前言
橋梁是一種用來跨越河谷溝塹的建筑物，是一個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的樞紐。自2008年汶川地震以后，全國各地加強(qiáng)了橋梁檢測的力度，在橋梁檢測中，對(duì)于橋梁裂縫的檢查顯得尤為的重要和突出。傳統(tǒng)檢測過程中，依靠檢測工程師直接到橋面下方觀察來獲取實(shí)際的檢測資料，這樣的檢測一方面比較耗時(shí)費(fèi)力，另外一方面在高墩大跨的橋梁中檢測人員的安全也是一個(gè)重點(diǎn)。因此，研究出一種對(duì)橋梁病害的無損無接觸檢i貝0技術(shù)的研究具有重要的意義。目前，國內(nèi)對(duì)橋梁裂縫的快速檢測技術(shù)的研究尚處于初始階段，但是已經(jīng)有大量的學(xué)者研究過工業(yè)生產(chǎn)過程中的病害的快速檢測工作，其中效果最好最為直接的為圖像處理法。因此在工業(yè)檢測的基礎(chǔ)上，針對(duì)橋梁底部的裂縫病害，提出了一種基于圖像處理技術(shù)的橋梁裂縫檢測方法，具有良好的使用前景。
1、圖像處理技術(shù)介紹
圖像處理（image processing）是指用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、掃描儀等設(shè)備經(jīng)過采樣、數(shù)字化得到關(guān)于外部病害信息的一個(gè)二維數(shù)組。該數(shù)組的元素稱為像素，其值為一整數(shù)，稱為灰度值。圖像處理技術(shù)的主要內(nèi)容包括圖像壓縮、增強(qiáng)和復(fù)原、匹配及描述和識(shí)別等部分。常見的處理過程有圖像編碼、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像分割和圖像分析等。
2、檢測系統(tǒng)組成
2．1 基本組成（圖1）
由于橋梁檢測是一個(gè)流動(dòng)作業(yè)的過程，在設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)的時(shí)候需要考慮到檢測的移動(dòng)的便利性，在進(jìn)行裝備設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)⑵湓O(shè)置成一個(gè)獨(dú)立的機(jī)構(gòu)，通過數(shù)據(jù)接口和電腦相連。
2．2 主要部件介紹
CCD相機(jī)用來獲取外部被測構(gòu)件表面信息，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，用來采集信號(hào)用的關(guān)鍵。CCD攝像機(jī)最前端都是由一個(gè)光學(xué)鏡頭使外界的景物成像在CCD光敏面上。CCD光學(xué)鏡頭種類繁多，具體選擇的時(shí)候要考慮到相機(jī)的焦距、CCD面積、焦距、景深、光圈等參數(shù)。并且CCD相機(jī)的鏡頭為可控制變焦鏡頭。
圖像采集卡將CCD相機(jī)獲取的圖形圖像信息數(shù)字化，并將其存儲(chǔ)和播放出來的硬件設(shè)備。通過該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)將相機(jī)獲取的圖像數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的過程，得到數(shù)字圖像。
距離傳感器 主要用來量測被測構(gòu)件距離CCD相機(jī)的距離。所得參數(shù)供后期計(jì)算裂縫寬度和長度時(shí)使用。距離傳感器發(fā)射和接受口需要和CCD置于同一截面上。
陣列光源 當(dāng)被測構(gòu)件因?yàn)榄h(huán)境光線不足，造成拍攝效果不佳的時(shí)候，供人工補(bǔ)光時(shí)候使用。編碼器發(fā)布光源調(diào)整、鏡頭控制命令的控制器。并負(fù)責(zé)光源、圖像采集卡與電腦間的數(shù)據(jù)傳遞工作。
2．3 工作原理
通過變焦鏡頭將遠(yuǎn)處被檢測構(gòu)件拉近成像于CCD相機(jī)中，當(dāng)相機(jī)獲取構(gòu)件圖像后傳送給圖像采集卡；取景過程中，同時(shí)測量被測構(gòu)件與相機(jī)之間的
距離，并傳遞給編碼器；編碼器獲取到由圖像采集卡轉(zhuǎn)換的數(shù)字圖像和距離信息后，將文件存儲(chǔ)到電腦磁盤中。如果環(huán)境燈光不足，在取景檢測過程中，通過編碼器控制調(diào)整陣列光源亮度，使得病害能夠從環(huán)境中顯現(xiàn)出來。
當(dāng)計(jì)算機(jī)獲取圖像和距離文件后，便開始對(duì)圖像進(jìn)行分析處理，最終得到結(jié)構(gòu)的裂縫信息。其中圖像處理是該檢測方法的一個(gè)主要過程，也是決定檢測結(jié)果優(yōu)劣的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，這個(gè)過程包括：圖像銳化、圖像平滑、噪音去除、尺寸標(biāo)定、裂縫測量等過程。
3、主要算法
通過CCD相機(jī)和采集卡，可以便捷的獲取含有橋梁和裂縫信息的數(shù)字圖像。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，數(shù)字圖像用一個(gè)二維數(shù)組f（x，y）來表示，其中x，y表示圖像中的一個(gè)坐標(biāo)位置，函數(shù)f．則代表圖像在點(diǎn)（x，y）位置處的某種性質(zhì)的數(shù)值。在實(shí)際使用的過程中，圖像往往被表述成一個(gè)M×N的矩陣：
當(dāng)離散化的數(shù)字圖像被傳遞到電腦上之后，就開始圖像處理的工作。因?yàn)閳D像處理的目標(biāo)對(duì)象是處于橋梁本體上的裂縫，考慮外部干擾（環(huán)境、光線、氣候、電磁干擾）因素主要有如下幾個(gè)方面：
1）橋梁本體混凝土材料的不均勻，所采集得到的圖像色彩有較大的變化，導(dǎo)致裂縫在圖像上顯示為顏色的不均勻。
2）光線過強(qiáng)或者不足、混凝土表面存有黑色染色物，使裂縫與周圍環(huán)境相近，界限區(qū)分不明顯。
3）對(duì)于整體圖片而言，裂縫信息和橋梁本體信息的比例很小。如果直接分析，將會(huì)耗費(fèi)較多的處理速度和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空問。因此，需要對(duì)采集的圖像進(jìn)行截取。
4）由于CCD元件或者環(huán)境的關(guān)系，采集得到的圖像存有灰度不均勻的問題。
鑒于以上的影響因素，在設(shè)計(jì)后續(xù)處理過程的時(shí)候，主要從以下幾個(gè)方面人手：圖像灰度化、圖像去噪及圖像平滑、圖像銳化、邊緣檢測、尺寸標(biāo)定和裂縫測量。
3．1 圖像灰度化
眾所周知，自然界的一切色彩的構(gòu)成都基于紅綠藍(lán)三種顏色，在所得到的函數(shù)．廠中也一樣包含著這三元色的信息，考慮到在圖像處理中的主要目標(biāo)
還是裂縫，因此在辨識(shí)完裂縫后即開始對(duì)圖像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換公式如下：
該公式來自國際標(biāo)準(zhǔn)Rec．ITU—R BT．709。
由于拍攝過程中，外部環(huán)境的不同，通過變換得到的灰度圖中可能含有部分無效圖像或者無效灰度區(qū)域。因此要將得到的灰度圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚瑢?br />
無效信息屏蔽，并使裂縫和邊界處灰度區(qū)分更加明顯。具體調(diào)整函數(shù)如下：
其中a，o、b、L為圖片中的真實(shí)灰度值；a、b、y為變換系數(shù)，具體數(shù)值要根據(jù)實(shí)際圖像品質(zhì)來確定。使用過程中?。?br />
3．2 圖像增強(qiáng)
通過對(duì)灰度變換后的圖像和原始圖片對(duì)比，發(fā)現(xiàn)灰度圖中存有一些細(xì)小的像素噪點(diǎn)和周圍環(huán)境顏色不協(xié)調(diào)，除此之外，圖形中還有多種形式的噪音。
這些噪音的存在會(huì)干擾到測量的結(jié)果和精度，因此需要對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理，并使其變得和周圍環(huán)境相一致。這些在程序設(shè)計(jì)過程中去除噪音、使得圖像平滑，并將裂縫信息顯現(xiàn)出來的整個(gè)過程在算法上而言可以是同步的，都是屬于圖像增強(qiáng)的范疇。
對(duì)于圖像增強(qiáng)而言，無論是平滑還是銳化都是對(duì)于圖像在空域或頻域上對(duì)圖像矩陣進(jìn)行數(shù)學(xué)變換。考慮是針對(duì)裂縫信息進(jìn)行的圖像增強(qiáng)，因此選
用空域算法?？沼?yàn)V波就是在圖像空間通過領(lǐng)域操作來完成的，實(shí)際中實(shí)現(xiàn)的方式基本都是利用模版進(jìn)行卷積來進(jìn)行，具體表達(dá)如下所示：
其中，Ⅳ為模版函數(shù)。
1）二維中值濾波
在計(jì)算機(jī)圖像處理中用來進(jìn)行圖像平滑的算法有很多種，較為常見有均值、中值和最頻值。通過對(duì)圖像的比較，發(fā)現(xiàn)中值算法對(duì)裂縫處理能處理圖像細(xì)節(jié)模糊，并且可以濾除脈沖干擾和圖像掃描噪聲，并且實(shí)際運(yùn)算過程中不需要圖像的統(tǒng)計(jì)特征。因此，在設(shè)計(jì)過程中采用中值濾波算法。中值濾波是百分比濾波的一個(gè)特例，它是一種圍繞數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)進(jìn)行的非線性濾波器，設(shè)計(jì)模版尺寸為3×3的中值濾波器，并輸出大于等于
2個(gè)像素的值，其輸出可以寫為：
2）圖像銳化
領(lǐng)域評(píng)分或者加權(quán)平均可以用來平滑圖像，反過來利用對(duì)應(yīng)微分的方法可以銳化圖像。其中，拉普拉斯算子是一種性能優(yōu)良的銳化算子。具體應(yīng)用
表現(xiàn)為如下：
不管是對(duì)圖像的銳化或者圖像平滑，都不可能一次性達(dá)到所需要的程度。因此，在實(shí)際使用的過程中需要將圖像增強(qiáng)算法反復(fù)使用，并且在使用過
程中還要根據(jù)實(shí)際需要對(duì)圖像對(duì)比度進(jìn)行調(diào)整，以獲取最佳效果。
3．3 圖像閾值化
取閾值是最常見的直接檢測區(qū)域的分割方法，借助于圖像閾值化可以將病害信息直接的從圖像中凸顯出來，并且沒有其他的多余信息的干擾。在閾
值化過程中，采用最優(yōu)閾值的算法來確定其閾值，其函數(shù)表達(dá)式為：
式中u1、u2：——背景和目標(biāo)區(qū)域的平均灰度值；P1 、P 2—— 背景和目標(biāo)區(qū)域灰度值的先驗(yàn)概率。
若裂縫特征不明顯的話，直接采用閾值化分割圖像的話效果不佳（圖2（b）），從圖中可以看出圖中噪聲很大。因此在閾值化之前需要對(duì)圖像進(jìn)行灰度線性變換，變換后采用閾值化算法對(duì)圖像裂縫特征進(jìn)行處理，其效果如圖2（c）所示。
3．4 基于亞像素的邊緣檢測
由于實(shí)際檢測對(duì)測量結(jié)果有一定的精度要求，因此需要選擇一種合適的算法來測量圖片中的具體尺寸。通過對(duì)比 發(fā)現(xiàn)，基于亞像素的尺寸量測法
比較適合本設(shè)計(jì)的要求，并且精度也能夠達(dá)到要求。其函數(shù)表示為：
其中，s（x）為原始輸人函數(shù)。
3．5 裂縫方向判斷
在橋梁檢測過程中，裂縫的走向?qū)τ谂袛鄻蛄旱膶?shí)際承載能力有重要影響。因此在對(duì)裂縫信息的處理過程中，要能讀取出裂縫的走向（即順橋向或橫橋向）。
通過對(duì)比裂縫，發(fā)現(xiàn)裂縫橫向長度和縱向長度差別較大。因此，在計(jì)算時(shí)將裂縫圖像在橫、縱坐標(biāo)軸上的投影值進(jìn)行比較即刻得到裂縫的走向。
3．6 裂縫測量
通過圖像閾值化得到二值化的裂縫圖像信息后就是對(duì)裂縫的測量以及讀數(shù)的過程了，由于目前的圖像是經(jīng)由相機(jī)測得的實(shí)物圖像，其中相機(jī)焦距為
F、物距D、像距 ，可由幾何光學(xué)變換公式得到之間的關(guān)系：
通過幾何光學(xué)的性質(zhì)我們知道，物體大小L和成像大小L1之間的關(guān)系：
通過上述關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)通過對(duì)圖片的測量來得出實(shí)際裂縫信息的獲取這個(gè)過程。
以上是對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中圖像處理程序關(guān)鍵部位算法的介紹。當(dāng)然裂縫測量的工作，借助于單一的算法是不能夠一次性到位的，在實(shí)際測量過程中需要對(duì)多種算法綜合運(yùn)用，在得出滿意的效果之后再進(jìn)行裂縫量測工作。
4、實(shí)例演示
通過對(duì)以上多種算法的融合設(shè)計(jì)了橋梁結(jié)構(gòu)裂紋缺陷的圖像采集與分析系統(tǒng)，圖3是利用該系統(tǒng)對(duì)裂縫量測過程中的圖像處理過程：（a）為灰度化后得到的圖形中含有裂縫部分的局部圖；（b）是平滑增強(qiáng)效果后的圖形；（c）是銳化后的效果圖；（d）是經(jīng)過閾值處理過后得到的二值圖。從表1中的眾多結(jié)果對(duì)比GB5024-2002~混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中“試驗(yàn)中裂縫寬度可采用精度為0．05 mm的刻度放大鏡等儀器進(jìn)行觀測”這一條款可以知道，通過圖像法測得的結(jié)果已經(jīng)完全能夠滿足工程實(shí)際的需要。寬度測量示意見圖4。
5、結(jié)論
本文主要闡述了基于圖像處理手段而開發(fā)出來的橋梁裂縫檢測設(shè)備的系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)的思路。對(duì)系統(tǒng)構(gòu)件進(jìn)行了介紹，并研究了圖像分析軟件中的關(guān)鍵算法?；趫D像處理技術(shù)的檢測技術(shù)是近年來逐步在工業(yè)中得到應(yīng)用的一項(xiàng)新型的檢測技術(shù)，它有著精度高、速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn)，將其運(yùn)用到橋梁檢測中來，一方面可以使橋梁檢查工作得到先進(jìn)技術(shù)的輔助，減輕檢查人員在檢查過程中的工作強(qiáng)度，并大大降低工作中的危險(xiǎn)程度；另外一方面可以使原本繁雜的量測工作交給計(jì)算機(jī)來進(jìn)行分析和量測，從而降低檢查過程中的人工費(fèi)用，節(jié)省成本。鑒于該系統(tǒng)的無損無接觸的檢測工作原理，可以想象，該系統(tǒng)在橋梁檢測領(lǐng)域一定有著良好的發(fā)展空間。
