橋梁紅外無損檢測主觀評價(jià)指標(biāo)探析

■許瀚文

（新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院， 烏魯木齊 830002）

在橋梁無損檢測的探究中，諸多學(xué)者一直致力于研究如何評價(jià)橋梁檢測的圖像處理效果的好壞，但對于橋梁檢測圖像質(zhì)量的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一。 傳統(tǒng)方法一般分為主觀評價(jià)方法和客觀評價(jià)方法，其主觀評價(jià)方法就是檢測者根據(jù)圖像提取的橋梁鋼構(gòu)件損傷部位信息結(jié)合事先規(guī)定的評價(jià)尺度或者自己的經(jīng)驗(yàn)，對橋梁測試圖像按視覺效果做出質(zhì)量判斷，給出橋梁損傷程度等級[1]。 這種方法雖然很好地利用了檢測者的經(jīng)驗(yàn)，但是無法用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型對橋梁直觀損傷程度進(jìn)行描述， 不易定量檢測，不利于信息化處理，而且評價(jià)的結(jié)果受檢測者的知識背景、情緒以及疲勞程度等因素的影響，因此在橋梁檢測的應(yīng)用中受到了嚴(yán)重的限制。 相比之下，客觀評價(jià)方法的優(yōu)勢在于可以根據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型對試驗(yàn)圖像進(jìn)行定量的計(jì)算和測量， 如對比度、均方根誤差、峰值信噪比等，以獲得更加準(zhǔn)確的評價(jià)結(jié)果[2-5]。

但隨著國家對橋梁檢測技術(shù)的不斷規(guī)范化、嚴(yán)格化，目前以客觀評價(jià)為主的檢測報(bào)告已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足現(xiàn)有工程檢測的需求，迫切需要將主觀評價(jià)進(jìn)行信息化處理。 近年來許多學(xué)習(xí)者也發(fā)現(xiàn)了主觀評價(jià)的重要性，劉麗[6]對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量分析，采用線性模糊性指數(shù)量度、清晰度和標(biāo)準(zhǔn)差來定量分析算法的增強(qiáng)性能， 但個(gè)別評價(jià)結(jié)果數(shù)值較為接近，無法準(zhǔn)確判斷處理效果的好壞。 因此本文針對橋梁無損檢測的紅外圖像處理結(jié)果評價(jià)體系進(jìn)行研究對比，提出了主觀評價(jià)輔助指標(biāo)，一方面打破現(xiàn)有橋梁檢測對客觀評價(jià)的高度依賴性，同時(shí)對主觀評價(jià)進(jìn)行圖像信息可視化，進(jìn)一步完善橋梁無損檢測評價(jià)體系。

1 橋梁損傷部位紅外熱波圖像處理技術(shù)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及環(huán)境

本文采用帶圓孔橋梁鋼腹板為實(shí)驗(yàn)對象，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，鋼腹板構(gòu)件長度為0.3 m，寬度為0.05 m，厚度為0.002 m，中部圓孔半徑為0.006 m，該試件的材料參數(shù)分別為導(dǎo)熱系數(shù)k=36.7 W/（m·K），比熱容c=470 J/（kg·K），密度ρ=7790 kg/m3，構(gòu)件底端固定，上端以5 Hz 頻率為施加幅值為-1×108～1×108N/m2的周期荷載， 實(shí)驗(yàn)室溫27℃， 空氣濕度51%RH。

圖1 試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)圖像獲取

圖2 為荷載作用下橋梁帶孔鋼腹板的紅外熱波序列圖像，與可見光圖像相比，荷載作用下的紅外圖像信噪比低，分辨率低，對比度低的問題更為突出。 為了能夠更為直接地對圖像進(jìn)行后期處理，選取荷載作用t=180 s 時(shí)的圖像作為研究對象。

圖2 紅外熱波序列圖像

運(yùn)用傳統(tǒng)圖像處理方法，利用灰度變化將紅外熱波圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，采用高通濾波增強(qiáng)圖像邊緣信息，以起到圖像銳化作用；隨后利用中值濾波去除圖像中的隨機(jī)噪聲和椒鹽噪聲[7]；再用傳統(tǒng)閾值分割對增強(qiáng)后的圖像進(jìn)行分割處理，有效分離出目標(biāo)和背景以達(dá)到目標(biāo)識別的目的，處理效果圖像如圖3 所示。

2 橋梁無損檢測評價(jià)體系

2.1 主觀評價(jià)

原有橋梁主觀評價(jià)方法主要根據(jù)檢測者事先規(guī)定的評價(jià)尺度或者自身經(jīng)驗(yàn)，對測試圖像按視覺效果做出質(zhì)量判斷，給出評價(jià)分?jǐn)?shù)[8]。 該方法雖然可以較好地反映圖像的直觀質(zhì)量，但因?yàn)闃蛄涸S多鋼制構(gòu)件比較隱蔽，導(dǎo)致很多橋梁損傷圖像處理效果不夠明顯， 使得檢測者無法利用視覺清晰分辨，檢測結(jié)果不夠準(zhǔn)確、全面；且知識背景、情緒、疲勞程度等外界因素也對檢測者有相應(yīng)的影響。 因此提出利用三維空間數(shù)據(jù)重建，即三維體繪制法作為主觀評價(jià)的測定指標(biāo)之一，其顯示效果好，重建質(zhì)量高，可以并行處理，打破了原有橋梁主觀評價(jià)的諸多局限。 具體步驟如下：

（1）三維體數(shù)據(jù)生成：三維體數(shù)據(jù)是以矩陣的行和列構(gòu)成三維體數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)、像素值為三維體數(shù)據(jù)的縱坐標(biāo)構(gòu)成。 圖像大小視原始圖像大小決定， 本研究的缺陷材料試件探傷圖像大小為424×424 像素。

（2）三維體數(shù)據(jù)處理：紅外熱波圖像的數(shù)據(jù)量較大，采用體繪制時(shí)會有一定的限制，因此需要對紅外熱波圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和處理。 在不影響數(shù)據(jù)處理效果的前提下， 采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)抽取比例，本文選取抽取比例為0.2。

（3）體數(shù)據(jù)三維顯示：顯示結(jié)果分別以x、y、z 三個(gè)坐標(biāo)軸表示，其中縱坐標(biāo)表示像素值，即亮度值。

2.2 客觀評價(jià)

為了進(jìn)一步提高圖像評價(jià)的準(zhǔn)確性，結(jié)合熵和空間頻率作為客觀評價(jià)指標(biāo)來評價(jià)圖像細(xì)節(jié)處理效果。

（1）熵（Entropy）

熵即變量的不確定性越大，其值越大，也就代表信息量越大，圖像的細(xì)節(jié)也就越豐富[9-10]。 其函數(shù)定義為：

式中，E(x,y)是圖像中某個(gè)像素點(diǎn)處對應(yīng)灰度值在整個(gè)圖像中出現(xiàn)的頻率；log2Ei(x,y)為求出該點(diǎn)對應(yīng)灰度值頻率的對數(shù)。

（2）空間頻率（Spatial Frequency，SF）

空間頻率可以表征圖像的清晰程度，是衡量圖像細(xì)節(jié)信息豐富程度的一個(gè)重要指標(biāo)[11-12]。 熱波圖像的空間頻率越高，其細(xì)節(jié)成分越豐富，缺陷區(qū)也越清晰，其函數(shù)定義為：

式中， RF 為行空間頻率；CF 為列空間頻率，其表達(dá)式為：

式中，F(xiàn)(m,n)表示圖像中坐標(biāo)為(m,n)點(diǎn)的灰度值，M、N 為矩陣。

3 研究分析

利用t=180 s 的橋梁紅外熱波序列圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)、分割、識別等一系列算法操作，并對每個(gè)算法操作結(jié)果進(jìn)行了三維體繪制重建和客觀評價(jià)。

通過對t=180 s 時(shí)的橋梁缺陷圖像進(jìn)行三維體繪制重構(gòu)，效果圖如圖4 所示，可以清楚地看到橋梁缺陷部位的立體空間構(gòu)造，圖4（a）為橋梁紅外熱波探傷圖像的原始三維圖像，可以看見缺陷周圍布滿了噪聲，受噪聲影響較大。 為方便后續(xù)圖像處理，將紅外熱波序列圖像經(jīng)過灰度變換轉(zhuǎn)換為灰度圖像，其三維體繪制圖像如圖4（b）所示。 圖4（c）顯示表明，經(jīng)過高通濾波增強(qiáng)處理之后，缺陷的邊緣信息有明顯增強(qiáng)，缺陷部位輪廓較為清晰。 圖4（d）顯示表明，經(jīng)過中值濾波處理后，缺陷周圍噪聲得到有效抑制。 圖4（e）為采用閾值分割法對圖4（d）進(jìn)行分割后，能較好地保持橋梁鋼構(gòu)件缺陷形狀以及去除缺陷以外的噪聲和背景，如圖4（f）所示。

圖4 三維體繪制重構(gòu)圖像

為進(jìn)一步對圖像進(jìn)行定量化及信息化評價(jià)，利用熵和空間頻率對處理后的紅外熱波圖像進(jìn)行客觀評價(jià)，其定量化結(jié)果如表1 所示。

表1 橋梁無損檢測客觀評價(jià)指標(biāo)

從表中數(shù)據(jù)可以看出，相比于原始圖像，經(jīng)高通濾波和中值濾波處理后熵值和空間頻率都有大幅提升， 即處理后的圖像細(xì)節(jié)信息進(jìn)一步豐富，圖像所含信息量也越來越多，表明橋梁鋼構(gòu)件缺陷區(qū)域越來越清晰。

從重構(gòu)圖像中可以清晰地觀察到每一步圖像處理后的效果，可以對測試圖像按三維呈現(xiàn)的視覺效果做出質(zhì)量判斷，同時(shí)利用熵和空間頻率對圖像定量化分析，可以看出主觀評價(jià)的三維體繪制重構(gòu)其信息化的視覺效果與圖像客觀評價(jià)所得定量化結(jié)論吻合。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有橋梁紅外圖像處理結(jié)果評價(jià)指標(biāo)在橋梁檢測中存在的局限性，尤其是在主觀評價(jià)體系中對檢測者的高度依賴性和低信息化處理，提出利用三維體繪制重構(gòu)作為主觀評價(jià)輔助指標(biāo)，并利用熵值及空間頻率作為定量化信息驗(yàn)證。 利用圖像增強(qiáng)、分割、識別技術(shù)對紅外熱波圖像序列進(jìn)行處理，而后利用程序語言從處理后的圖像中提取出重建所需的空間數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)一步對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行精煉和刪減，最大程度地保留原有信息，減少有用信息丟失。 體繪制重建一方面達(dá)到更好地圖像顯示效果，將環(huán)境影響因素立體化，另一方面降低軟件運(yùn)行時(shí)長，實(shí)現(xiàn)圖像并行處理，提高處理效率。 為降低檢測者對三維體繪制結(jié)果的視覺限制，進(jìn)一步結(jié)合了客觀評價(jià)指標(biāo)熵值和空間頻率，對橋梁鋼構(gòu)件紅外熱波圖像進(jìn)行定量化評價(jià)， 根據(jù)評價(jià)結(jié)果顯示，定量化評價(jià)結(jié)果同主觀評價(jià)結(jié)果吻合，該主觀評價(jià)輔助指標(biāo)具有更好的立體性、定量化、高效性、準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)現(xiàn)有橋梁檢測方面的單一性，具有較高的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。