大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚紋飾裂縫檢測(cè)方法研究

高贇祺

（山西應(yīng)用科技學(xué)院，太原031500）

1 前言

大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚，因具有出色的物理性能和美觀的紋飾，被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)建筑中。然而，其生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)裂縫等問(wèn)題，因此，對(duì)于大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚紋飾裂縫檢測(cè)方法的研究顯得尤為重要。為此曾提出多種方法，如：發(fā)光檢測(cè)法對(duì)于裂紋較細(xì)、隱蔽的情況具有一定的優(yōu)勢(shì)，但需要專(zhuān)門(mén)的儀器設(shè)備和熒光材料；機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法可以自動(dòng)化地檢測(cè)陶瓷磚表面的裂縫，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率[1]，但需要使用昂貴的設(shè)備和儀器，成本較高。所以本文對(duì)大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚紋飾裂縫檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，希望能夠提高大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚的生產(chǎn)質(zhì)量和使用安全性，同時(shí)也為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考和借鑒。

2 大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚紋飾多視圖影像采集

為了檢測(cè)大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚的紋飾裂縫，首先使用多視圖影像采集方法來(lái)構(gòu)建影像集。根據(jù)裂縫所在結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)信息來(lái)布設(shè)控制點(diǎn)，規(guī)劃拍攝路徑，并建立世界坐標(biāo)系。在一般的區(qū)域內(nèi)，設(shè)置拍攝路徑、相片重疊率、相機(jī)角度等參數(shù)，并使用1 個(gè)正攝和4 個(gè)傾斜角度路徑來(lái)獲取被攝多視圖序列影像[2]。采集示意圖如圖1 所示。

圖1 多視角影像采集示意圖

根據(jù)建筑陶瓷磚紋飾最大寬度與圖像采集裝備的實(shí)際情況，結(jié)合建筑陶瓷磚紋飾裂縫尺寸，計(jì)算得出工作距離MD。相機(jī)選型后可得知像素尺寸參數(shù)pis，結(jié)合已知的相機(jī)分辨率res，可計(jì)算得相機(jī)平面高度h=pis×res。根據(jù)式（1）計(jì)算鏡頭焦距：

式中：FOV指攝像范圍；h表示平面高度；MD表示工作距離。相機(jī)在采集圖像過(guò)程中進(jìn)入鏡頭的光線十分有限，導(dǎo)致采集的圖像灰度值不夠，不利于后期的分析與處理。因此，本文選擇在成像模塊中加入照明設(shè)備以補(bǔ)充光源，相機(jī)可拍到大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚紋飾圖像的細(xì)節(jié)，從而對(duì)后續(xù)的圖像處理帶來(lái)有利條件，并且地面控制點(diǎn)是一系列已知坐標(biāo)的地面點(diǎn)，在空中三角測(cè)量中能夠顯著提高解算精度并完成空間坐標(biāo)系的自定義[3]。為保證后期建模精度，控制點(diǎn)應(yīng)均勻分布在攝影區(qū)域，且同一控制點(diǎn)至少出現(xiàn)在5 張圖像中。據(jù)此完成大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚紋飾多視圖影像采集。

3 獲取圖像像素解析度

像素解析度即相片中像素尺寸與實(shí)際物體尺寸的映射關(guān)系。本文采用物距法，獲取圖像光心三維坐標(biāo)和裂縫平面擬合得到的平面方程計(jì)算物距U，在無(wú)測(cè)距儀的條件下獲取物距信息[4]。

在裂縫圖像采集過(guò)程中，雖然通過(guò)正攝位姿獲取影像，但其光軸與被測(cè)裂縫平面法線可能存在一定夾角，即成像平面與裂縫平面無(wú)法完全平行，導(dǎo)致物距計(jì)算不準(zhǔn)確。成像夾角修正示意圖如圖2 所示：

圖2 成像夾角修正示意圖

本文提出夾角修正的方式對(duì)成像平面進(jìn)行矯正，在相機(jī)坐標(biāo)系下取任意不共線的三點(diǎn)（Xc1，Yc1,Zc1）、（Xc2，Yc2,Zc2）、（Xc3，Yc3,Zc3），即為相機(jī)坐標(biāo)系下成像平面中的三點(diǎn)坐標(biāo)。其轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中：R表示旋轉(zhuǎn)矩陣，t代表平移矩陣，xw，yw，zw為轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)值。求得修正光心坐標(biāo)到裂縫平面方程的距離即為物距。

式中：x'w，y'w，z'w為夾角修正后的光心坐標(biāo)值。在裂縫圖像拍攝過(guò)程中，不同相機(jī)儀器會(huì)影響成像比例調(diào)整，因此將成像設(shè)備簡(jiǎn)化為薄透鏡成像模型，利用此模型進(jìn)行成像比例調(diào)整[5]。因此像素解析度計(jì)算為：

式中：Pr表示像素解析度，單位為mm/pixel-1(毫米/像素)，u表示物距，v表示像距，PIS表示相機(jī)傳感器原件每lmm 尺寸范圍內(nèi)容納的像素個(gè)數(shù)，對(duì)于不同的傳感器尺寸，PIS參數(shù)有所差別，對(duì)于同一個(gè)相機(jī)，傳感器元件長(zhǎng)度和高度方向的參數(shù)近似相同，基于上述情況，得到圖像像素解析度。

4 建立裂縫識(shí)別模型

由于裂縫具有尺寸不固定以及形狀不確定的特點(diǎn)，這給裂縫檢測(cè)造成了很大的困難。為了解決目標(biāo)的多尺度變化所帶來(lái)的問(wèn)題，在獲取圖像像素解析度后，本文建立裂縫級(jí)聯(lián)識(shí)別模型，利用兩種特征融合策略深度挖掘細(xì)節(jié)信息以及全局信息。

式中，T表示級(jí)聯(lián)的個(gè)數(shù)；b表示樣本數(shù)。每一個(gè)檢測(cè)器與該步驟中的樣品bT相對(duì)應(yīng)，并且在接下來(lái)的步驟中獲得的樣品bT將高于之前的樣品bT-1的質(zhì)量。將裂縫圖像輸入到模型中，模型根據(jù)預(yù)測(cè)圖上像素點(diǎn)的概率值對(duì)像素進(jìn)行分類(lèi)。其中高于閾值的判定為裂縫，低于閾值的判定為背景，因此裂縫檢測(cè)可以被視為在每個(gè)像素點(diǎn)上進(jìn)行二分類(lèi)操作。再通過(guò)去除全連接層和最后一個(gè)池化層進(jìn)行特征提取，分別獲取每個(gè)階段的特征圖。之后將輸出特征圖用卷積降維并分別上采樣到和輸出特征圖的同等尺寸，在僅執(zhí)行正向操作的情況下，該模型會(huì)將來(lái)自上一級(jí)檢測(cè)器的候選框發(fā)送給前一個(gè)檢測(cè)器，每次上采樣后的特征圖都與分類(lèi)部分的輸出特征圖進(jìn)行融合操作，將全局上下文信息融入到不同尺度的特征圖中，得到最后的裂縫特征識(shí)別圖。

5 計(jì)算裂縫參數(shù)實(shí)現(xiàn)裂縫檢測(cè)

裂縫參數(shù)主要為裂縫的寬度與長(zhǎng)度，本文采用代膨脹圓法獲取整條裂縫寬度最大處的尺寸。求取某處裂縫寬度關(guān)鍵在于求解以該點(diǎn)為圓心的最大內(nèi)接圓直徑。裂縫的寬度變化會(huì)導(dǎo)致最大內(nèi)接圓同時(shí)變化，因此用圓的膨脹來(lái)模擬裂縫的擴(kuò)展過(guò)程，通過(guò)圓直徑不斷“膨脹”，直到與裂縫兩邊緣相切，從而用圓直徑量化裂縫寬度。最后采用裂縫骨架線計(jì)算裂縫長(zhǎng)度，具體步驟如下：

步驟一：以較長(zhǎng)分支為骨架主體信息并對(duì)骨架像素進(jìn)行單一化改進(jìn)并去除冗余片段，提取骨架線上的點(diǎn)坐標(biāo)定義為膨脹圓圓心。

步驟二：創(chuàng)建與裂縫二值化圖像相同分辨率的新圖像并令所有像素值為0，即背景為全黑色。以步驟(1)的圓心坐標(biāo)構(gòu)建直徑為1 的初始圓。

步驟三：將步驟二中的裂縫二值圖與生成像素圓的圖像進(jìn)行圖像加法運(yùn)算，令結(jié)果中大于1 的像素值等于1，使得運(yùn)算后圖像中僅存在0 與1。

步驟四：將步驟三的圖像相加操作的結(jié)果和裂隙二值圖進(jìn)行差分，如果所有的像素都是1，就表示像素圓圈沒(méi)有與裂隙的邊界相接觸，并且把直徑D 增大1，然后回到步驟三。重復(fù)以上過(guò)程，如果像素差值元素在第n 個(gè)擴(kuò)展之后第一次顯示為1，表示在步驟三中畫(huà)出的、直徑Dn+的白色實(shí)心圓超過(guò)裂紋的邊界，結(jié)束膨脹，最終膨脹圓直徑取Dn=n 即為裂縫在該點(diǎn)的寬度。

步驟五：對(duì)于局部曲率大、反復(fù)折疊的裂縫，利用骨架線像素總和計(jì)算裂縫長(zhǎng)度，要比利用骨架線上某幾個(gè)點(diǎn)之間的距離之和計(jì)算更為準(zhǔn)確最大膨脹圓直徑即為裂縫最大寬度，單位為像素。根據(jù)上文求得的像素解析度，像素寬度乘以像素解析度即為裂縫的真實(shí)物理寬度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裂縫檢測(cè)。

6 實(shí)驗(yàn)

6.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取某廠生產(chǎn)的大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚紋飾，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1 所示。

表1 大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚紋飾數(shù)據(jù)

本研究使用佳能EOS 80D 數(shù)碼相機(jī)對(duì)遼寧省多座混凝土重力壩進(jìn)行拍攝，獲取混凝土壩裂縫圖像數(shù)據(jù)。拍攝角度包括平視、斜視和俯視，拍攝距離為3～20 m，拍攝環(huán)境包括強(qiáng)光和暗光。本研究通過(guò)對(duì)獲取的混凝土壩裂縫原始圖像進(jìn)行裁切和篩選，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，共獲得940。張含有裂縫損傷的圖像，圖像分辨率為640×640。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置：本實(shí)驗(yàn)在安裝有Ubuntu 18.04 系統(tǒng)的工作站上進(jìn)行，該工作站配備英特爾i9-10850K 中央處理器(central processing unit，C'PU)和NVIDIA 2080Ti 顯卡，運(yùn)行內(nèi)存128 G，算法運(yùn)行環(huán)境為C'UDA10.2、Python 3.7 和Pytorch 1.2。

6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)擬采用0.5mm 精度的軟尺，對(duì)各大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚紋飾的裂縫寬度進(jìn)行實(shí)測(cè)，進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2 所示。

表2 裂縫參數(shù)計(jì)算結(jié)果/mm

以人工測(cè)量的寬度作為標(biāo)準(zhǔn)值與上述裂縫寬度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。表2 給出了5 組不同裂縫試驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)信息。由上述結(jié)果可知，本文所提及的裂縫寬度測(cè)量精度僅為±0.3mm，與實(shí)際裂縫寬度最接近，表明本文方法效果較好。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)大規(guī)格超薄建筑陶瓷磚紋飾裂縫檢測(cè)方法的研究發(fā)現(xiàn)，精確、高效的檢測(cè)方法對(duì)于保障建筑陶瓷磚的質(zhì)量和美觀至關(guān)重要。在實(shí)踐中，需要關(guān)注紋飾裂痕的類(lèi)型、深度、寬度等因素，借助先進(jìn)的技術(shù)手段，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和評(píng)估。未來(lái)工作將繼續(xù)深入研究，以期提供更加完善的解決方案，為建筑陶瓷行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。