一種基于機器視覺的便攜式可定位裂縫測寬儀的探究

劉佳璇 王睿 劉煜捷 馬安泉 劉懿涵

摘要：裂縫寬度是評估混凝土耐久性、安全性的一項重要指標，裂縫寬度檢測是房屋、建筑、橋梁等眾多建筑物評估和檢修的重要依據，對于保障建筑物安全、延長建筑物使用壽命具有重要意義。傳統的測量方式精確度低、誤差較大，市面上現有的裂縫測寬儀大都無定點拍照功能，且具有體積較大、攜帶不便、數據不便存儲等缺點。基于現有裂縫測寬儀的局限之處，對其進行創新改造，減少人力物力資源的耗費，在實際工程中擁有廣闊的應用前景。

關鍵詞：裂縫寬度測量； 機器視覺； 計算機數字圖像處理技術； GPS定位系統； 加密數據庫

中圖分類號：P204文獻標志碼：A

1研究背景及儀器設計思路

1.1研究背景

現有的裂縫檢測方法有很多，傳統的人工讀尺測量或卡尺標記測距，現在不斷發展的超聲波測寬技術、位移傳感器以及基于圖像分析技術的裂縫檢測儀等，不同程度上滿足了人工測量的要求。針對現有的裂縫測寬方式，展開調研分析。

傳統的人工讀尺或卡尺標記法雖然工具便于獲取和攜帶，但由于裂縫寬度微小，人的主客觀因素影響較大，測量結果將具有很大的主觀性，存在較大誤差，同時人工讀數速度較慢，效率低下；超聲波技術現被廣泛使用，利用超聲波在介質中沿直線傳播并在界面上產生反射、折射和波形轉換［1］的特性，可以獲得從缺陷界面反射回來的反射波，從而實現鋼管混凝土裂縫寬度等內部結構檢測。但由于此技術工序復雜、檢測成本高、檢測結果準確率低，且只適用于小范圍的抽樣檢測［2］，不具備工程檢修的實用性；對于需要連續檢測的裂縫，基本采用位移傳感器實現。將其安裝于被檢測體表面，測量結構隨著裂縫的開合度變化來測量裂縫的平均大小，再通過外接設備實現裂縫寬度的連續測量。但在實際測量中其零位誤差較大、環境因素影響較大、設備帶電纜，不便于自動化數據采集；產品體積較大，結構安裝復雜等等［3］。

最后一種目前市場上較多的裂縫寬度檢測儀，在實際工程中也有一定的應用。包括探頭和顯示器兩部分，基于圖像分析技術，經過圖像采集、圖像處理和圖像分析以及裂縫計算等步驟實現裂縫寬度測量［4］。檢測儀器精度普遍較高，但經過市場調研后發現，現有的裂縫測寬儀多數不具備裂縫定點功能、圖像存儲功能、安全評價功能，同時從外觀來說，儀器主體部分數據線纏繞操作不便，同時體積和重量較大，工程中攜帶不便。

1.2設計思路

因此，一種結構簡單、體積較小、方便攜帶的基于照相和圖像技術的裂縫寬度測寬儀，成為探索方向。該儀器包括探頭和接收終端，接受終端為個人的移動設備，如手機。基于機器視角和計算機圖像處理技術，對在一定條件下采集的混凝土裂縫圖片進行處理，得到裂縫寬度值，采用無線局域網傳輸至手機APP終端，數據和圖片加密存儲在數據庫中，方便后續實施裂縫監測。

2儀器的組成與特點

2.1裝置特點

相比于傳統的裂縫寬度測量儀器，本測量儀器便捷性、數據處理與儲存保管等方面進行創新，主要優勢有：

（1）體積小，易攜帶：儀器端部可連接掛繩，將其掛在脖子上，方便使用者攜帶。本儀器小型鏡筒內含有小型鏡頭和內置光源，儀器內置光源亮度及其裂縫表面的距離通過亮度距離試驗均已設置完成，各影響因素已達最佳條件。

（2）數據自動處理并傳輸：利用計算機圖像處理技術進行灰度化［5］、二值化、去噪點、裂縫寬度計算，得出的裂縫寬度數值通過WIFI傳輸到手機APP終端［6］，并在本施工項目共享加密數據庫中自動保存，體積小、便于攜帶，操作簡便、效率高，節省時間和人力物力資源。

（3）增加定位系統：在測量裂縫寬度時可根據GPS定位系統［7］在APP地圖準確標定裂縫的位置，同時在程序中可手動輸入樓層號或相對標高、實時記錄現場照片加以輔助，提高工作效率，極大避免了工作失誤，為工程檢測帶來巨大的方便。

（4）增加裂縫安全性評價：儀器測量裂縫寬度得到具體數值后，自動評估該裂縫的安全性，判斷是否會產生安全隱患。

2.2裝置組成

2.2.1處理器部分

開始—采集視頻—Wifi無線傳輸視頻—移動端接收視頻流—移動端處理視頻—視頻顯示—其他操作—結束。

無線WIFI攝像原理就是無線傳輸視頻信號用電磁波代替電線。現在市面上的無線監控基本都是P2P技術，也就是點對點的，穿透連接快，流暢。其具有以下優點：

（1）標準H.264 視頻壓縮算法，滿足在狹窄的帶寬網絡里傳輸高清晰度視頻.高畫質、低碼流、本地高清錄像，觀看更流暢，無拖影。

（2）百萬高清像素，畫質清晰。

（3）支持多種移動設備連接使用，支持多平臺，多終端，多網絡。

（4）支持多用戶訪問，多設備管理。

（5）支持WIFI，靈活組建無線工作環境，讓多臺設備同時工作。

2.2.2接收終端部分

（1）當接收到來自于無線攝像頭的視頻數據后顯示原視頻圖像，按下拍照鍵后將截取當前視頻幀為圖像處理基礎并將圖像停止在該幀。

（2）通過現有的OPENCV的圖像處理庫，先將圖像二值化，再去掉圖像噪點，后使用OPENCV現有的函數功能找到最大連通域，算出面積。

（3）再使用計算出最大連通域的近似長度，后用寬度=面積/2×長度計算出寬度。并顯示出來。后選擇是否保存

（4）保存數據后，使用GPS定位功能將當前數據與GPS定位數據綁定。

2.2.3儀器本體部分及使用方法

本產品由被測裂縫、采集系統、控制系統三大部分組成，使用內置光源的儀器攝像頭對裂縫表面進行圖像采集，利用無線局域網傳輸至手機或電腦終端，由此獲得裂縫的圖片和寬度信息并對其進行控制和管理（圖1、圖2）。

儀器具體使用方法，操作步驟：

（1）測量者找到所需測量的裂縫后，長按筒壁上方開機按鈕啟動。

（2）將儀器攝像頭對準裂縫表面。

（3）按下筒壁光源按鈕開啟內置光源。

（4）按下拍照按鈕進行裂縫圖像采集。

（5）在相應的手機APP或電腦網頁終端可查看裂縫圖片（包括灰度化后圖像）、具體數值和對裂縫的評價。

（6）APP定位系統自帶地圖，可準確標定裂縫的位置，在APP中可自主手動輸入樓層號或相對標高進行分組，實時記錄現場照片加以輔助。

3實施方案

3.1工作原理

3.1.1采集裂縫圖像

采用數碼相機作為圖像采集系統，鏡筒內含小型鏡頭和內置光源，長按開機按鈕，將鏡筒對準并緊貼裂縫位置，開啟光源，按下拍照鍵將裂縫圖像上傳終端設備，對其進行下一步分析處理。

3.1.2裂縫圖像處理

3.1.2.1圖片灰度化

RGB=（R，G，B）;R，G，B∈x|x≤255，x∈N，其是由紅藍綠三個顏色的對應值來決定顏色的。當RGB為（0，0，0）時為黑色，為（255，255，255）時為白色。因此為了達到較好的灰度效果需要設定一個合適的比例。給出一個函數：

F（x，y）=aR+bG+cB

x，y為圖片中對應的像素點的坐標。a，b，c為紅綠藍的占比。R，G，B為RGB值。F（x，y）為灰度值（0～255）。

以上方法是采用加權平均計算的灰度值，如何進行（a，b，c）的配比我們還需要進一步進行實驗。但是很明確的一點是由于綠色最亮，紅色其次，藍色最暗。藍色的占比應較大才能讓灰度化后的圖片有較暗的效果。

3.1.2.2二值化處理

二值的取值只能是0和1，即黑色和白色，而灰度值為0-225，因此我們可以通過局部自適應閾值和邊緣檢測的方法來確定閾值。在閾值以下的設置成黑色，閾值以上的設置為白色。

3.1.2.3連通域去噪點

在二值圖像中，裂縫區域一般具有連續性且呈線狀區域，而噪聲區域根據分割算法的結果表現為連通域面積大小不一的塊狀區域，根據裂縫與噪聲的不同特征，設計算法去除噪聲區域。

3.1.3裂縫寬度計算

經過一系列機器視覺分析，所采集的圖片只剩下裂縫部分，采用膨脹圓的裂縫檢測方法，得出最大膨脹圓的直徑，即為所測裂縫寬度。

3.1.4裂縫定位及數據存儲

手機自帶GPS定位，在APP的地圖中準確標定裂縫的位置，手動輸入樓層，若在同一豎直平面上存在多條裂縫，根據人工測量，在系統中輸入相對標高，據此對每一條裂縫進行標號，避免裂縫位置混淆不清、導致重復測量的問題，同時方便之后對裂縫寬度進行監測。數據處理完畢后放入加密數據庫，使用同一系統的同一項目相關人員可查看有關數據，實現數據共享。

3.2實施過程

測量者首先長按筒壁上方開機按鈕啟動，找到所需測量的裂縫后，將測寬儀放置裂縫表面，按下光源按鈕開啟內置光源，光源自動匹配合適的亮度后按下拍照鍵，通過光圈大小為32F的內窺200w攝像頭進行圖片采集記錄，通過計算機圖像處理后，在相應的手機APP終端查看裂縫具體數值。得到數值后，軟件自動評估該裂縫是否會對工程項目造成安全隱患，進行安全性評價。在測量裂縫寬度時，可根據GPS定位系統在APP地圖準確標定裂縫的位置，同時在程序中可手動輸入樓層號或相對標高、實時記錄現場照片加以輔助，提高工作效率，極大避免了工作失誤，為工程檢測帶來巨大的方便。

3.3工程應用

混凝土因其強度高、造價低、耐久性和耐火性好、抗壓強度高、原材料來源廣、養護費用低，已廣泛應用在房屋、道路、橋梁等各種建筑中，但由于其抗拉強度低故易形成裂縫。建筑物表面裂縫是建筑物混凝土內部使用過程中的損傷積累、是建筑物達到一定危險程度的外部集中表現，其所包含的信息量對于預示和征兆建筑物險情具有關鍵性意義［5］。幾乎所有的混凝土構件均處于帶裂縫工作狀態，一旦裂縫發展到一定程度將造成重大安全事故的發生，所以在工程中需要通過監測工作及時了解裂縫特征、發展階段并加以跟蹤、檢測，據此及時對裂縫進行維護和補修，可降低建筑成本，保障公共財產和人生性命的安全。

建筑工程項目所需測量的裂縫數量較多，考慮到手機具有私密性且儲存空間有限，本儀器通過網絡傳輸到網絡平臺，電腦手機都可以實時進行監測、儲存和查看。本儀器作為一種創新型便攜式可定位裂縫測寬儀，根據計算機編程圖像處理技術計算寬度數值并通過WiFi傳輸到手機終端自動保存圖片和數據，可以縮小儀器體積，方便工程監測現場工作攜帶，減少勞動精力成本的增加，同時可降低儀器外殼、顯示屏等材料制作的費用，減少工程監測中儀器購置的成本。不僅如此，考慮到某些施工現場環境黑暗（如隧道檢測工程）或多個監測人員同時進行測量的情況，本裝置可根據GPS定位系統在APP地圖準確標定裂縫的位置，手動輸入樓層號或相對標高，同時記錄現場照片作為輔助，以此避免工程監測工作中裂縫數量多、位置混淆不清、重復測量等問題，極大提高工程檢測的效率，降低時間成本。

4結束語

本文基于裂縫自動測寬儀在工程監測及維修工作中的應用，對市面上現有的裂縫寬度測量儀不足之處進行改良并結合工程現狀不斷創新，研究出一種基于計算機數字圖像處理的可定位小型便攜式混凝土測寬儀。本裝置增加了定點拍照功能，拍下裂縫圖片后通過Andriod Studio對圖片進行灰度化處理、二值化處理、去噪點、裂縫寬度計算一系列處理算法得到裂縫寬度數值，數據將通過WiFi直接傳導至手機APP終端并進行保存，從而實現數據的有效記錄與存儲，此方法同時將現有儀器“顯示屏”實體部分轉移到手機，大大減小了儀器的體積。配合APP內GPS定位功能，可實現測量裂縫位置定位標記功能，在各類混凝土工程檢修工程中都能得到實際應用，極大提高工作效率，前景廣闊。

參考文獻

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［5］崔磊．基于圖像處理技術的建筑物表面裂縫測量方法的應用研究［D］.北京：北京工業大學，2013.

［6］李嘉欣.基于WiFi環境下的實時數據傳輸系統研究［D］.沈陽：沈陽工業大學，2020.

［7］劉明陽.一種GPS定位解算算法的研究［J］.現代導航，2022，13（2）：114-117.

［作者簡介］劉佳璇（2003—），女，在讀本科，研究方向為工程造價；王睿（1988—），女，博士，工程師，研究方向為地下工程及隧道病害自動檢測系統；劉煜捷（2002—），女，在讀本科，研究方向為工程造價；馬安泉（2002—），女，在讀本科，研究方向為工程造價；劉懿涵（2002—），女，在讀本科，研究方向為工程造價。