盾構隧道管片裂縫圖像識別及寬度計算優化方法

吳冰鑫 丘美燕 曾慶凱 詹勛慶 張 曦 曾海森

(華南農業大學水利與土木工程學院，廣東廣州 510642)

0 引言

盾構隧道作為地鐵得以暢通穿梭于各站點間的通道，其安全狀況需要引起足夠重視。然而，在長期運營中管片結構難免會產生裂縫，從而影響到其外觀、使用功能，甚至于安全和壽命［1，2］。大量研究將數字圖像處理技術應用于裂縫識別與檢測中，然而如何優化裂縫寬度計算方法，進一步提高裂縫寬度計算精度還有待解決。本文提出了一種利用霍夫變換理論提高裂縫寬度計算精度的優化方法。

1 圖像預處理

本文以上海地鐵某區間盾構隧道的管片結構邊角裂縫為例［2］，對圖像進行預處理，包括圖像增強、圖像分割、裂縫識別、邊緣提取等，并在此基礎上進行裂縫寬度計算。

1.1 圖像增強

運用Matlab軟件中rgb2gray函數將原始裂縫圖轉換為灰度圖，并使用Histeq函數進行灰度轉換，如圖1所示。

圖1 圖像增強過程

1.2 圖像分割與裂縫識別

首先，對圖像進行二值化處理，可使裂縫部分與周圍非裂縫部分區別開來，如圖2a)所示。

然后，對二值化圖像進行旋轉和裁剪，僅保留有裂縫部分，并采用Belabel函數尋找出二值圖像中的最大連通區域而將其他小連通區域清除，最后得到僅保留有所需裂縫的圖像，如圖2b)所示。

1.3 邊緣提取

通過對比發現，采用Canny和Sobel等邊緣檢測算子得出的裂縫邊緣更為平滑，如圖3所示。

2 裂縫寬度計算

裂縫一般為不規則曲線。在常用的裂縫寬度計算方法中，直接計算裂縫上下邊緣的垂直像素寬。然而，與水平線成一定角度的兩條線的像素豎向坐標相減得到的差值與兩直線之間的垂直距離并不相等，即旋轉后的裂縫邊緣豎向坐標差值與裂縫真實寬度存在一定誤差。因此，本文提出采用霍夫(Hough)變換的方法，對裂縫曲線進行擬合，再計算裂縫寬度。

圖2 圖像分割和裂縫識別

圖3 不同邊緣檢測算子的裂縫邊緣提取效果

2.1 霍夫(Hough)變換的原理

霍夫(Hough)變換是一個非常重要的檢測間斷點邊界形狀的方法。它通過將圖像坐標空間變換到參數空間，來實現直線與曲線的擬合。

在圖像x-y坐標空間中，經過點(xi，yi)的直線表示為:

其中，a為斜率;b為截矩。通過點(xi，yi)的直線有無數條，且對應于不同的a和b值。如果將xi和yi視為常數，而將原本的參數a和b看作變量，則式(1)可以表示為:

這樣就變換到了參數平面a-b。這個變換就是直角坐標中對于(xi，yi)點的Hough變換。該直線是圖像坐標空間中的點(xi，yi)在參數空間的唯一方程。考慮到圖像坐標空間中的另一點(xj，yj)，它在參數空間中也有相應的一條直線b=－axj+yj，這條直線與點(xi，yi)在參數空間的直線相交于一點(a0，b0)，如圖4所示。

2.2 霍夫(Hough)變換的應用

首先對裂縫進行骨架提取，得到以單個像素排列而成的裂縫骨架線，如圖5a)所示。隨后利用霍夫(Hough)變換的原理進行直線擬合，圖5b)即為與骨架線擬合程度較高的直線線段。叉點代表原部分骨架線沒有直線線段擬合，原因在于其豎向坐標變化較大無法擬合，需采用其他方法處理。然后以每兩條線段相交的點作為分段點，將原始裂縫圖像進行分段并首尾依次連接，即可形成一條完整的骨架線，如圖5c)所示。由圖可知，各擬合線段較好地在原裂縫曲線角度轉折較大的點將裂縫進行分段，并表示出各分段的傾斜程度。

圖4 霍夫變換的原理

圖5 骨架線的形成

圖6 是利用霍夫(Hough)變換，將原始裂縫曲線分成九段，再將各段按與水平線形成的確定角度進行旋轉，分別計算各分段的像素豎向坐標差值，統計獲得代表原始裂縫最大和最小寬度的像素值，最后計算得到代表原始裂縫平均寬度的像素值。與曲線擬合的直線長度越小，數量越多，曲線的分段就越多，旋轉后越接近于水平線，像素差值的計算精度就越高。

圖6 裂縫的分段和旋轉

3 結語

本文在對圖像進行圖像增強、圖像分割、裂縫識別、邊緣提取等預處理的基礎上，提出一種提高裂縫寬度計算精度的改進方法。該方法適用于任何裂縫曲線，尤其是對寬度精度要求較高的裂縫，并且可批量處理裂縫圖像。但由于原始數據的缺乏，本文并未對該方法進行實際裂縫寬度的驗證，這是下一步需要進行研究的問題。