基于圖像處理的橋梁裂縫與干擾物分類算法研究

王聰雅　張杰

摘要：混凝土橋梁裂縫對(duì)橋體安全的影響很大，通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)能夠快速、直觀地了解橋體底面裂縫情況。投影法對(duì)采集的圖像進(jìn)行識(shí)別分類，能較為清晰地區(qū)分裂縫與干擾物，從而很大程度上幫助工作人員快速發(fā)現(xiàn)裂縫信息，及時(shí)保證橋梁安全。文章對(duì)基于圖像處理的橋梁裂縫與干擾物分類算法進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：橋梁裂縫；數(shù)字圖像處理；干擾物；投影法；分類算法 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP391 文章編號(hào)：1009-2374（2016）09-0016-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.007

橋梁作為陸地交通的咽喉，在我國(guó)交通運(yùn)輸中的地位尤為重要，近年來(lái)混凝土技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用于橋梁構(gòu)造上面?；炷磷陨韮?nèi)部會(huì)產(chǎn)生間隙，橋梁荷載及所受到溫度、水分會(huì)催化間隙的產(chǎn)生，從而引發(fā)橋梁出現(xiàn)裂縫。橋梁裂縫對(duì)橋梁的行車安全埋下了隱患，更為嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生橋梁坍塌的事故，嚴(yán)重威脅了陸地運(yùn)輸及行人人身安全，橋梁裂縫的檢測(cè)與防治十分關(guān)鍵。目前，橋梁裂縫檢測(cè)的方法有很多種，但主要依賴于人工檢測(cè)，這種方式需要安排專業(yè)人士親自在橋體底面附近進(jìn)行肉眼檢測(cè)，操作繁瑣，安全性低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。采用儀器進(jìn)行檢測(cè)局限性大且造價(jià)昂貴。圖像識(shí)別技術(shù)是橋梁裂縫檢測(cè)中的新興技術(shù)，操作簡(jiǎn)單，成本較低，直觀方便。圖像識(shí)別技術(shù)主要通過(guò)相機(jī)拍攝橋梁底面照片，通過(guò)圖像處理技術(shù)對(duì)裂縫信息進(jìn)行完善修補(bǔ)，最后完成裂縫識(shí)別與分類。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于橋梁裂縫危害十分嚴(yán)重，各國(guó)對(duì)裂縫檢測(cè)防治的研究也尤為重視。目前對(duì)橋梁裂縫檢測(cè)的方式主要分為人工檢測(cè)和儀器檢測(cè)兩種。

1.1 人工檢測(cè)

人工檢測(cè)多通過(guò)專業(yè)人員肉眼或通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)橋體加以檢測(cè)，對(duì)一些條件較為惡劣的橋體地段通過(guò)搭乘檢測(cè)車、檢測(cè)架進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，這種檢測(cè)方式較為原始，對(duì)人員專業(yè)知識(shí)要求過(guò)高，操作步驟繁瑣，且存在一定的安全隱患。

1.2 儀器檢測(cè)

儀器檢測(cè)借助其他技術(shù)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，已成型的檢測(cè)方式有超聲波檢測(cè)、沖擊彈性檢測(cè)、傳感器檢測(cè)、光纖傳感系統(tǒng)檢測(cè)、圖像處理檢測(cè)。其中超聲波和沖擊彈性檢測(cè)局限性較大，傳感器檢測(cè)需要在橋體預(yù)先鋪埋傳感器，光纖傳感系統(tǒng)檢測(cè)需要部署整個(gè)系統(tǒng)較為昂貴。圖像處理的方法尚處于初級(jí)階段，通過(guò)部署相機(jī)對(duì)橋底面進(jìn)行定時(shí)拍攝記錄，仍有許多新興的相關(guān)方法等待

研究。

2 采用圖像處理技術(shù)對(duì)橋梁裂縫進(jìn)行檢測(cè)

通過(guò)相機(jī)采集的橋梁裂縫圖像中，會(huì)存在一些其他非裂縫因素，我們稱之為干擾物，干擾物的種類有很多，常見(jiàn)的有橋體表層脫落、劃痕、水漬、泥漬、蜂窩等，這對(duì)我們識(shí)別橋梁裂縫產(chǎn)生了很大的阻礙，通過(guò)圖像預(yù)處理可以大幅度地削弱這些干擾物的信息，使裂縫特征表現(xiàn)得更加明顯。

圖像預(yù)處理的過(guò)程是首先對(duì)圖像進(jìn)行灰度化，然后對(duì)灰度化圖像進(jìn)行去噪濾波，再對(duì)處理完的圖像進(jìn)行二值化方便裂縫識(shí)別，最后對(duì)圖像進(jìn)行銳化及干擾物消減。圖像預(yù)處理能很大程度上去除非裂縫信息的干擾，但有一些干擾物由于與裂縫信息較為相似，仍難以去除。本文旨在提出一種基于投影法的裂縫干擾物識(shí)別分類方法，在一定程度上區(qū)分裂縫與干擾物的相關(guān)信息。

橋梁裂縫主要分為橫向裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫、網(wǎng)狀裂縫等。但由于其形成原因多具備一定的線狀特征；干擾物多為無(wú)規(guī)則圖形，且由于其多為非橋體本身因素形成，多聚集在一起呈閉合圖形，我們根據(jù)此特征可以直觀地對(duì)圖像中出現(xiàn)的裂縫和干擾物進(jìn)行分類。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

我們將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的二值化圖像進(jìn)行XY投影。設(shè)定圖像的寬高為一個(gè)二維數(shù)組，運(yùn)用先列后行和先行后列的方式分別遍歷原圖像，當(dāng)遇到像素灰度為255的點(diǎn)時(shí)，將數(shù)組中對(duì)應(yīng)的元素?cái)?shù)值加1，遍歷完畢，形成直方圖。分析直方圖特征：

第一，縱向裂縫的垂直投影有明顯的凸起且投影的范圍比較集中，其水平投影沒(méi)有明顯的凸起且波形的普遍幅值都不太大，整體比較平緩，投影范圍較廣。橫向裂縫的投影效果與縱向裂縫的投影效果相反，其水平投影有一個(gè)明顯的凸起，投影的范圍比較集中，垂直投影沒(méi)有明顯的凸起且波形的普遍幅值都不太大，整體比較平緩，投影范圍較廣。

第二，網(wǎng)狀裂縫的投影效果特點(diǎn)是其垂直投影和水平投影的范圍都比較大，其間也有明顯的凸起且幅值較大。斜向裂縫的投影效果較為特殊，當(dāng)其傾斜程度接近水平時(shí)投影效果接近橫向裂縫的投影效果，當(dāng)其傾斜程度接近垂直時(shí)投影效果接近縱向裂縫的投影效果。

第三，干擾物的投影效果種類有很多，但大多數(shù)干擾物的垂直投影和水平投影都有很明顯的突起且投影的范圍都比較集中，波形的普遍幅度都不太大，整體較為平緩。

設(shè)圖像在垂直投影時(shí)其波形的最大波峰值為H1，平均波峰值為h1，投影的范圍為Xmin～Xmax，水平投影時(shí)其波形的最大波峰值為H2，平均波峰值為h2，投影的范圍為Ymin～Ymax，則：

對(duì)于縱向裂縫H1較大，較小，H2較小，較小較大。橫向裂縫H1較小，較大，H2較大，較小。網(wǎng)狀裂縫H1、H2、及都比較大。通過(guò)這種識(shí)別方式，橫向裂縫和縱向裂縫的類型判斷準(zhǔn)確率很高。

干擾物由于其自身種類繁多，形狀不規(guī)則，但多為聚合在一起的圖形，因此通過(guò)投影法也能找到較為明顯的特征，其中較小，較小，h1h2較大，且X、Y值比裂縫投影的X、Y值有明顯的大值趨勢(shì)。

對(duì)干擾物運(yùn)用投影法得到的圖像為：

（a）垂直投影 （b）水平投影

圖1

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

為了驗(yàn)證文中裂縫與干擾物分類算法的有效性，挑選一定數(shù)量的各類裂縫及干擾物的檢測(cè)圖像，對(duì)該算法進(jìn)行測(cè)試。具體過(guò)程如下：

實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)：挑選裂縫100幅，干擾物50幅，所有圖像均是二值化處理的圖像。

測(cè)試方法：將測(cè)試樣本送入分類方法進(jìn)行分類，記錄每個(gè)裂縫分類結(jié)果，并統(tǒng)計(jì)分類精度。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示（由于橫縱裂縫投影結(jié)果較為相同，所以劃為一組；網(wǎng)狀及斜向裂縫也劃為一組）：

表1

圖像類型 圖像個(gè)數(shù) 識(shí)別出個(gè)數(shù) 識(shí)別精度

橫縱裂縫 50 43 96%

網(wǎng)狀及斜向裂縫 50 40 80%

干擾物 50 35 70%

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，文中算法可以實(shí)現(xiàn)四種裂縫及干擾物的識(shí)別，且橫縱裂縫由于其本身特征十分明顯，分成一組，識(shí)別度高達(dá)96%，網(wǎng)狀及斜向裂縫稍微復(fù)雜，但仍具有裂縫總體的投影特征，識(shí)別度仍然能達(dá)到80%。干擾物由于其自身屬性不穩(wěn)定，識(shí)別精度為70%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于橋梁圖像識(shí)別處理研究了一種裂縫與干擾物的分類識(shí)別方法，其主要思想是通過(guò)投影法將裂縫與干擾物進(jìn)行分類識(shí)別，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)干擾物的識(shí)別精度達(dá)到70%。但由于干擾物其自身來(lái)源廣泛，具有不穩(wěn)定性，仍有很多情況難以識(shí)別。因此下一步工作是從實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)干擾物特征進(jìn)行再度分類識(shí)別。

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作者簡(jiǎn)介：王聰雅（1991-），男，江蘇寶應(yīng)人，北京交通大學(xué)碩士研究生，研究方向：數(shù)字圖像處理。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）