基于裂縫中心線方向的土遺址裂縫寬度計算方法*

龍　雨, 許鵬飛

(西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710127)

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基于裂縫中心線方向的土遺址裂縫寬度計算方法*

龍雨, 許鵬飛

(西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710127)

針對現(xiàn)存的大量具有歷史和科學(xué)研究價值的土遺址受到裂縫病害的影響，而現(xiàn)常用的裂縫寬度測量方法耗時、耗力、成本高，并且對土遺址本身具有一定的損害等問題。提出了一種以數(shù)字圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，基于裂縫中心線方向的土遺址裂縫寬度計算方法。該方法首先對裂縫圖像進(jìn)行除燥和形態(tài)學(xué)處理，利用骨架化的方法求得裂縫的中心線，再基于中心線上每一點的方向，求其法線與裂縫左右邊界交點間的距離，并以此作為此處裂縫的寬度。實驗表明：該裂縫寬度計算方法具有較高的準(zhǔn)確性和通用性。

土遺址； 裂縫； 寬度計算； 骨架化； 中心線方向

0　引　言

土遺址由于其土體本身強度低，易受多種病害的影響。其中，裂縫是較為常見的一種病害[1]。在文物保護(hù)領(lǐng)域，針對土遺址裂縫變化的檢測及其測量，基本是由專業(yè)的技術(shù)人員使用物理工具進(jìn)行的。但該方法耗時、耗力、成本高，并且對土遺址本身具有一定的損害[2，3]。目前，已有較多的基于圖像特征的裂縫檢測方法，并取得了很好的效果[4～7]。但是針對裂縫寬度的計算研究較少，而土遺址裂縫的寬度無論是對于土遺址病害的評估，還是對土遺址的復(fù)原都具有重要的意義。

目前，對裂縫寬度的計算主要有兩種方法，一種是通過儀器進(jìn)行機械測量，如：文獻(xiàn)[3]中，在對混凝土橋梁裂縫的寬度進(jìn)行檢測時運用了裂縫測寬儀(帶有放大鏡的刻度尺)，能精確到0.01 mm千分表，可以直觀方便地讀出裂縫寬度。但在使用時耗時、耗力、花費高，最重要的是機械測量的方法有可能對土遺址產(chǎn)生一定的損壞，不符合無損測量的要求，因此，土遺址裂縫寬度的計算不適合用機械測量。

另外一種方法是基于數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)而求解裂縫寬度。在文獻(xiàn)[8]中，主要是基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，利用裂縫左右邊界點間的距離取得裂縫寬度。在求解的過程中，對左邊界的任一邊界點，用距離公式遍歷所有的右邊界點，得到最小距離值，即為與此左邊界點對應(yīng)的裂縫寬度值。但由于裂縫形狀的不均勻性，這種方法的實用性較差。

在文獻(xiàn)[9]中，主要是對裂縫進(jìn)行像素標(biāo)定、灰度轉(zhuǎn)換、閾值分割、中值濾波等步驟后，然后利用框選平均值法計算得到裂縫的寬度。框選平均值法運用的思想是面積除以長度即得到寬度w(像素)=s/l。這種方法主要適用于裂縫的形狀具有一定的規(guī)則性的情況。但是在現(xiàn)實中，土遺址裂縫的形狀是不均勻的，因此該方法不適用于土遺址裂縫的測量。

本文針對于機械測量具有損害性以及現(xiàn)有的基于圖像處理技術(shù)的裂縫寬度計算方法不適用于土遺址裂縫寬度計算的問題，結(jié)合土遺址裂縫的形狀的不均勻性，提出了一種以數(shù)字圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，基于裂縫中心線方向的裂縫寬度計算方法。由于中心線上每一點的切線及其對應(yīng)的法線都是唯一的，因此，本方法不僅具有較高的準(zhǔn)確性和通用性，并在一定程度上提高了土遺址裂縫寬度的檢測效率。

1　基于中心線方向的土遺址裂縫寬度計算方法

本文提出的基于中心線方向的土遺址裂縫寬度計算方法流程圖如圖1所示。

圖1　基于中心線方向的土遺址裂縫寬度計算方法流程圖

1.1預(yù)處理階段

首先，利用Guided Filter[10]提取土遺址圖像中的裂縫信息。由于在提取后的圖像中，裂縫與背景灰度差別較大，可利用OTSU方法對裂縫圖像進(jìn)行二值化處理。然后利用形態(tài)學(xué)閉運算平滑裂縫邊界。再利用形態(tài)學(xué)骨架化的方法求出裂縫的中心線，如圖2所示。

圖2　裂縫及其中心線

1.2基于中心線方向的裂縫寬度的計算

1)邊緣檢測：在土遺址裂縫圖像中，由于裂縫邊界的形狀很不規(guī)則，并且圖像中還存在一定程度的斑點噪聲，導(dǎo)致在提取裂縫邊緣時產(chǎn)生較大的干擾，容易使得提取的裂縫邊緣具有較多的毛刺。Canny算子有較好的邊緣定位性能和抗噪性能，因此，可以采用Canny邊緣檢測方法來提取土遺址裂縫的邊緣信息。如圖3所示，Canny算子不僅能夠較為準(zhǔn)確地提取裂縫的邊界，同時還能夠平滑邊緣的毛刺，抑制了部分噪聲，使得提取的邊緣信息完整、連續(xù)。

圖3　土遺址裂縫及其Canny算子提取的裂縫邊緣

2)計算中心線的法線：在得到裂縫中心線之后，計算中心線上每點的法線。首先求出中心線上每一點的切線方向。中心線上的點有兩類，即兩個端點和線上其他點。

計算端點的切線方向：設(shè)P為中心線的一個端點，則其八鄰域中只有一個點。圖4(a)為端點P的八鄰域示意圖，N1為其八鄰域中的一個點，則端點P的切線方向等于線段PN1的切線方向，即KP=KPN1。

圖4　端點切線方向和線上點切線方向

1.3計算裂縫寬度

在求得法線之后，法線與裂縫左右邊界交點間的距離即裂縫的寬度。如圖5所示，取得中心線上任意一點O，AB為中心線上過O點的切線方向，求得過O點AB的法線與裂縫左右邊界交于D,C兩點，根據(jù)這兩點，利用歐氏距離

(1)

即可計算出裂縫的寬度。

圖5　裂縫寬度的計算

2　實驗與分析

圖6展示了三段具有不同特點的土遺址裂縫圖像、以及各裂縫圖像對應(yīng)的中心線和邊界圖像。如圖所示，土遺址裂縫形狀不規(guī)則，且裂縫的邊界處具有斑點噪聲。本文提出的算法利用形態(tài)學(xué)閉運算平滑了裂縫的邊界，使提取的裂縫中心線光滑連續(xù)；此外，利用Canny邊緣檢測算子對原始圖像進(jìn)行邊緣檢測以得到較為準(zhǔn)確的邊緣信息，為準(zhǔn)確計算裂縫寬度奠定基礎(chǔ)。圖7是提出裂縫寬度計算方法對三段裂縫進(jìn)行寬度計算的結(jié)果。

圖6　裂縫及其中心線

圖7　裂縫的寬度

利用傳統(tǒng)的基于數(shù)字圖像處理的左右邊界法求得的裂縫寬度與本算法求得的裂縫寬度進(jìn)行對比。如圖8所示，點O為裂縫中心線上任意一點，利用本文提出裂縫寬度計算方法計算出裂縫寬度為|AB|，而利用傳統(tǒng)的方法計算出的裂縫寬度為|AC|，通過觀察裂縫的形狀可知，雖然|AC|是最短的距離，但并不是裂縫的真實寬度。由于傳統(tǒng)的寬度計算方法是求邊界點間的最短距離，但是裂縫的形狀具有不規(guī)則性，因此這種方法的適用性較差，計算結(jié)果的準(zhǔn)確性較低。而本文方法是基于裂縫中心線方向進(jìn)行裂縫寬度的計算，該計算方法更合理，準(zhǔn)確率更高，并且適用性較強。

圖8　裂縫寬度計算對比試驗

3　結(jié)　論

本文基于裂縫中心線方向的土遺址裂縫寬度計算方法克服了傳統(tǒng)的機械測量方法的有損性缺陷，解決了傳統(tǒng)的基于最小距離的寬度計算方法不合理的問題。本文方法具有準(zhǔn)確性高，適用性強等特點，能夠很好地應(yīng)用于土遺址及其他建筑物裂縫寬度的計算。

[1]孫滿利,王旭東,李最雄.西北地區(qū)土遺址病害[J].蘭州大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,46(6):41-45.

[2]黨玲博,付立彬,劉立新.鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度計算研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2012,38(3):55-58.

[3]勞沃.混凝土橋梁裂縫的檢測方法與處理策略[J].商品與質(zhì)量:學(xué)術(shù)觀察,2012(2):109-109.

[4]Rosales M B,Filipich C P,Buezas F S.Crack detection in beam-like structures[J].Engineering Structures,2009,31(10):2257-2264.

[5]徐威,唐振民,呂建勇.基于圖像顯著性的路面裂縫檢測[J].中國圖象圖形學(xué)報,2013,16(1):69-77.

[6]郭全民,張海先.基于圖像處理技術(shù)的混凝土路面裂縫檢測方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(4):61-64.

[7]陳功醇,賈志絢.基于視覺傳感器的車道檢測算法[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(11):125-128.

[8]陳利華,董志學(xué).基于Android 的裂縫寬度檢測系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計,2013,34(9):3195-3199.

[9]葉貴如,周青松,林曉威.基于數(shù)字圖像處理的表面裂縫寬度測量[J].公路交通科技,2010,27(2):75-78.

[10] He K,Sun J,Tang X.Guided image filtering[C]∥IEEE Trans on Pattern Anal Mach Intell,2013，35(6):1397-1409.

許鵬飛，通訊作者，E—mail：pfxu@nwu. edu. cn。

Calculation method for crack width of Earthen sites via directions of crack centerlines*

LONG Yu, XU Peng-fei

(School of Information Science and Technology,Northwest University,Xi’an 710127,China)

There are a large number of Earthen sites which have great historical and scientific value,and are easily affected by cracks,but the exsiting calculation methods of crack width of the Earthen sites are mechanical measurements,which takes much time,energy and cost,even makes damage to the Earthen sites.Therefore,propose a calculation method of crack width of the Earthen sites via directions of the centerlines.Firstly,this method carry out de-noising and morphological processing on crack image.Then the centerlines of cracks are obtained by thinning.Finally,based on direction of each point in centerline,calculate the distances between the intersection points of its normal and left/right boundaries of the crack,and these distances are used as the crack widths.Experimental results demonstrate that this calculation method has high accuracy and commonality.

Earthen sites; crack; width calculation; skeleton; directions of centerlines

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0014—03

2016—01—13

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目(61502387)；陜西省教育廳專項科研計劃資助項目(15JK1748)；西北大學(xué)科學(xué)研究基金資助項目(14NW25，14NW27，14NW28)

TP 391

A

1000—9787(2016)09—0014—03

龍雨(1995-)，女，陜西漢中人，研究方向為數(shù)字圖像處理。