基于圖像分析技術(shù)的結(jié)構(gòu)表面裂縫形態(tài)檢測(cè)

方志 ，夏軍 ，劉傳樂(lè)

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.湖南省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督管理局，湖南 長(zhǎng)沙 410011)

基于圖像分析技術(shù)的結(jié)構(gòu)表面裂縫形態(tài)檢測(cè)

方志1，夏軍1，劉傳樂(lè)2

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.湖南省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督管理局，湖南 長(zhǎng)沙 410011)

為有效檢測(cè)結(jié)構(gòu)物表面裂縫形態(tài)，基于圖像分析技術(shù)，采取在結(jié)構(gòu)表面黏貼純色標(biāo)定塊，并借此通過(guò)投影變換來(lái)修正和標(biāo)定原始圖像，對(duì)修正后的圖像進(jìn)行骨架化提取、去除分支和毛刺等一系列處理后直接在圖像上確定裂縫特征參數(shù)。基于所提方法，采用不同長(zhǎng)度、寬度和傾角的線條來(lái)模擬裂縫，試驗(yàn)驗(yàn)證了圖像修正和標(biāo)定算法的有效性，并研究拍攝角度和光照條件對(duì)裂縫特征參數(shù)檢測(cè)精度的影響。研究結(jié)果表明：基于不同角度拍攝的豎向和斜向模擬裂縫長(zhǎng)度的識(shí)別精度分別為99.73%和99.64%，對(duì)寬度不小于0.2 mm裂縫寬度的識(shí)別精度為95.84%和95.60%，表明該方法具有較高的檢測(cè)精度；光線強(qiáng)度對(duì)裂縫寬度精度影響較大，光照強(qiáng)度在1 400～3 100 lux時(shí)，識(shí)別精度較好，裂縫寬度識(shí)別的平均相對(duì)誤差小于5%。

結(jié)構(gòu)檢測(cè)；圖像分析；圖像修正；裂縫長(zhǎng)度；裂縫寬度

結(jié)構(gòu)物表面的裂縫形態(tài)是結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估中的重要參數(shù)之一，因此，準(zhǔn)確檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面的裂縫長(zhǎng)度和開(kāi)裂寬度顯得尤為重要。目前，結(jié)構(gòu)表面裂縫長(zhǎng)度和寬度檢測(cè)基本上是采用人工近距離接觸式測(cè)量，存在效率低、環(huán)境局限性大和可重復(fù)性差等不足，因此，有必要引入一種精度高、適用性強(qiáng)的無(wú)接觸式遠(yuǎn)距離檢測(cè)方法。

近年來(lái)，基于圖像分析技術(shù)的裂縫檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展并取得了一定的研究成果[1-8]，而如何在缺乏度量信息的混凝土和砌體結(jié)構(gòu)表面準(zhǔn)確修正和標(biāo)定圖像是該技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。Tung等[1]提出并研發(fā)了一種采用雙攝像頭的橋梁裂縫檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)2個(gè)攝像頭采集的圖像和攝像頭之間的距離來(lái)確定裂縫的分布，但該系統(tǒng)還不能確定裂縫的長(zhǎng)度和寬度；成盛等[2]研究在正拍條件下定量計(jì)算混凝土裂縫特征參數(shù)的算法，通過(guò)在裂縫旁邊放置面積已知的白色矩形塊，計(jì)算其在圖像中所占用的像素點(diǎn)數(shù)而得到像素解析度，但將裂縫長(zhǎng)度簡(jiǎn)單地取值為裂縫上、下邊界長(zhǎng)度的平均值，略顯粗糙；方志等[3]研究混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫圖像的標(biāo)定與修正方法，采用基于矩形標(biāo)定塊來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行拉伸和壓縮處理以修正單向傾斜拍攝的裂縫圖像，但還不能實(shí)現(xiàn)對(duì)任意拍攝角度的圖像進(jìn)行精確校正；劉學(xué)增等[4]研究隧道襯砌裂縫的遠(yuǎn)距離圖像測(cè)量技術(shù)，通過(guò)激光測(cè)距儀測(cè)定拍攝距離實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的標(biāo)定，并研究了拍攝角度對(duì)裂縫特征參數(shù)的影響，但只是通過(guò)角度變換簡(jiǎn)單修正斜拍圖像的裂縫特征參數(shù)，沒(méi)有校正圖像中存在的幾何變形，所以計(jì)算結(jié)果的精度有待提高，實(shí)際工程中還存在遠(yuǎn)距離拍攝時(shí)拍攝角度難以準(zhǔn)確測(cè)量等問(wèn)題，因此該方法難以準(zhǔn)確標(biāo)定裂縫圖像。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制，實(shí)際采集的裂縫圖像難以保證是嚴(yán)格的正拍圖像，相機(jī)成像平面與目標(biāo)裂縫平面存在夾角，從而使裂縫圖像存在幾何變形，同時(shí)拍攝距離也難以準(zhǔn)確標(biāo)定，因此采用上述方法尚不能準(zhǔn)確獲取裂縫信息。本文基于數(shù)字圖像分析技術(shù)，采用在結(jié)構(gòu)表面黏貼純色標(biāo)定塊，基于投影變換來(lái)標(biāo)定和修正源自任意拍攝角度的原始圖像，并對(duì)修正后的圖像進(jìn)行骨架化提取、去除分支和毛刺等一系列處理后直接在圖像上確定裂縫形態(tài)、長(zhǎng)度和寬度，以期提出一種更具實(shí)用性的裂縫形態(tài)檢測(cè)方法。

1 裂縫圖像的分析方法

基于圖像分析技術(shù)的裂縫形態(tài)確定，主要包括裂縫圖像采集、圖像修正和標(biāo)定、裂縫主干提取以及裂縫長(zhǎng)度和寬度確定等內(nèi)容。相應(yīng)的處理流程如圖1。

圖1 裂縫圖像分析流程Fig.1 Flow chart of image analysis for crack inspection

1.1 圖像采集

像素解析度代表單位像素所能反映的對(duì)象實(shí)際尺寸。依據(jù)針孔成像原理，像素解析度、圖像分辨率、焦距和拍攝距離之間的關(guān)系如式(1)所示。

(1)

式中：L為裂縫平面至相機(jī)焦點(diǎn)的距離，mm；η為像素解析度，mm/pixel：f為相機(jī)焦距，mm；CG為傳感器尺寸，mm2；FB為相機(jī)分辨率，pixels2。

從式(1)可以看出：拍攝距離與相機(jī)分辨率呈二次關(guān)系，當(dāng)其他條件不變時(shí)，裂縫寬度和相機(jī)焦距越大、分辨率越高，裂縫的最遠(yuǎn)拍攝距離越大。

1.2 將RGB圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像

后續(xù)的圖像處理和分析均以灰度圖像為基礎(chǔ)，因此，先將RGB圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像。根據(jù)人類(lèi)對(duì)每種顏色的敏感程度，將圖像的R，G和B顏色分量映射到R，G和B立方體的對(duì)角線上，采用式(2)計(jì)算各像素色彩的灰度值[9]。

Gray=0.229×R+0.587×G+0.114×B

(2)

式中：Gray為輸出灰度圖像的灰度等級(jí)。

1.3 圖像的修正和標(biāo)定

當(dāng)相機(jī)成像平面與裂縫所在平面存在夾角時(shí)，采集的圖像產(chǎn)生變形，圖像分析前需要先對(duì)原始圖像進(jìn)行修正，這里基于圖像投影變換方法進(jìn)行修正。

二維圖像中的點(diǎn)坐標(biāo)表示為(x,y)，在矩陣[xy]中引入第3個(gè)元素，增加一個(gè)附加坐標(biāo)，將其擴(kuò)展為1×3的規(guī)范化齊次坐標(biāo)[xy1]，這樣用三維空間點(diǎn)(x,y,1)表示二維空間點(diǎn)(x,y)，則圖像的幾何變換可表示為：

[xy1] =[x0y01]T

(3)

式中：(x,y,1)為變換后的坐標(biāo)；(x0,y0,1)為變換前的坐標(biāo)；T為幾何變換矩陣[10]。

幾何變換矩陣T在齊次坐標(biāo)中為3×3階，其一般形式如下所示：

(4)

通常將全比例變換系數(shù)s設(shè)定為常數(shù)1，所以通過(guò)原始圖像中在同一平面上的4個(gè)像素點(diǎn)坐標(biāo)以及變換后圖像對(duì)應(yīng)的4個(gè)像素點(diǎn)坐標(biāo)，就可以確定二維空間的投影變換矩陣T。

工程結(jié)構(gòu)表面一般缺乏修正和標(biāo)定所需的標(biāo)定點(diǎn)，所以本文對(duì)原始圖像的修正和標(biāo)定均以檢測(cè)前黏貼在結(jié)構(gòu)表面的純色矩形標(biāo)定塊為基礎(chǔ)。矩形標(biāo)定塊在斜拍的影像中一般為四邊形，如圖2(a)所示。通過(guò)矩形標(biāo)定塊的四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)就可以計(jì)算投影變換矩陣，并將斜拍圖像糾正為具有度量信息的平行影像。圖2(b)為修正后的圖像。

(a)原始圖像；(b)修正后圖像圖2 圖像修正Fig.2 Image correction

1.4 圖像背景修正和對(duì)比度增強(qiáng)

背景修正的主要目的是消減背景中不均勻照明、陰影等對(duì)圖像質(zhì)量的影響，增強(qiáng)圖像的信噪比。這里采用原始圖像減去中值濾波后的圖像進(jìn)行處理[11]，可有效消除標(biāo)定塊和背景不均勻的影響，修正后的圖像如圖3(a)所示。

對(duì)比度增強(qiáng)主要采用“線性灰度變換”，將裂縫所在的灰度區(qū)間進(jìn)行拉伸，增強(qiáng)裂縫與背景的對(duì)比度，使裂縫邊緣細(xì)節(jié)更加明顯，對(duì)比度增強(qiáng)后的圖像圖3(b)所示。

(a)背景修正后圖像；(b)對(duì)比度增強(qiáng)后圖像圖3 圖像背景修正和對(duì)比度增強(qiáng)Fig.3 Image background correction and contrast enhancement

1.5 消除孤立點(diǎn)或孤立塊

消除孤立點(diǎn)和孤立塊時(shí)，需要先對(duì)圖像進(jìn)行二值化分割，即按照所設(shè)定的閾值，將圖像分割為若干個(gè)互不相交的小區(qū)域，使目標(biāo)圖像和背景分離。本文采用窗口法框選裂縫區(qū)域，使該區(qū)域內(nèi)裂縫的面積和背景所占的面積近似相等，統(tǒng)計(jì)該區(qū)域的直方圖，直方圖呈典型的雙峰圖，將2個(gè)峰值之間的谷點(diǎn)作為分割的閾值。圖4(a)為二值化并進(jìn)行反轉(zhuǎn)處理后的圖像。

圖像采集過(guò)程中，因污損和背景修正算法的影響，分割后的圖像上不可避免的會(huì)存在孤立點(diǎn)或孤立塊噪聲。裂縫在圖像中一般面積較大，在提取裂縫過(guò)程中，可利用連通域度量去除“孤立”點(diǎn)或“孤立”塊，保留真實(shí)裂縫[12]。圖4(b)為消除孤立塊并進(jìn)行反轉(zhuǎn)處理后的圖像。

(a)二值化后的圖像；(b)消除孤立塊后的圖像圖4 孤立塊消除Fig.4 Isolation block elimination

1.6 裂縫分類(lèi)

工程結(jié)構(gòu)表面裂縫通常分為圖5所示的線狀裂縫和網(wǎng)狀裂縫，其中線狀裂縫的最小外接矩形的長(zhǎng)寬比較大，而網(wǎng)狀裂縫則近似為圓形或矩形。這里通過(guò)計(jì)算裂縫最小外接矩形的長(zhǎng)寬比來(lái)區(qū)分線狀裂縫和網(wǎng)狀裂縫，并通過(guò)裂縫最小外接矩形的長(zhǎng)軸方向來(lái)判斷裂縫的方向。同時(shí)規(guī)定線狀裂縫最小外接矩形長(zhǎng)寬比為3作為區(qū)分線狀裂縫和網(wǎng)狀裂縫的分界值。而根據(jù)裂縫最小外接矩形的長(zhǎng)軸方向可將線狀裂縫區(qū)分為橫向、豎向和斜向裂縫，并規(guī)定長(zhǎng)軸與水平向x軸的夾角在00～300時(shí)記為橫向裂縫，在300～600時(shí)記為斜向裂縫，在600～900時(shí)記為豎向裂縫。

(a)線狀裂縫；(b)網(wǎng)狀裂縫圖5 裂縫分類(lèi)Fig.5 Fracture classification

1.7 計(jì)算裂縫寬度

經(jīng)上述處理后，若圖像中存在多條裂縫，可采用人機(jī)交互的方式在圖像中選取目標(biāo)裂縫區(qū)域。為簡(jiǎn)化運(yùn)算，計(jì)算裂縫寬度時(shí)，區(qū)域內(nèi)只容許一條裂縫。

豎向裂縫和斜向裂縫按行進(jìn)行掃描(同理，橫向裂縫和斜向裂縫按列進(jìn)行掃描)，記錄每行裂縫的像素點(diǎn)數(shù)P(i)和該行裂縫的中心點(diǎn)坐標(biāo)，并將所有中心點(diǎn)坐標(biāo)的連線作為裂縫的中心線。

裂縫寬度按式(5)確定：

wi=η×P(i)×cos(θi)

(5)

式中：wi為第i行像素點(diǎn)處的裂縫寬度；η為像素解析度；θi為第i行中心線的傾角。

1.8 裂縫主干提取

裂縫的骨架化是將分割出來(lái)的裂縫逐次去掉其邊緣，最終保留僅有一個(gè)像素寬的中心線。圖6(a)為裂縫局部區(qū)域骨架化并進(jìn)行反轉(zhuǎn)處理后的圖像。

混凝土和砌體結(jié)構(gòu)表面裂縫在骨架化后通常會(huì)存在大量的分支和毛刺，會(huì)影響裂縫長(zhǎng)度的提取。為消除裂縫分支和毛刺，這里采用分級(jí)去除毛刺算法[13]，通過(guò)從小到大逐級(jí)提高長(zhǎng)度門(mén)限并計(jì)算裂縫分支的長(zhǎng)度，將長(zhǎng)度小于門(mén)限的裂縫分支作為毛刺踢除，這里最大長(zhǎng)度門(mén)限取LT=100。圖6 (b)為裂縫局部區(qū)域去除毛刺并進(jìn)行反轉(zhuǎn)處理后的圖像。

(a)裂縫骨架化后；(b)去除毛刺后圖6 裂縫骨架提取Fig.6 Crack skeleton extraction

1.9 計(jì)算裂縫長(zhǎng)度

經(jīng)過(guò)上述算法后，裂縫骨架提取完成，這里采用相鄰點(diǎn)距離求和法計(jì)算裂縫長(zhǎng)度。相鄰像素點(diǎn)間距LD如下式所示：

(6)

式中：η為像素解析度；(xk，yk)和(xk+1，yk+1)分別為兩相鄰點(diǎn)的坐標(biāo)值。

2 程序?qū)崿F(xiàn)及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 程序?qū)崿F(xiàn)

基于以上的裂縫圖像分析方法，利用 Matlab R2009a編制程序?qū)崿F(xiàn)上述分析過(guò)程。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖像信息的采集設(shè)備為數(shù)碼相機(jī)Canon 5D MarkⅢ，分辨率為5 870×3 840，傳感器尺寸為36 mm×24 mm。為更好地驗(yàn)證本文算法，以相片紙上精確沖印的不同寬度、長(zhǎng)度和傾角的標(biāo)準(zhǔn)線條來(lái)模擬裂縫。試驗(yàn)對(duì)象包括6條豎向直線和6條斜向直線，其長(zhǎng)度按編號(hào)依次為30，25，20，15，10和5 cm，寬度依次為2，1，0.5，0.25，0.2和0.1 mm。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，寬度等于0.1 mm的直線在斜拍圖像中小于一個(gè)像素點(diǎn)寬時(shí)，模擬裂縫將不能在圖像中形成有效像素點(diǎn)，所以這里只選取寬度大于0.1 mm的線進(jìn)行比分析。

2.3 拍攝角度的影響

圖像采集的拍攝距離為1.5 m，鏡頭焦距為105 mm，此時(shí)正拍圖像的像素解析度為0.094 39 mm/pixel。

試驗(yàn)中將相紙緊密黏貼在展板平面上，通過(guò)控制展板在水平面的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和豎向的傾斜度來(lái)模擬不同的拍攝角度，圖像采集如圖7所示。圖7(a)中，O-xyz和O‘-x’y’z’分別為正拍和斜拍條件下的目標(biāo)平面中心坐標(biāo)，α和β分別為目標(biāo)平面向后和向右的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，當(dāng)α和β均等于00時(shí)，所拍攝的影像即為正拍圖像。

基于不同角度拍攝圖像所得的豎向直線長(zhǎng)度

和寬度識(shí)別值與實(shí)測(cè)值的比較如表1～2所示?？梢钥闯觯?～5號(hào)豎向直線不同角度拍攝所得長(zhǎng)度的平均相對(duì)誤差為0.16%～0.43%；寬度的平均相對(duì)誤差變化范圍為1.22%～6.67%；豎向直線長(zhǎng)度和寬度的總體識(shí)別精度分別為99.73%和95.84%。

(a)圖像采集示意；(b)展板平面圖7 圖像采集Fig.7 Image acquisition

表1 不同角度拍攝豎向直線長(zhǎng)度識(shí)別值和實(shí)測(cè)值比較Table 1 Comparison of the identification and measured values of vertical straight line length using different shooting angles

基于不同角度拍攝圖像所得的斜向直線長(zhǎng)度和寬度識(shí)別值與實(shí)測(cè)值的比較如表3和表4所示?？梢钥闯觯?～5號(hào)斜向直線不同角度拍攝所得長(zhǎng)度的平均相對(duì)誤差變化范圍為0.28%～0.56%；寬度的平均相對(duì)誤差變化范圍為1.61%～7.78%；斜向直線長(zhǎng)度和寬度的總體識(shí)別精度分別為99.64%和95.60%。結(jié)果表明：基于不同角度拍攝圖像的識(shí)別結(jié)果均具有較高精度，識(shí)別精度隨被識(shí)別線條長(zhǎng)度和寬度的減小而降低。

表2 不同角度拍攝豎向直線寬度識(shí)別值和實(shí)測(cè)值比較Table 2 Comparison of the identification and measured values of vertical straight line width using different shooting angles

表3 不同角度拍攝斜向直線長(zhǎng)度識(shí)別值和實(shí)測(cè)值比較Table 3 Comparison of the identification and measured values of oblique straight line length using different shooting angles

表4 不同角度拍攝斜向直線寬度識(shí)別值和實(shí)測(cè)值比較Table 4 Comparison of the identification and measured values of oblique straight line width using different shooting angles

2.4 光照條件引起的誤差

通過(guò)采集9∶00,11∶00,13∶00,15∶00和17∶00等不同拍攝時(shí)刻的圖像，對(duì)比研究光照條件對(duì)裂縫特征參數(shù)檢測(cè)精度的影響。試驗(yàn)采用的拍攝距離為1.5 m，鏡頭焦距為105 mm，拍攝條件為正拍，并采用特安斯TA8123數(shù)字式照度計(jì)(精度為0.1 lux)測(cè)量光照強(qiáng)度。

基于不同光照條件下拍攝圖像所得豎向直線的寬度識(shí)別值與實(shí)測(cè)值結(jié)果如表5和圖8所示。由于正午的光照較強(qiáng)，采集的圖像存在曝光過(guò)度，導(dǎo)致較窄的裂縫由于灰度值偏低而無(wú)法提取，所以這里只對(duì)寬度為2，1和0.5 mm的豎向直線進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。

(a)不同時(shí)間點(diǎn)裂縫寬度誤差;(b)不同時(shí)間點(diǎn)的光照強(qiáng)度圖8 不同時(shí)間點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test results under different time conditions

結(jié)果表明：光照強(qiáng)度會(huì)顯著影響裂縫邊緣的成像，進(jìn)而影響寬度的識(shí)別，而光照強(qiáng)度對(duì)長(zhǎng)度的影響較小，可以忽略不計(jì)。光線較強(qiáng)和較弱時(shí)的測(cè)試結(jié)果均存在較大誤差；當(dāng)光照強(qiáng)度在1 400～3 100 lux范圍內(nèi)時(shí)，寬度的測(cè)試精度較高，平均相對(duì)誤差小于5%。

3 結(jié)論

1)投影變換法可以較準(zhǔn)確修正和標(biāo)定不同角度拍攝得到的原始裂縫圖像；

2)裂縫在圖像中形成的有效像素點(diǎn)越多，裂縫的識(shí)別精度越高，所以在圖像采集時(shí)，宜選用較小的拍攝距離；

3)光線強(qiáng)度對(duì)裂縫寬度的識(shí)別精度影響較大，對(duì)長(zhǎng)度的影響較小。當(dāng)光照強(qiáng)度在1 400～3 100 lux時(shí)，裂縫寬度的測(cè)試精度較高，平均相對(duì)誤差小于5%，所以應(yīng)在晴朗的白天采集裂縫圖像；

4)本文提出的方法能較好地識(shí)別裂縫特征參數(shù)?；诓煌嵌扰臄z的豎向和斜向模擬裂縫長(zhǎng)度的識(shí)別精度分別為99.73%和99.64%，對(duì)寬度不小于0.2 mm裂縫寬度的識(shí)別精度分別為95.84%和95.60%。

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Crack shape detection on the structural surface based on image analysis technology

FANG Zhi1，XIA Jun1，LIU Chuanle2

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2.Hunan Provincial Engineering Quality and safety Supervision Bureau for Communication, Changsha 410011, China)

This paper aims to find a efficient method for detecting the crack shapes on the structural surface. Based on the application of image analysis technology, a standard square attached on the structural surface is used as a reference mark to calibrate the original deformed images through the projection transformation, and then extracting the crack skeleton and removing the branches and burr, etc. Finally, the crack characteristic parameters in the image can be calculated. This method is verified by the simulated crack with lines of different length, width and angle of inclination and this paper also studies the influence of shooting angle and light condition on the detection accuracy of the crack characteristic parameters. Based on different shooting angles, the length identification accuracy of vertical and oblique simulation crack can reach 99.73% and 99.64% respectively, and when the width is not less than 0.2 mm, the recognition accuracy of width is 95.84% and 95.60% respectively, which shows that this new method has high detection precision. The light intensity has a great influence on the crack width identification. When the light intensity is 1 400～3 100 lux, the average relative error of the crack width identification is less than 5%.

structural detection; image analysis; image correction; crack length; crack width

2016-02-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278182)；湖南省交通廳科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(201424)

方 志(1963-),男，湖北黃岡人，教授，博士，從事數(shù)字圖像處理的研究；E-mail：zackfang@163.com

U446.3

A

1672-7029(2016)12-2447-08