結構表面裂縫寬度的數字光測法研究

張平平 孫 強 張劉松 劉雯雯

(鄭州大學 力學與工程科學學院，河南 鄭州 450001)

結構表面裂縫不僅會影響結構外觀，也可能影響其正常使用和耐久性，當裂縫寬度達到一定值時，盡管結構設計之初都有一定的安全儲備，還是會引起使用者的不安心理，隨著裂縫擴展甚至危及生命安全。因此，快速、準確測量裂縫寬度對于結構的安全性評估、鑒定和維護都有著重要的實際意義［1－5］。

從力學的角度來看，裂縫的位置和形態近似反映了結構內拉應力的方向和應力集中點，與產生拉應力的原因之間存在比較確定的相對應關系，這也是我們實驗力學工作者需要認真解決的問題［6］。到目前為止，結構表面裂縫的檢測方法有目測法、聲發射(AE)法、攝影法等［7］。傳統的人工測量表面裂縫寬度的方法，由于其費時費力、主觀性較大、精度較低，將逐漸被新方法替代，其他的檢測方法也逐漸顯示出各自的不足。

隨著計算機的更新換代和數字圖像處理技術的不斷發展，數字光測法作為一種非接觸、全場測量、相對便捷、直觀和精確的方法，已被廣泛應用于物體的變形、三維形貌、微電子機械系統(Micro－electro－mechanical systems)以及材料力學性能等領域的測量［8］，并且在微小裂縫測量方面其相對于傳統人工方法的優勢更加突出。在不破壞內部結構和使用性能的情況下，本文引入數字光測方法進行了結構表面裂縫寬度數字光測法研究，利用計算機圖像處理技術，對采集到的裂縫圖像可以迅速準確地測出其全場各點處裂縫寬度。

1 裂縫圖像采集與處理

1.1 圖像采集

通過光學系統即可完成裂縫圖像的采集。該系統由CCD和含圖像采集卡的計算機組成，由CCD 芯片將光信號轉變成電信號，通過A/D 轉換在計算機上顯示出裂縫的數字圖像，通過對焦、調整光圈和光源，使裂縫圖像達到最清晰、對比度最好的狀態，便于后期數字圖像處理。實驗裝置簡圖如圖1 所示。

圖1 結構表面裂縫圖像采集系統

1.2 圖像處理

1.2.1 圖像預處理

圖像預處理就是解決圖像因為天氣或者拍攝角度等原因造成的圖像模糊、歪斜或缺損的情況。本文圖像預處理的目的是去除噪聲，使圖像能夠更好識別。常用方法有平均模板平滑和中值濾波，二者都是基于圖像是由許多灰度恒定的小塊組成，相鄰像素間存在很高的空間相關性，而噪聲則是統計獨立的。通過對比這兩種濾波方法對裂縫圖處理的結果看出，平均模板算法雖然對邊緣有少量的破壞，但卻對裂縫邊緣起到了銳化作用，有利于以后的裂縫計算。因此，本文采用平均模板平滑裂縫圖像。

1.2.2 確定圖像閾值

圖像二值化將直接影響圖像邊緣點提取的精度，其關鍵點是確定閾值。目前的方法有很多，如實驗法、最小誤差法、直方圖法、改進Roberts 法、梯度法等。文獻［9］介紹了利用手動選取閾值，雖然可以通過不斷觀測和不斷調整來達到裂縫圖像二值化，但是會大大影響測量速度和精度。通過分析比較，本文采用類判別法尋找閾值。

2 裂縫寬度測量

經過了圖像預處理和二值化之后，即可通過自編的VC+ +圖像處理程序求出裂縫全場每一點的寬度。

具體測量步驟:(1)通過搜索找到裂縫的左側邊緣點;(2)利用距離公式求出每一邊緣點到另一邊緣的距離;(3)對于分段圖像可得到每一段的最大寬度、最小寬度及平均寬度等;(4)由origin 應用軟件重繪出邊緣形狀圖及裂縫寬度圖。

圖2 顯示的是從混凝土結構表面采集來的裂縫圖像(a)及其處理過程中的圖像.其中，(b)是SFC 結合法增強后的圖像，(c)是黑色填充結果圖，(d)是白色顯示結果圖，(e)是利用基于灰度差閾值法進行整像素提取的結果。梯度處理是亞像素搜索的前提.處理分析結果如表1 所示，可以看出該軟件用于結構表面裂縫檢測及其后期數據處理的方便性。

圖2 結構表面裂縫圖像處理過程圖

表1 裂縫參數

根據數字圖像處理的邊緣坐標及裂縫寬度結果，可通過origin 軟件重繪出邊緣形狀圖(圖3)、裂縫寬度圖(圖4)。可以看出，裂縫形狀圖與原圖吻合良好。圖4 中顯示了這段裂縫的最大和最小值及其相應位置，將表1 中的裂縫寬度的數據結果與土建領域有關規定相結合，便可以對實際工程進行安全評估。

考慮到光學測試系統的自身因素，為提高測試精度和處理過程準確性，在測量過程中需注意以下幾個方面:

①保證光源穩定和提高鏡頭分辨率，可減少噪聲影響，改善圖像對比度，也就是:使目標和背景的亮度有明顯的差別。

②盡量保證目標處于屏幕中央位置，且呈豎直狀態。一方面可提高計算精度，另一方面可減少圖像四周發生的鏡頭畸變的影響。

3 結論

(1)類判別分析法與數學形態學結合為混凝土表面裂縫的光學測量提供了一種新的處理手段。它可以測量出各點的裂縫寬度，最大裂縫位置及其大小。

(2)缺陷的定量化一直是無損檢測追求的目標.通過實驗表明，該方法相對簡單，易于實現，利用應用軟件使觀察裂縫更加直觀化。

(3)該方法主要適合于單根裂縫的計算。

(4)對工程出現的裂縫可進行分段采集，分段處理，既提高了精度，又給測量帶來了方便，對于不規則裂縫等均有較好的測量精度。

(5)如果進一步提高采集系統和處理過程的自動化、程序化，不僅可以對高處、危險處等人無法靠近的地方進行檢測，從而縮短處理時間，提高現場的工作效率。

［1］姚繼濤，馬永欣，董振平，等.建筑物可靠性鑒定和加固——基本原理和方法［M］.北京:科學出版社，2003.

［2］Kim K S，Kang K S，Kang Y J，Cheong S K.Analysis of an internal crack of pressure pipeline using ESPI and shearography［J］.Optics ＆ Laser Technology，2003，35 (8):639－643.

［3］Vogel H J，Hoffnann H，Roth K.Studies of crack dynamics in clay soil I:Experimental methods，results，and morphological quantification［J］.Geoderma，2005，125:203－ 211.

［4］陸玲，陳國明，戴揚.水下結構物裂縫特征定量分析與測量［J］.計算機測量與控制，2004，(1):10－12.

［5］施樹明，初秀民，王榮本.瀝青路面破損圖像測量方法研究［J］.公路交通科技，2004，(7):12－16.

［6］鐘銘，王海龍.混凝土結構裂縫問題的研究進展［J］.國防交通工程和技術，2003，26－27.

［7］侯寶隆，蔣之峰.混凝土的非破損檢測［M］.北京:地震出版社，1992.

［8］鄒鐵群，侯貴倉，楊峰.基于數字圖像處理的表面裂紋檢測算法［J］.微計算機信息，2004，20(4):80－81.

［9］耿飛，錢春香.圖像分析技術在混凝土收縮裂縫定量測試與評價中的應用研究［J］.東南大學學報(自然科學版)，2003，(6):773－776.