爆破裂紋形態(tài)統(tǒng)計的圖像特征提取技術(shù)研究

司劍峰 鐘東望 涂圣武 陳 晨 黃 雄

(1.武漢科技大學理學院，湖北 武漢 430065；2.武漢科技大學爆破技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430065)

研究爆破裂縫擴展規(guī)律對于研究爆破破碎機理具有十分重要的意義。高速攝影技術(shù)具有較強的直觀性，對研究爆破裂紋擴展具有獨特優(yōu)勢[1]，利用高速攝影機將裂紋發(fā)展過程進行拍攝、回放、分幅處理，可將高速變化的過程變成以ms為單位變化的一張張圖像，通過對圖像的分析即可研究裂紋隨時間變化的規(guī)律。筆者曾采用高速攝影技術(shù)對混凝土邊坡模型單孔爆破進行模型試驗研究[2-4]，通過對關(guān)鍵點的跟蹤得到了自由面上裂紋寬度達到10 mm需要10 ms以上，并結(jié)合動態(tài)應變測試技術(shù)和電子起爆系統(tǒng)對鉆孔爆破孔間最佳延期時間進行了分析研究。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，高速攝影對于再現(xiàn)爆破裂紋的發(fā)展過程十分有效，但由于拍攝光線、視角或爆破產(chǎn)生的粉塵等原因會影響拍攝的效果，很難清晰地再現(xiàn)爆破裂紋的發(fā)展過程。因此，本研究主要結(jié)合計算機圖像處理技術(shù)，處理其中有代表性的1組高速攝影圖片，對處理后的裂紋數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，從而方便分析爆破裂紋發(fā)展的規(guī)律。

MATLAB是國際公認的最優(yōu)秀的科技應用軟件之一，具有編程簡單、數(shù)據(jù)可視化功能強、可操作性強等特點，而且配有功能強大、專業(yè)函數(shù)豐富的圖像處理工具箱，是進行圖像處理方面工作必備的軟件工具[5]。MATLAB提供了可視化的界面環(huán)境Guide，其功能與微軟軟件相似，可以方便地創(chuàng)建界面。利用其可視化的創(chuàng)建圖形窗口工具可方便地創(chuàng)建GUI應用程序，根據(jù)用戶設計的GUI布局，自動生成M文件的框架，用戶使用這一框架編織自己的應用程序[6]。

本研究基于MATLAB平臺，建立圖像處理程序，采用了圖像特征提取技術(shù)對裂紋進行了檢測分析，通過對比增強、二值化和裂紋識別等一系列處理得到裂紋識別圖，并與文獻[1]的研究結(jié)果進行對比，分析誤差和區(qū)別，完善爆破裂紋圖像檢測和數(shù)據(jù)處理的方法和理論。

1 實驗介紹

本研究選用素混凝土模型作為材料來進行實驗，爆破方式為單孔爆破，利用高速攝影機來記錄爆破破碎過程，并將攝影機采集的圖像信號通過分幅處理分成間隔1 ms的一系列圖像。選取前5～30 ms的裂紋圖像進行研究(前5 ms裂紋過小，無法識別)。高速攝影系統(tǒng)采用日本NAC公司的GX-8超高感光度高速相機，最高拍攝速度為60萬幅/s，本次拍攝幀率設置為4 000 fps，像幅544 ×388 像素，觸發(fā)方式為前觸發(fā)，快門速度設置為OPEN( 248.3μs) 模式。圖1為分幅處理后5、10、15、20、25、30 ms時刻的圖像信號。

圖1 不同時刻裂紋圖像

2 圖像處理技術(shù)

混凝土模型爆破裂紋是一個動態(tài)變化的過程，利用高速攝影機拍攝并進行分幅處理后對單張裂紋照片進行處理。初始階段裂紋寬度相對較小、圖像的對比度相對較低、具有分枝裂紋和雜點等[7-10]；隨著裂紋發(fā)展裂紋寬度逐漸增加、對比度逐漸增強、主裂紋逐漸成型，但易出現(xiàn)孤立塊體形成環(huán)形裂紋。為使目標圖像可以更客觀、方便進行數(shù)值計算分析，本研究利用MATLAB可視化的創(chuàng)建圖形窗口工具，設計了鉆孔爆破裂紋識別系統(tǒng)對裂紋圖像依次進行一系列處理。該系統(tǒng)包括灰度化處理、直方圖均衡化、中值濾波去噪、對比度增強、二值化處理、二值圖像濾波、裂紋識別、裂紋判斷、裂紋拼接、裂紋投影等功能。系統(tǒng)功能框架圖如圖2所示。

采用上述鉆孔爆破裂紋識別系統(tǒng)，對第10 ms圖像進行處理。如圖3為直方圖均衡化處理后的結(jié)果，圖4為圖像經(jīng)過二值化處理并濾波后的結(jié)果，圖5是識別出的裂紋圖像，圖6是對識別出的裂紋進行標記的結(jié)果，圖7中列出了裂紋的行投影及列投影結(jié)果。

圖2 鉆孔爆破裂紋識別系統(tǒng)功能框架

圖3 直方圖均衡化

圖4 二值圖像濾波

圖5 裂紋識別

圖6 裂紋標記

3 二值化處理方法

在裂紋目標檢測的過程中，為了提取裂紋的邊緣、面積、寬度等信息，需要引入閾值來對目標進行圖像二值化處理。本程序中將0～255的灰度值標記為0～1，在0～1之間選取參數(shù)，來對已經(jīng)灰度化的圖像進行二值化處理。在閾值之內(nèi)的某像素目標標記為1，其余的標記為0。閾值選取通常有2種：全局閾值和自適應閾值。本程序中采用自定義和全局閾值的迭代法結(jié)合來選取閾值，綜合考慮圖像的整體灰度值和實際操作需求進行調(diào)整。步驟如下。

圖7 系統(tǒng)主界面及裂紋投影

(1)選取初值，即為裂紋圖像的最大灰度值Fmax和最小灰度值Fmin二者的平均值。

(2)根據(jù)F對圖像進行分割，得到2個像素集合分別為

(3)均值。計算像素集合G1和G2的灰度平均值u1和u2。

(4)迭代。根據(jù)u1和u2。計算新的閾值

重復步驟(2)—步驟(4)，直到閾值F收斂到某一范圍為止。

在本研究中，根據(jù)迭代的結(jié)果與實際處理需求將閾值設為0.25。

4 裂紋分析

本系統(tǒng)對裂紋的識別，裂紋圖像與原圖吻合較好。比照原圖發(fā)現(xiàn)，裂紋的初始階段識別情況要優(yōu)于后期發(fā)展，分析產(chǎn)生原因是拍攝方位問題。在拍攝過程中隨著裂紋發(fā)展下部的混凝土部分產(chǎn)生剝落、分離，阻擋了拍攝視角，從而導致后期圖像處理結(jié)果出現(xiàn)有裂紋下部不連續(xù)的問題，整個主裂紋被分割為2條支裂紋。

參考行投影(裂紋圖像向縱軸方向的像素積分投影)，在35 Pixel的位置出現(xiàn)波峰，由于整個裂紋可歸納為縱向裂紋，且偏角很小，將該處的積分數(shù)值作為該位置裂紋數(shù)值。通過分析所有時刻裂紋圖像的行投影，筆者發(fā)現(xiàn)裂紋寬度值存在2個峰值，左邊一個峰值出現(xiàn)在橫坐標為35左右的位置，而右邊峰值因為混凝土模型碎片剝落導致統(tǒng)計出現(xiàn)誤差，故而不適宜作為裂紋寬度值統(tǒng)計的依據(jù)。根據(jù)拍攝比例尺進行畫面尺寸的校準，得到校準比例為1 Pixel=0.705 6 mm。由校準比與像素積分的乘積，即可得到該位置裂紋寬度值。

同樣根據(jù)檢測出的裂紋像素長度和面積，再分別乘以校準比和校準比的平方，可以得到裂紋的實際長度和面積。

4.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對裂紋長度和面積結(jié)果進行統(tǒng)計如表1。本研究標記行投影中橫坐標為35 Pixel處對應的位置為A截面，統(tǒng)計得到A截面裂紋寬度值隨時間變化情況，如表1。

表1 裂紋長度、面積及A截面裂紋寬度值隨時間變化值

從表1可以看到，隨著時間的增加，裂紋長度、寬度、面積呈增長趨勢，符合客觀現(xiàn)象。在列投影中，從8 ms開始，裂紋已經(jīng)貫穿整個圖片，圖像中裂紋的長度不再增加。

4.2 對比分析

文獻[1]中采用關(guān)鍵點跟蹤的方法對自由面上的關(guān)鍵點進行跟蹤統(tǒng)計分析，得到了裂紋寬度發(fā)展情況，本研究選取其不同時刻裂紋寬度值與表1的數(shù)據(jù)進行對比分析，曲線圖見圖8。

圖8 裂紋識別法及關(guān)鍵點跟蹤法統(tǒng)計的裂紋寬度值

由圖8可以看出，2條曲線在23 ms前基本吻合，裂紋的發(fā)展趨勢基本一致。但相對之下，本研究中得到的裂紋寬度值較小，且在23 ms后裂紋擴展速度減慢。

通過觀察裂紋圖和投影圖發(fā)現(xiàn)，在行投影中橫坐標100的位置也存在一個波峰，對應的裂紋圖的主裂紋部分，由于在圖像采集過程中剝離的混凝土塊阻擋了攝影方向，從而使裂紋識別圖識別成了2個分枝裂紋，而我們參看后面幾幅原圖會發(fā)現(xiàn)，混凝土塊實際上已經(jīng)完全脫離模型，在關(guān)鍵點跟蹤方法中脫離模型的混凝土塊寬度也被計算在裂紋寬度中，因此，本系統(tǒng)在對該位置的裂紋寬度進行統(tǒng)計時裂紋寬度值偏小。

5 結(jié) 論

(1)高速攝影對于再現(xiàn)爆破裂縫的發(fā)展過程十分有效，但由于拍攝光線、視角或爆破產(chǎn)生的粉塵等原因，高速攝影一般要結(jié)合計算機圖像處理。本研究基于MATLAB平臺，設計了鉆孔爆破裂紋識別系統(tǒng)，經(jīng)過圖像特征提取技術(shù)處理后，得到的裂紋圖像與原圖相比，處理效果良好，也說明了該系統(tǒng)研究爆破裂紋是可行的。

(2)分析裂紋識別結(jié)果，得到了裂紋寬度隨時間的發(fā)展過程，該過程與筆者之前采取的關(guān)鍵點跟蹤法結(jié)果基本吻合；但由于裂紋分支中間部分混凝土剝落的原因使得裂紋識別法在后期得到的裂紋寬度值要小于關(guān)鍵點跟蹤法。

(3)利用裂紋識別法不僅能提高圖片處理效率、不需要拍攝前期的試樣預處理工作，而且能夠得到裂紋長度與面積的信息，而關(guān)鍵點跟蹤法無法統(tǒng)計裂紋長度和面積信息，這對裂紋擴展規(guī)律的認識有重要意義。

(4)本實驗中混凝土模型由于其不透明性，導致在圖像采集過程中模型剝離的混凝土塊對采集效果造成影響，干擾后期爆破裂紋的檢索和提取。需要在本文的裂紋圖像處理軟件中加強裂紋拼接的效果，比如由2條枝裂紋包圍的較小的背景部分，可以直接轉(zhuǎn)化為裂紋部分，但是具體的參數(shù)設計還有待繼續(xù)調(diào)試研究。

[1] 肖旺新,肖正學,郭學彬，等.基于小波圖像處理的爆破裂紋發(fā)展速度[J].巖石力學與工程學報,2003(12):2057-2061.

Xiao Wangxin,Xiao Zhengxue,Guo Xuebin,et al.Blast-induced crack developing velocity based on wavelet image processing[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003(12):2057-2061.

[2] 司劍峰,鐘冬望,黃小武.鉆孔爆破孔間最佳延時時間模型試驗研究[J].金屬礦山,2015(6):19-23.

Si Jianfeng,Zhong Dongwang,Huang Xiaowu.Experimental model of the optimal delay time in drilling blasting[J].Metal Mine,2015(6):19-23.

[3] 李 清,楊仁樹,李均雷，等.爆炸荷載作用下動態(tài)裂紋擴展試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2005(16):2912-2916.

Li Qing,Yang Renshu，Li Junlei，et al.Experimental study on propagation of dynamic cracks under blasting loading[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005(16):2912-2916.

[4] 肖正學,張志呈,郭學彬.斷裂控制爆破裂紋發(fā)展規(guī)律的研究[J].巖石力學與工程學報,2002(4):546-549.

Xiao Zhengxue，Zhang Zhicheng，Guo Xuebin.Research on crack developing law of rock fracture controlled blasting[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002(4):546-549.

[5] 劉加海，嚴 冰，季江民，等.Matlab可視化科學計算[M].杭州:浙江大學出版社，2014.

Liu Jiahai,Yan Big,Ji Jiangmin,et al.Matlab Visualization Scientific Computing[M].Hangzhou:Publishing House of Electronics Industry，2014.

[6] 劉衍琦，詹福宇.Matlab圖像與視頻處理實用案例詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社，2015.

Liu Yanqi,Zhan Fuyu.Practical Examples of Matlab Image and Video Processing[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2015.

[7] 楊仁樹,王雁冰,岳中文,等.定向斷裂雙孔爆破裂紋擴展的動態(tài)行為[J].爆炸與沖擊,2013(6):631-637.

Yang Renshu,Wang Yanbing,Yue Zhongwen,et al.Dynamic behaviors of crack propagation in directional fracture blasting with two holes[J].Explosion and Shock Waves,2013(6):631-637.

[8] 楊仁樹,岳中文,董聚才,等.斷續(xù)節(jié)理介質(zhì)爆生裂紋擴展的動焦散實驗研究[J].中國礦業(yè)大學學報,2008(4):467-472.

Yang Renshu,Yue Zhongwen,Dong Jucai,et al.Dynamic caustics experiment of blasting crack propagation in discontinuous jointed material[J].Journal of China University of Mining and Technology,2008(4):467-472.

[9] 謝 源.高應力條件下巖石爆破裂紋擴展規(guī)律的模擬研究[J].湖南有色金屬,2002(4):1-3.

Xie Yuan.The modelling experiment for regularity of blasting crackle spread of rock under high stress conditions[J].Hunan Nonferrius Metals,2002(4):1-3.

[10] 孫 博.煤體爆破裂紋擴展規(guī)律及其試驗研究[D].焦作：河南理工大學，2011.

Sun Bo.Experimental Study on the Blasting Crack Growth Law in Coal[D].Jiaozuo:Henan Polytechnic University，2011.