法作為一種非接觸、全場測量、相對便捷、直觀和精確的方法，已被廣泛應(yīng)用于物體的變形、三維形貌、微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro－electro－mechanical systems)以及材料力學(xué)性能等領(lǐng)域的測量［8］，并且在微小裂縫測量方面其相對于傳統(tǒng)人工方法的優(yōu)勢更加突出。在不破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)和使用性能的情況下，本文引入數(shù)字光測方法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表面裂縫寬度數(shù)字光測法研究，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，對采集到的裂縫圖像可以迅速準(zhǔn)確地測出其全場各點(diǎn)處裂縫寬度。

1 裂縫圖像采集與處理

1.1 圖像采集

通過光學(xué)系統(tǒng)即可完成裂縫圖像的采集。該系統(tǒng)由CCD和含圖像采集卡的計(jì)算機(jī)組成，由CCD 芯片將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，通過A/D 轉(zhuǎn)換在計(jì)算機(jī)上顯示出裂縫的數(shù)字圖像，通過對焦、調(diào)整光圈和光源，使裂縫圖像達(dá)到最清晰、對比度最好的狀態(tài)，便于后期數(shù)字圖像處理。實(shí)驗(yàn)裝置簡圖如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)表面裂縫圖像采集系統(tǒng)

1.2 圖像處理

1.2.1 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理就是解決圖像因?yàn)樘鞖饣蛘吲臄z角度等原因造成的圖像模糊、歪斜或缺損的情況。本文圖像預(yù)處理的目的是去除噪聲，使圖像能夠更好識別。常用方法有平均模板平滑和中值濾波，二者都是基于圖像是由許多灰度恒定的小塊組成，相鄰像素間存在很高的空間相關(guān)性，而噪聲則是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。通過對比這兩種濾波方法對裂縫圖處理的結(jié)果看出，平均模板算法雖然對邊緣有少量的破壞，但卻對裂縫邊緣起到了銳化作用，有利于以后的裂縫計(jì)算。因此，本文采用平均模板平滑裂縫圖像。

1.2.2 確定圖像閾值

圖像二值化將直接影響圖像邊緣點(diǎn)提取的精度，其關(guān)鍵點(diǎn)是確定閾值。目前的方法有很多，如實(shí)驗(yàn)法、最小誤差法、直方圖法、改進(jìn)Roberts 法、梯度法等。文獻(xiàn)［9］介紹了利用手動選取閾值，雖然可以通過不斷觀測和不斷調(diào)整來達(dá)到裂縫圖像二值化，但是會大大影響測量速度和精度。通過分析比較，本文采用類判別法尋找閾值。

2 裂縫寬度測量

經(jīng)過了圖像預(yù)處理和二值化之后，即可通過自編的VC+ +圖像處理程序求出裂縫全場每一點(diǎn)的寬度。

具體測量步驟:(1)通過搜索找到裂縫的左側(cè)邊緣點(diǎn);(2)利用距離公式求出每一邊緣點(diǎn)到另一邊緣的距離;(3)對于分段圖像可得到每一段的最大寬度、最小寬度及平均寬度等;(4)由origin 應(yīng)用軟件重繪出邊緣形狀圖及裂縫寬度圖。

圖2 顯示的是從混凝土結(jié)構(gòu)表面采集來的裂縫圖像(a)及其處理過程中的圖像.其中，(b)是SFC 結(jié)合法增強(qiáng)后的圖像，(c)是黑色填充結(jié)果圖，(d)是白色顯示結(jié)果圖，(e)是利用基于灰度差閾值法進(jìn)行整像素提取的結(jié)果。梯度處理是亞像素搜索的前提.處理分析結(jié)果如表1 所示，可以看出該軟件用于結(jié)構(gòu)表面裂縫檢測及其后期數(shù)據(jù)處理的方便性。

圖2 結(jié)構(gòu)表面裂縫圖像處理過程圖

表1 裂縫參數(shù)

根據(jù)數(shù)字圖像處理的邊緣坐標(biāo)及裂縫寬度結(jié)果，可通過origin 軟件重繪出邊緣形狀圖(圖3)、裂縫寬度圖(圖4)?？梢钥闯觯芽p形狀圖與原圖吻合良好。圖4 中顯示了這段裂縫的最大和最小值及其相應(yīng)位置，將表1 中的裂縫寬度的數(shù)據(jù)結(jié)果與土建領(lǐng)域有關(guān)規(guī)定相結(jié)合，便可以對實(shí)際工程進(jìn)行安全評估。

考慮到光學(xué)測試系統(tǒng)的自身因素，為提高測試精度和處理過程準(zhǔn)確性，在測量過程中需注意以下幾個(gè)方面:

①保證光源穩(wěn)定和提高鏡頭分辨率，可減少噪聲影響，改善圖像對比度，也就是:使目標(biāo)和背景的亮度有明顯的差別。

②盡量保證目標(biāo)處于屏幕中央位置，且呈豎直狀態(tài)。一方面可提高計(jì)算精度，另一方面可減少圖像四周發(fā)生的鏡頭畸變的影響。

3 結(jié)論

(1)類判別分析法與數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)結(jié)合為混凝土表面裂縫的光學(xué)測量提供了一種新的處理手段。它可以測量出各點(diǎn)的裂縫寬度，最大裂縫位置及其大小。

(2)缺陷的定量化一直是無損檢測追求的目標(biāo).通過實(shí)驗(yàn)表明，該方法相對簡單，易于實(shí)現(xiàn)，利用應(yīng)用軟件使觀察裂縫更加直觀化。

(3)該方法主要適合于單根裂縫的計(jì)算。

(4)對工程出現(xiàn)的裂縫可進(jìn)行分段采集，分段處理，既提高了精度，又給測量帶來了方便，對于不規(guī)則裂縫等均有較好的測量精度。

(5)如果進(jìn)一步提高采集系統(tǒng)和處理過程的自動化、程序化，不僅可以對高處、危險(xiǎn)處等人無法靠近的地方進(jìn)行檢測，從而縮短處理時(shí)間，提高現(xiàn)場的工作效率。

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