隧道檢測裂縫的圖像處理分析

張南

（蘇交科集團股份有限公司 江蘇南京 210000）

在實踐工作中經常出現襯砌表面災害，根本原因是檢測技術不先進，其只能滿足低等級的公路建設，為了解決這一問題，下面就引入了當前比較先進的檢測技術，先分析使用的硬件設備和檢測原理，最終分析了檢測方法。

1 隧道檢測裂縫的圖像處理原理

1.1 分析硬件的構成情況

對于硬件檢測系統，為了發揮其實際作用，將其設計為車載結構，讓其以一定的速度在隧道中運行，使用高精度線陣電荷耦合器件相機就可以對表面的裂縫進行采集。CCD相機使用光學系統，把光信號轉變為視頻信號，動態范圍高，分辨率高，靈敏度高等，因此受到一線人員的青睞。其還包括很多配件，例如有編碼器，為了確保相機采集速度和車速一致，使用編碼器進行車速的測試，利用車速對相機的采樣速度進行協調，這一措施可以避免圖像發生變形，確保采集數據和實際裂縫尺寸一致。對于圖像采集卡而言，利用CCD相機得到視頻信號，將其輸入并存儲到圖像采集卡中，可以對圖像實施A/D轉換。對于照明系統而言，為了CCD相機的低光敏性，可以選用功率大的照明裝置，要求光源具有高頻穩定性，最終技術人員選擇使用LED條形光源。

2 分析工作原理

使用CCD相機掃描隧道表面，通過掃描就可以得到裂縫圖像，利用采集卡和硬盤對采集得到的數據進行及時保存，在技術上使用了磁盤陣列技術，因此實際工作中對大數據量高分辨率圖像數據進行存儲時不會出現丟幀、堵塞等問題。最后選用計算機對數據進行離線、在線處理，最終得到準確的裂縫信息。

3 研究圖形具體處理的算法

3.1 分析處理圖像的特點

對于圖像處理而言，就是把圖像轉化為數字矩陣，將其存儲到計算機中，同時使用相應的算法對其進行細致的處理。在處理中技術人員要使用高速CCD相機，對裂縫中的圖像進行采集，這類圖像包括兩類。①襯砌表面的裂縫，也就是主要識別的目標。②狀況良好的襯砌表面，也就是圖像的背景。但是具體采集時影響因素較多，導致采集得到的圖像中夾雜著大量的噪聲，導致對圖形的處理難度增大。結合相關工作經驗，總結出圖像處理工作有以下幾個特點：隧道襯砌表面的紋理不均勻，使用混凝土材料導致其自身不均勻，因此采集的背景圖像顏色方面有很大的變化，裂縫圖像的顏色出現較大的變化。當裂縫中的顏色和背景顏色接近，就會對裂縫顏色產生很大的影響。總而言之，一般的裂縫圖像會比背景顏色略暗，但是在隧道表面存在深色污染物，導致裂縫背景和灰度顏色重疊。代表目標裂縫的實際像素背景像素。采集到的隧道表面信息量很大，但是裂縫信息量很小，導致截取圖像信息存在一定的難度，如果處理不當計算速度下降[1]。

3.2 有效增強裂縫圖像的強度

對于數字圖像處理技術而言，圖像增強是非常有效的方式，其可以進行圖像的采集和傳輸，但是這些過程導致圖像質量下降，影響計算機后續的識別和分析。針對這一情況，技術人員采用高速CCD相繼對襯砌表面采集的圖像進行處理，對原始圖像進行增強處理，降低大量噪聲污染的影響，將產生的不利影響進行校正，對噪音進行平滑處理，為以后的檢測提供幫助。通過改進的直方圖灰度拉伸法將增強對比度，這一方法對傳統技術進行了改進和優化，除此之外，還可以對圖像進行四臨域平均平滑十次和拉普拉斯銳化一次，這一步操作要重復五次。工作人員可以對圖像進行圖像拉伸處理，再和之前的進行對比，檢測增強效果，為了確保圖像不會失真，如果使用單一算法達不到要求，技術人員要有針對性的進行處理，融合不同的處理技術，這些措施可以達到良好的效果，雖然細節有所損失，但是有效解決了噪音的影響。

3.3 對裂縫圖像進行分割處理

對于圖像分割而言，就是遵循均勻性原則，將一個圖像分成不同個有意義的部分，讓某個部分都符合某一種一致性的要求，對于任意兩個相鄰的部分而言，將其進行合并之后將會對這種一致性進行破壞。對于裂縫圖像只對圖像中裂縫進行分析，圖像分割就是對裂縫邊界區域進行分割，這樣就可以提取得到裂縫目標。具體的圖像分割算法包括區域生長分割技術、閥值分割技術、邊緣檢測技術等，當前閥值分割技術使用范圍最廣。對于閥值T而言，可以對圖像的直方圖進行分析，有效確定具體數值，當一個圖像只包括背景和目標兩部分，那么其直方圖就是典型的雙峰圖，進行選擇分析中可以選擇兩峰中間的最低點，將這一位置的灰度值作為分割閥值[2]，針對裂縫襯砌圖像而言，其比較復雜，制作的直方圖都是單峰形狀的，或者將其連成一片，如果只依靠直方圖選擇最佳的閥值非常困難。為了有效解決這一難度，技術人員參考了其他人員的研究成果，可以選用兩種閥值分割算法對裂縫圖像進行處理，將得到的結果進行對比分析，這樣就能達到理想的效果。通過實踐工作分析發現，兩種算法都可以很好的區分出背景和裂縫，如果使用最大類間方差法對圖像進行分割處理之后，裂縫信息將會有一部分丟失，裂縫存在斷開問題，但是對其他的噪音達到了很好的抑制效果，二值化圖像沒有其他多余的信息，對于迭代剪枝法而言，可以有效將縫隙的細節進行保存，但是在圖像中仍然存在多余的噪聲，不利于以后對裂縫信息的提取[3]。

4 總結

通過以上對隧道檢測裂縫的圖像處理分析，發現進行圖像分割時，使用最大類間方差法和迭代剪枝法處理后，可以得到很好的二值圖像，但是這兩種方法各具特點，相關技術人員要結合工作需求，科學進行選擇，確保達到理想的作用效果。

[1]劉曉瑞，謝雄耀.基于圖像處理的隧道表面裂縫快速檢測技術研究[J].地下空間與工程學報，2009，5（s2）：1624～1628.

[2]劉曉瑞，謝雄耀.基于圖像處理的隧道表面裂縫快速檢測技術研究[C].上海市土木工程學會，上海市力學學會巖土力學與工程學術年會，2009.112～113.

[3]王華夏，漆泰岳，王睿.高速鐵路隧道襯砌裂縫自動化檢測硬件系統研究[J].鐵道標準設計，2013（10）：97～102.