水中結(jié)構(gòu)物表面缺陷攝像檢測(cè)與識(shí)別技術(shù)

鐘永元

摘 要：文章介紹了水中機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)常用方法，分析比較了表面缺陷攝像檢測(cè)中雙目視方法的特點(diǎn)及不足，提出了單目視輔以定位射線的檢測(cè)方法方法，結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)現(xiàn)有的雙目視方法的檢測(cè)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，提高了其工作穩(wěn)定性和工作效果。

關(guān)鍵詞：雙目視覺(jué) 水下檢測(cè) 攝像檢測(cè)

1.引言

水中結(jié)構(gòu)物表面缺陷的幾何特征識(shí)別，關(guān)系到水中結(jié)構(gòu)物的狀態(tài)評(píng)估、維修加固設(shè)計(jì)等方面。我國(guó)東南沿海省份有多條高速公路處于江河入?？诟浇饔颉Ｊ艹Ｄ贻^大潮差水流的影響，橋梁水中結(jié)構(gòu)物部分可能存在病害，為及時(shí)掌握橋梁水中結(jié)構(gòu)物的狀況，亟需采取有效方法對(duì)水中結(jié)構(gòu)物進(jìn)行快速、有效檢測(cè)。

2.水中橋梁樁基病害類型

我國(guó)現(xiàn)有橋梁水中結(jié)構(gòu)物多數(shù)為混凝土結(jié)構(gòu)。水中結(jié)構(gòu)物病害調(diào)查結(jié)果表明，橋梁水中混凝土材質(zhì)基礎(chǔ)的主要病害形式為混凝土開裂、剝落、表面缺損（蜂窩麻面等）、沖蝕等表觀病害，以及鋼筋銹脹等材料性質(zhì)變化引起的病害。根據(jù)調(diào)查資料，水中橋梁樁基病害類型主要有以下幾種：

（1）施工質(zhì)量缺陷。主要有混凝土表觀質(zhì)量差等。施工質(zhì)量缺陷易導(dǎo)致混凝土質(zhì)量差而形成沖蝕和鋼筋的銹蝕等病害。

（2）鋼筋銹蝕。主要表現(xiàn)為銹斑、銹脹。位于沖刷區(qū)域的樁身段，鋼筋銹蝕后由于水流作用混凝土迅速脫落，形成鋼筋外露。

（3）混凝土沖蝕。長(zhǎng)期受水流、漂浮物等的沖刷磨損，混凝土逐漸被消磨，造成混凝護(hù)層變薄。

水中結(jié)構(gòu)物位于水下，發(fā)生病害后不易觀測(cè)。因此需要針對(duì)不同病害類型，采用適宜的檢測(cè)方法，以保證及時(shí)有效地對(duì)水中結(jié)構(gòu)物進(jìn)行檢測(cè)。目前，水中結(jié)構(gòu)物表面缺陷的幾何特征的獲取還是以目視或攝像的方式為主，主要包括潛水員摸測(cè)和目測(cè)、靜水?dāng)z像、遙控電視和動(dòng)態(tài)攝像等。

3.雙目視覺(jué)檢測(cè)概述

計(jì)算機(jī)視覺(jué)的研究目標(biāo)是使計(jì)算機(jī)具有通過(guò)二維圖像認(rèn)知三維環(huán)境信息的能力。立體視覺(jué)（Stereo Vision）是計(jì)算機(jī)被動(dòng)測(cè)距方法中最重要的距離感知技術(shù)，而在實(shí)際應(yīng)用中，雙目視覺(jué)是應(yīng)用較多的檢測(cè)方式，現(xiàn)有的基于機(jī)器視覺(jué)的水下結(jié)構(gòu)物檢測(cè)技術(shù)研究均采用雙目視覺(jué)法。雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)主要是基于三角法原理進(jìn)行測(cè)量的，即兩個(gè)攝像機(jī)的圖像平面和被測(cè)物體之間構(gòu)成一個(gè)三角形。已知兩攝像機(jī)之間的位置關(guān)系，便可測(cè)量?jī)蓴z像機(jī)公共視場(chǎng)內(nèi)物體的三維尺寸及空間物體特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

4.雙目視覺(jué)檢測(cè)原理

典型的雙目傳感器基于立體視差原理進(jìn)行測(cè)量，如圖1所示為簡(jiǎn)單的平視雙目成像原理圖。

具體方法如下：

交叉擺放兩個(gè)攝像機(jī)，從不同角度觀測(cè)同一被測(cè)物體，只要能從不同位置或角度獲取同一特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，都可以由雙目立體視覺(jué)測(cè)量的原理求取三維空間坐標(biāo)。

首先要確定單個(gè)攝像機(jī)的視角，然后針對(duì)工程應(yīng)用的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)兩個(gè)攝像機(jī)之間的基線距離與夾角，以獲取最佳的公共視場(chǎng)。為獲得實(shí)際檢測(cè)中CCD相機(jī)的視角，使CCD相機(jī)與一平面垂直。根據(jù)實(shí)際的攝像機(jī)能抵近結(jié)構(gòu)物表面的距離，設(shè)置CCD相機(jī)與平面的距離，并且讓CCD相機(jī)的光軸指向平面上的十字中心，根據(jù)圖像中的所能拍攝到的標(biāo)尺的距離，則可計(jì)算出CCD相機(jī)在水平方向和豎直方向上的視角。

由三角關(guān)系可以計(jì)算出CCD攝像機(jī)的水平視角和豎直視角。根據(jù)兩個(gè)攝像機(jī)的基線距離、攝像機(jī)與基線的夾角和攝像機(jī)的視角，則可以計(jì)算出雙目立體視覺(jué)傳感器的公共視場(chǎng)。但在實(shí)際應(yīng)用中，雙目視覺(jué)法需要采用多臺(tái)或多組攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，存在需要設(shè)備較多、應(yīng)用不便的問(wèn)題。為此，也可考慮采用單目視覺(jué)法輔以定位射線的方法進(jìn)行檢測(cè)。

5.單目視覺(jué)檢測(cè)輔以定位射線的檢測(cè)方法

在實(shí)際工作中，如果需要將兩個(gè)攝像機(jī)同時(shí)置入水中進(jìn)行檢測(cè)，將增加潛水員或水下機(jī)器人的負(fù)載，不便于操作。而傳統(tǒng)的僅采用單一攝像頭的方式，又存在不便于識(shí)別幾何特征的缺點(diǎn)。為此，可采用以下方法進(jìn)行解決：

在單攝像頭外徑兩端各安裝一個(gè)激光發(fā)射裝置，其發(fā)射的射線均與攝像機(jī)的視覺(jué)軸線平行。檢測(cè)時(shí)，將激光發(fā)射裝置開啟，在被檢物表面形成靶點(diǎn)，且靶點(diǎn)均在攝像機(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)，將靶點(diǎn)與周邊物體一起攝錄。

分析時(shí)，可在計(jì)算機(jī)屏幕上讀取兩靶點(diǎn)的像素?cái)?shù)量，記為A，根據(jù)兩激光發(fā)射裝置的間距B，可得到比例系數(shù)C=B/A。在讀取表觀病害，如裂縫，確定其兩端點(diǎn)之間的像素?cái)?shù)量D，再乘以C，即可得裂縫兩端點(diǎn)的距離。

對(duì)于剝落等缺陷，則可先確定其分布區(qū)域的端點(diǎn)，在根據(jù)上述方法確定兩兩端點(diǎn)之間的間距，進(jìn)而可算得剝落等面積。

從上述分析可見(jiàn)，采用單攝像頭法時(shí)，可測(cè)得表觀缺陷的二維幾何特征。而現(xiàn)有的雙目視法研究成果表明，雙目視法不僅可測(cè)得表觀缺陷的二維幾何特征，還可測(cè)得其三維幾何特征（如裂縫深度，缺陷深度等）。

因此，在實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)需求和工作條件，合理采用視覺(jué)檢測(cè)方法。

6.雙目視覺(jué)檢測(cè)裝置的改進(jìn)

在現(xiàn)有的研究中，雖然研發(fā)了雙目視覺(jué)的檢測(cè)裝置，但仍存在以下問(wèn)題：圖像獲取的清晰度不高；工作穩(wěn)定性不佳。

造成這種現(xiàn)象的原因如下：

（1）圖像獲取的清晰度不高的成因。經(jīng)分析，原有研究中的水下攝像裝置采用封閉式框架，攝像機(jī)直接浸沒(méi)于原狀水體中。由于攝像機(jī)距被檢物表面存在一定距離，當(dāng)原狀水體較為渾濁時(shí)，攝像機(jī)即被渾濁水體阻隔而無(wú)法攝錄。

（2）工作穩(wěn)定性不佳的成因。經(jīng)分析，原有研究中的水下攝像裝置采用無(wú)動(dòng)力的框架，僅在框架上端設(shè)置扶手。當(dāng)框架置于水中時(shí)，框架受水流沖擊，導(dǎo)致扶手變形，從而引起框架擺動(dòng)等，導(dǎo)致框架不穩(wěn)定，影響攝錄。

為解決這些問(wèn)題，對(duì)原有框架進(jìn)行了改進(jìn)，具體如下：

（1）圖像獲取的清晰度的改進(jìn)。為使攝像頭獲取清晰度高的照片，將框架改進(jìn)為封閉式框架?？蚣軆?nèi)部事先注滿清水?？蚣芡瑫r(shí)加裝輔助推進(jìn)裝置，使框架外壁能緊貼被檢物表面。這樣使攝像機(jī)可在較為透明的環(huán)境中工作，從而可以獲取清晰度高的圖像。

（2）工作穩(wěn)定性不佳的改進(jìn)。在原裝置的基礎(chǔ)上，在裝置側(cè)壁安裝有多個(gè)推進(jìn)裝置。形成帶推進(jìn)裝置的新型封閉框架。由水下攝像機(jī)裝載框架、框架扶桿等構(gòu)成。框架扶桿為空心桿件，水下攝像機(jī)的電源線等通過(guò)扶桿內(nèi)的空腔延展到操作平臺(tái)。

使用時(shí)，將待檢測(cè)的水中結(jié)構(gòu)物表面分成若干豎向檢測(cè)條帶。條帶寬度稍小于攝像機(jī)的攝像視場(chǎng)寬度。沿檢測(cè)條帶中心線位置下方框架。

作業(yè)時(shí)，操作人員手握扶桿，根據(jù)扶桿受水流沖擊的變形，調(diào)節(jié)不同推進(jìn)裝置的推進(jìn)方向和功率，使扶桿基本保持豎直狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，徐徐下方扶桿，即可帶動(dòng)框架下沉，并進(jìn)行檢測(cè)條帶內(nèi)的攝錄。

圖2為該裝置在贛江南昌段水中結(jié)構(gòu)物檢測(cè)的圖像?？梢?jiàn)，采用上述裝置拍攝的照片清晰，水中結(jié)構(gòu)物表觀情況層次分明，說(shuō)明該裝置在水中穩(wěn)定性較好。贛江是我國(guó)內(nèi)陸較大的河流，其水流流速等在我國(guó)內(nèi)陸河流具有一定代表性，因此該裝置可在我國(guó)多數(shù)河流中使用。

7.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章結(jié)合橋梁水中結(jié)構(gòu)物的特點(diǎn)，介紹了可用的攝像檢測(cè)方法并進(jìn)行了適宜性分析，結(jié)合工程現(xiàn)狀，改進(jìn)了現(xiàn)有檢測(cè)裝置，提高其工作性能，可為工程實(shí)際應(yīng)用提供參考。

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