一種路面裂縫圖像破損程度判定方法

朱平哲

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息傳媒學(xué)院，河南 三門峽472000）

引言

高速公路路面裂縫圖像的檢測，是確保高速公路暢通、經(jīng)濟繁榮發(fā)展的必要手段。在經(jīng)過車載攝像機采集、計算機進行路面裂縫圖像分割處理后，需要對圖像中裂縫的破損程度進行判定，從而達到合理的分配養(yǎng)護資金，使得高速公路得到及時的維護[1]。

傳統(tǒng)的路面裂縫圖像破損程度判定方法太復(fù)雜，往往根據(jù)裂縫圖像的幾何特征差異進行判定，導(dǎo)致程序復(fù)雜，速度慢，精度差[2]，不適合對大量不規(guī)則的路面裂縫圖像進行處理。在對大量路面裂縫圖像進行分析判斷后，發(fā)現(xiàn)圖像中像素數(shù)和密度具有鑒別裂縫圖像破損程度的意義。而文獻[3]提出了蠶食法，從四個方向依次將裂縫區(qū)域以外的部分去除掉，再對剩下的像素點進行統(tǒng)計，雖然效果較好，但是速度依然是個問題。所以，本文基于有很強大圖像處理功能的photoshop軟件，提出了使用像素法進行路面裂縫面積的計算方法，再根據(jù)裂縫面積計算出路段中路面裂縫率，從而實現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確地評估路段中路面病害狀況。

1 photoshop面積計算分析

針對路面裂縫圖像，要進行裂縫面積的計算，關(guān)鍵步驟是選擇出計算的區(qū)域。那么如何在photoshop中建立準(zhǔn)確的選區(qū)是關(guān)鍵，photoshop具有強大的選區(qū)工具，如不規(guī)則選取工具[4]，正適合不規(guī)則形狀的裂縫圖像的選擇。那么在經(jīng)過分割后的路面裂縫二值圖像中，選擇出白色像素點的裂縫就比較容易了，本文選擇使用魔棒工具，設(shè)置容差值為10，不僅選取速度快，而且選擇精度高。然后利用photoshop中直方圖統(tǒng)計出裂縫的像素數(shù)，那么，在整幅圖像中，像素數(shù)即為選擇區(qū)域的面積。

2 photoshop像素法判定路面裂縫圖像破損程度

基于圖像的模式識別系統(tǒng)分為三個部分，第一部分，圖像的采集和獲取階段；第二部分，圖像預(yù)處理分割階段；第三部分，圖像的識別分類階段[5]。要進行路面裂縫圖像破損程度判定，針對采集到的路面裂縫圖像要進行如圖1各階段處理，得到判定識別結(jié)果。

圖1 圖像識別系統(tǒng)簡單框圖

2.1 裂縫圖像分割二值圖

本文采用連霍高速公路三門峽段所拍攝的瀝青路面裂縫圖像進行實驗，所有照片大小都為640*480像素大小。本文的裂縫面積計算是基于前期工作的基礎(chǔ)，即使用形態(tài)學(xué)邊緣檢測法進行裂縫圖像分割處理[6]，然后針對圖像中檢測結(jié)果，根據(jù)裂縫圖像特征去除孤立噪聲。由于邊緣檢測后的裂縫圖像只有裂縫的邊緣，其內(nèi)部仍是裂縫區(qū)域，所以本文方法進行裂縫面積計算的前提是利用形態(tài)學(xué)區(qū)域填充法進行內(nèi)部空隙的填充[7]，形態(tài)學(xué)區(qū)域填充原理圖如下：

圖2 區(qū)域填充示意

下圖為選擇的一副路面裂縫圖像，對其進行分割處理的結(jié)果，如圖3-1、圖3-2、圖3-3、圖3-4。

圖3 路面裂縫圖像分割過程

2.2 裂縫圖像面積計算

進行分割后的裂縫圖像，使用photoshop軟件對圖3-4進行處理，進行裂縫像素數(shù)的統(tǒng)計，步驟如下：

（1）將原圖像背景轉(zhuǎn)換為圖層1，命名為圖像層；

（2）設(shè)置魔棒工具羽化值為0，容差為10，使用魔棒選擇出白色裂縫區(qū)域，按下ctrl+j快捷鍵創(chuàng)建一個裂縫區(qū)域的新圖層，命名為裂縫層；

（3）然后選擇“窗口”菜單下的“直方圖”命令，彈出直方圖對話框，在對話框中從源列表框中選擇“選中的圖層”，設(shè)置對當(dāng)前圖層進行像素數(shù)的統(tǒng)計。然后使用鼠標(biāo)選中圖像圖層，得到整個圖像的像素數(shù)307200（即640*480），如圖4所示。選中裂縫圖層，統(tǒng)計得到裂縫圖層的像素數(shù)13573，即白色裂縫區(qū)域像素數(shù)，如圖5所示；

圖4 圖像層直方圖

圖5 裂縫層直方圖

（4）在路面裂縫圖像中，裂縫包含的像素數(shù)可以反映裂縫分布密度。若面積的單位設(shè)為像素，那么目標(biāo)的像素數(shù)即為其面積。由步驟3統(tǒng)計的像素數(shù)分別為圖像面積和裂縫面積。

2.3 裂縫圖像破損程度判定

計算裂縫圖像的面積，目的在于進行路面裂縫圖像破損程度的判定。只有正確的對裂縫圖像做出判定，才能有效地評估路面病害狀況，實現(xiàn)公路養(yǎng)護資金的合理分配。

由于裂縫圖像的特征無規(guī)律，對其進行評判分析主要體現(xiàn)在裂縫面積和破損程度上。路面破損程度為裂縫區(qū)域的面積占圖像總面積的百分比。設(shè)整幅圖像面積為S，依照上述photoshop軟件像素法計算出裂縫面積Sc，那么裂縫破損程度d的計算公式如下：

公式1是對于一副路面裂縫圖像破損程度的計算。對于一段高速公路來說，要進行整個路面病害程度的狀況評估，需要對此路段上采集到的所有圖像進行綜合判定。常用的指標(biāo)有路面裂縫率，即路面裂縫的總面積與路面測定區(qū)域的總面積比值，用Ck表示。

SA為路段裂縫總面積，A為路面測定區(qū)域總面積，n為采集到的裂縫圖像幅數(shù)。

根據(jù)計算此路段路面裂縫率Ck的結(jié)果來描述路面的破損嚴重程度，分為輕、中、重三個等級（表1），遵照《公路養(yǎng)護質(zhì)量檢查評定標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定進行處理。

表1 路面破損程度

2.4 結(jié)果與分析

利用photoshop軟件像素法來計算面積，并進行路面裂縫率Ck計算，以此來評估路面的破損程度。其可靠性涉及2個方面：（1）圖像大小統(tǒng)一。采用統(tǒng)一尺寸的拍攝大小，方便圖像的處理和計算。那么在計算中，整幅圖像的尺寸大小是統(tǒng)一的，即像素數(shù)是一定的，則圖像的面積用像素數(shù)為單位表示均為640*480；（2）選區(qū)的精確度。對于要處理的二值裂縫圖像來說，由于只有黑白兩色，使用魔棒工具很容易精確選擇出來裂縫區(qū)域。選區(qū)的精確度是能保障的，所以從理論上分析本文方法非常準(zhǔn)確快速。

為進一步驗證本文算法的優(yōu)勢，在photoshop環(huán)境下，選擇了100幅640*480大小的路面裂縫圖像進行處理，得到如下結(jié)果，見表2。

表2 路面裂縫圖像實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明，本文算法在準(zhǔn)確度和效率上都要優(yōu)于傳統(tǒng)的基于裂縫特征信息的路面狀況評估方法。從Ck計算結(jié)果來看，Ck≤5%，所以文中進行實驗路段的破損程度為輕。

3 結(jié)論

由于路面裂縫圖像的不規(guī)則性，對其進行測量和計算非常麻煩。[8]本文在基于大量參考文獻的基礎(chǔ)上，利用photoshop軟件提出了像素法進行裂縫面積和裂縫分布密度的計算，改變了傳統(tǒng)方法從裂縫特征出發(fā)的思想，克服了裂縫圖像復(fù)雜無規(guī)則的特點，提高了高速公路路面病害識別效率和精度。但是由于實際中拍攝到的路面裂縫圖像很多，盡管文中方法簡單易實現(xiàn)，但整個操作過程中還要有人工的參與，因此，還需要進一步研究，將photoshop的批處理功能融入整個系統(tǒng)中。

[1]唐磊.基于圖像分析的路面病害自動檢測[D].南京：南京理工大學(xué)，2007.

[2]李剛，賀昱曜.不均勻光照的路面裂縫檢測和分類新方法[J].光子學(xué)報，2010，39（8）：1405-1408.

[3]伯紹波.瀝青路面裂縫圖像檢測算法研究[D].西安：長安大學(xué)，2008.

[4]江兆銀，朱迎華．Photoshop平面設(shè)計實用教程（項目式）[M]．北京：人民郵電出版社，2012．

[5]唐磊,趙春霞,王鴻南,等.基于圖像三維地形模型的路面裂縫自動檢測[J].計算機工程，2008，34（5）：20-22.

[6]黎蔚，朱平哲.瀝青路面裂縫圖像檢測算法研究[J].計算機工程與應(yīng)用，2012，48（19）：163-166.

[7]朱平哲，黎蔚.基于主動生長的斷裂裂縫塊的連接方法[J].計算機應(yīng)用，2011，31（12）：3382-3384.

[8]曾鋒，李寧，杭燕.基于規(guī)則的邊緣連接算法在路面病害檢測中的應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用與軟件，2006，3（2）：30-31.