路面裂縫檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

韓美林 武 立 程峻杰 邵 蓉

（1.商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院 商洛 726000）（2.商洛市體育運(yùn)動(dòng)中心 商洛 726000）

1 引言

目前，由于我國(guó)對(duì)路面損害問(wèn)題的研究較少，導(dǎo)致檢測(cè)路面裝備也相對(duì)缺乏，人工檢測(cè)需要國(guó)家路面管理部門(mén)配置相應(yīng)程度的設(shè)備、人力等資源來(lái)實(shí)現(xiàn)定期的安全巡視和檢查。但是，人工檢測(cè)具有檢測(cè)效率低、檢測(cè)人員安全問(wèn)題以及無(wú)法保證檢測(cè)精度等缺點(diǎn)，不能滿足公路路面損害的快速檢測(cè)需求。但隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的不斷發(fā)展，使其技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。因此，為了減少人力物力的損失，提高準(zhǔn)確率，進(jìn)行安全的道路狀態(tài)監(jiān)控服務(wù)，運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以成功改善傳統(tǒng)人工檢測(cè)的問(wèn)題，使路面裂縫得到快速精準(zhǔn)的檢測(cè)識(shí)別[2]。

2 路面裂縫檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)概述

2.1 路面裂縫檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)分析

該路面裂縫檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先利用軟件先對(duì)裂縫圖像進(jìn)行讀取，然后編寫(xiě)程序處理圖像，即需對(duì)圖像的信息進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算[3]，最后把結(jié)果輸出到一個(gè)設(shè)計(jì)的GUI界面上，通過(guò)功能鍵將各個(gè)過(guò)程處理結(jié)果演示出來(lái)。因此路面裂縫圖像如何被軟件識(shí)別處理，關(guān)鍵在于程序編寫(xiě)的正確性、完整性。

2.2 路面裂縫檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

路面裂縫檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：對(duì)原始采集的彩色路面裂縫圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理、圖像分割（圖像二值化）、目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別、圖像特征提取保存四個(gè)方面的研究[4]。設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

圖1 路面裂縫檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

3 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理預(yù)處理是減少圖像中無(wú)用的信息，增加可用信息的可檢測(cè)性，并對(duì)圖像進(jìn)行一系列的數(shù)學(xué)運(yùn)算處理，將所需特征提取出來(lái)，使圖像質(zhì)量得到很大的提高[5]。

3.1 直方圖均衡化

路面裂縫圖像的采集一般在室外進(jìn)行，容易受到大氣、光照、機(jī)械振動(dòng)等因素的影響，采集到的裂縫圖像可能存在整體偏暗或偏亮等問(wèn)題，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)比度較低的圖像。基于直方圖的灰度變換，可調(diào)整圖像的灰度，均勻的映射到整個(gè)灰度區(qū)間，增大圖像的灰度涉及范圍，即可突出細(xì)節(jié)[6]。

3.2 中值濾波

裂縫圖像在采集或者傳輸?shù)倪^(guò)程中往往會(huì)受到成像設(shè)備與傳輸介質(zhì)等因素的干擾而產(chǎn)生噪聲，因此，待處理裂縫圖像可能具有邊緣模糊、黑白雜點(diǎn)等問(wèn)題，中值濾波后可以消除原圖像中大部分的顆粒噪聲，提高圖像背景的平滑度，與此同時(shí)，還保留了裂縫的邊緣細(xì)節(jié)等信息，更加清晰地突出了裂縫的特征[7]。

3.3 對(duì)比度增強(qiáng)

在采集圖像的過(guò)程中，往往會(huì)由于天氣干擾、曝光不足等原因而造成圖像整體偏暗，使得裂縫區(qū)域與背景區(qū)域亮度特征相近而不易辨別。因此要增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，使得裂縫圖像的細(xì)節(jié)特征更為突出[8]。

3.4 閾值分割

在裂縫目標(biāo)的檢測(cè)與識(shí)別過(guò)程中，雖然裂縫目標(biāo)或背景區(qū)域的像素灰度大多是高度相關(guān)的，但目標(biāo)裂縫與背景區(qū)域之間的灰度值則總是存在一些差異。因此需要通過(guò)對(duì)其進(jìn)行灰度閾值分割來(lái)選取適合的閾值，來(lái)實(shí)現(xiàn)最大程度上分割裂縫目標(biāo)與背景[9]。

3.5 二值圖像濾波

對(duì)圖像應(yīng)用閾值迭代法進(jìn)行分割后，得到裂縫的二值圖像，但二值圖像還存在著大量的噪點(diǎn)。因此要想正確地對(duì)路面裂縫圖像進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，就要消除這些噪點(diǎn)的影響。過(guò)程的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)對(duì)二值圖像的面積矩陣進(jìn)行排序，以位置索引的方式消除噪點(diǎn)[10]。

4 路面裂縫圖像的檢測(cè)識(shí)別

路面裂縫通過(guò)預(yù)處理得到了清晰的二值圖像，接著為了得到目標(biāo)并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別，可以利用形態(tài)學(xué)區(qū)域特征原理進(jìn)行操作。

4.1 路面裂縫圖像的檢測(cè)

4.1.1 裂縫識(shí)別判斷

為了提取更明顯的圖像信息，在進(jìn)行圖像二值化和二值化濾波后，為免依然存在噪點(diǎn)目標(biāo)塊影響圖像判斷，在對(duì)裂縫進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別時(shí)，可以通過(guò)數(shù)字形態(tài)學(xué)區(qū)域得到目標(biāo)。

4.1.2 裂縫拼接

對(duì)于經(jīng)過(guò)預(yù)處理和形態(tài)學(xué)區(qū)域處理的裂縫圖像，由于噪點(diǎn)的影響，導(dǎo)致處理錯(cuò)誤，有裂縫斷裂的現(xiàn)象出現(xiàn)。因此要對(duì)有斷裂的區(qū)域進(jìn)行虛假連接，而裂縫塊就是通過(guò)對(duì)二值圖像進(jìn)行8鄰域連通得到的。

首先以8連通方式得到的目標(biāo)塊視為裂縫的目標(biāo)對(duì)象，接著就需要從二值圖像的左上角開(kāi)始，以從左到右的順序開(kāi)始查詢，在查詢的過(guò)程中首先找到的裂縫塊即1就可以作為起始目標(biāo)。然后將這兩個(gè)裂縫塊之間的距離進(jìn)行置1處理，使其裂縫塊與裂縫塊之間連通，最終實(shí)現(xiàn)斷裂的裂縫的連接[11]。

4.1.3 裂縫投影

裂縫目標(biāo)經(jīng)過(guò)檢測(cè)定位后，為了能準(zhǔn)確地獲取裂縫的區(qū)域信息，采取積分投影定位裂縫的具體區(qū)域和參數(shù)信息[12]。

4.2 路面裂縫圖像的識(shí)別

4.2.1 裂縫類(lèi)型判斷

裂縫目標(biāo)圖像二值化及濾波去噪后可以突出裂縫目標(biāo)，根據(jù)裂縫的“線裝”特點(diǎn)，為了判斷裂縫的方向，獲取裂縫的特征，路面裂縫的識(shí)別通常通過(guò)計(jì)算二值圖像中目標(biāo)的外接矩形的長(zhǎng)寬比來(lái)確定裂縫的種類(lèi)，若比值大于1，屬于橫向裂縫，反之屬于縱向裂縫[13]。

4.2.2 裂縫參數(shù)保存

在處理過(guò)程中，為了便于觀察和分析，將裂縫特征參數(shù)以xls表格的方式來(lái)保存。裂縫保存到文件的界面圖像如表1所示。

表1 裂縫參數(shù)保存到文件的界面圖

裂縫的參數(shù)信息如表2所示。

表2 裂縫參數(shù)信息

5 結(jié)果分析

本文利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)結(jié)合路面裂縫的特征，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)路面裂縫的檢測(cè)與識(shí)別。為了本系統(tǒng)的可行性，采集了800張的裂縫圖像樣本，分為8組，每組100張圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 路面裂縫檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)果

從表3可以看出，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)時(shí)間為52s，單幅路面裂縫檢測(cè)識(shí)別時(shí)間為52/800=0.065s，因此該程序的檢測(cè)識(shí)別速度較快。由表統(tǒng)計(jì)，檢測(cè)結(jié)果的誤判數(shù)為24，檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確率（800-24）/800×100%=97.0%。

圖2 各類(lèi)型裂縫圖像的檢測(cè)識(shí)別效果圖

以一些不同類(lèi)型的裂縫圖像為例，進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別，得到的效果圖如圖2所示。

圖3 軟件界面設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了能清晰地演示各處理步驟的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在Matlab中設(shè)計(jì)了GUI界面，用來(lái)提高程序使用的簡(jiǎn)易性。軟件設(shè)計(jì)界面如圖3所示，右側(cè)控制面板可以逐步調(diào)取主算法流程的分步處理結(jié)果，左側(cè)顯示區(qū)域可以顯示圖像處理、投影曲線等結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確的檢測(cè)識(shí)別路面裂縫圖像，檢測(cè)速度較快且準(zhǔn)確率達(dá)到了97.0%。

6 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)路面裂縫圖像進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理、特征提取、判斷裂縫類(lèi)型、標(biāo)記路面裂縫的位置、利用xls表格保存裂縫參數(shù)信息的操作。然后利用Matlab設(shè)計(jì)出GUI界面來(lái)集成各個(gè)關(guān)鍵步驟，顯示所得到的試驗(yàn)結(jié)果。最后的仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于Matlab路面裂縫檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)是高效可行的。