水中結構物表面缺陷攝像檢測與識別技術

鐘永元

摘 要：文章介紹了水中機器視覺檢測常用方法，分析比較了表面缺陷攝像檢測中雙目視方法的特點及不足，提出了單目視輔以定位射線的檢測方法方法，結合工程實際，對現有的雙目視方法的檢測裝置進行了改進，提高了其工作穩定性和工作效果。

關鍵詞：雙目視覺 水下檢測 攝像檢測

1.引言

水中結構物表面缺陷的幾何特征識別，關系到水中結構物的狀態評估、維修加固設計等方面。我國東南沿海省份有多條高速公路處于江河入?？诟浇饔颉Ｊ艹Ｄ贻^大潮差水流的影響，橋梁水中結構物部分可能存在病害，為及時掌握橋梁水中結構物的狀況，亟需采取有效方法對水中結構物進行快速、有效檢測。

2.水中橋梁樁基病害類型

我國現有橋梁水中結構物多數為混凝土結構。水中結構物病害調查結果表明，橋梁水中混凝土材質基礎的主要病害形式為混凝土開裂、剝落、表面缺損（蜂窩麻面等）、沖蝕等表觀病害，以及鋼筋銹脹等材料性質變化引起的病害。根據調查資料，水中橋梁樁基病害類型主要有以下幾種：

（1）施工質量缺陷。主要有混凝土表觀質量差等。施工質量缺陷易導致混凝土質量差而形成沖蝕和鋼筋的銹蝕等病害。

（2）鋼筋銹蝕。主要表現為銹斑、銹脹。位于沖刷區域的樁身段，鋼筋銹蝕后由于水流作用混凝土迅速脫落，形成鋼筋外露。

（3）混凝土沖蝕。長期受水流、漂浮物等的沖刷磨損，混凝土逐漸被消磨，造成混凝護層變薄。

水中結構物位于水下，發生病害后不易觀測。因此需要針對不同病害類型，采用適宜的檢測方法，以保證及時有效地對水中結構物進行檢測。目前，水中結構物表面缺陷的幾何特征的獲取還是以目視或攝像的方式為主，主要包括潛水員摸測和目測、靜水攝像、遙控電視和動態攝像等。

3.雙目視覺檢測概述

計算機視覺的研究目標是使計算機具有通過二維圖像認知三維環境信息的能力。立體視覺（Stereo Vision）是計算機被動測距方法中最重要的距離感知技術，而在實際應用中，雙目視覺是應用較多的檢測方式，現有的基于機器視覺的水下結構物檢測技術研究均采用雙目視覺法。雙目立體視覺系統主要是基于三角法原理進行測量的，即兩個攝像機的圖像平面和被測物體之間構成一個三角形。已知兩攝像機之間的位置關系，便可測量兩攝像機公共視場內物體的三維尺寸及空間物體特征點的三維坐標。

4.雙目視覺檢測原理

典型的雙目傳感器基于立體視差原理進行測量，如圖1所示為簡單的平視雙目成像原理圖。

具體方法如下：

交叉擺放兩個攝像機，從不同角度觀測同一被測物體，只要能從不同位置或角度獲取同一特征點的圖像坐標，都可以由雙目立體視覺測量的原理求取三維空間坐標。

首先要確定單個攝像機的視角，然后針對工程應用的實際情況，設計兩個攝像機之間的基線距離與夾角，以獲取最佳的公共視場。為獲得實際檢測中CCD相機的視角，使CCD相機與一平面垂直。根據實際的攝像機能抵近結構物表面的距離，設置CCD相機與平面的距離，并且讓CCD相機的光軸指向平面上的十字中心，根據圖像中的所能拍攝到的標尺的距離，則可計算出CCD相機在水平方向和豎直方向上的視角。

由三角關系可以計算出CCD攝像機的水平視角和豎直視角。根據兩個攝像機的基線距離、攝像機與基線的夾角和攝像機的視角，則可以計算出雙目立體視覺傳感器的公共視場。但在實際應用中，雙目視覺法需要采用多臺或多組攝像機進行拍攝，存在需要設備較多、應用不便的問題。為此，也可考慮采用單目視覺法輔以定位射線的方法進行檢測。

5.單目視覺檢測輔以定位射線的檢測方法

在實際工作中，如果需要將兩個攝像機同時置入水中進行檢測，將增加潛水員或水下機器人的負載，不便于操作。而傳統的僅采用單一攝像頭的方式，又存在不便于識別幾何特征的缺點。為此，可采用以下方法進行解決：

在單攝像頭外徑兩端各安裝一個激光發射裝置，其發射的射線均與攝像機的視覺軸線平行。檢測時，將激光發射裝置開啟，在被檢物表面形成靶點，且靶點均在攝像機的視場范圍內，將靶點與周邊物體一起攝錄。

分析時，可在計算機屏幕上讀取兩靶點的像素數量，記為A，根據兩激光發射裝置的間距B，可得到比例系數C=B/A。在讀取表觀病害，如裂縫，確定其兩端點之間的像素數量D，再乘以C，即可得裂縫兩端點的距離。

對于剝落等缺陷，則可先確定其分布區域的端點，在根據上述方法確定兩兩端點之間的間距，進而可算得剝落等面積。

從上述分析可見，采用單攝像頭法時，可測得表觀缺陷的二維幾何特征。而現有的雙目視法研究成果表明，雙目視法不僅可測得表觀缺陷的二維幾何特征，還可測得其三維幾何特征（如裂縫深度，缺陷深度等）。

因此，在實際工作中，應根據檢測需求和工作條件，合理采用視覺檢測方法。

6.雙目視覺檢測裝置的改進

在現有的研究中，雖然研發了雙目視覺的檢測裝置，但仍存在以下問題：圖像獲取的清晰度不高；工作穩定性不佳。

造成這種現象的原因如下：

（1）圖像獲取的清晰度不高的成因。經分析，原有研究中的水下攝像裝置采用封閉式框架，攝像機直接浸沒于原狀水體中。由于攝像機距被檢物表面存在一定距離，當原狀水體較為渾濁時，攝像機即被渾濁水體阻隔而無法攝錄。

（2）工作穩定性不佳的成因。經分析，原有研究中的水下攝像裝置采用無動力的框架，僅在框架上端設置扶手。當框架置于水中時，框架受水流沖擊，導致扶手變形，從而引起框架擺動等，導致框架不穩定，影響攝錄。

為解決這些問題，對原有框架進行了改進，具體如下：

（1）圖像獲取的清晰度的改進。為使攝像頭獲取清晰度高的照片，將框架改進為封閉式框架?？蚣軆炔渴孪茸M清水。框架同時加裝輔助推進裝置，使框架外壁能緊貼被檢物表面。這樣使攝像機可在較為透明的環境中工作，從而可以獲取清晰度高的圖像。

（2）工作穩定性不佳的改進。在原裝置的基礎上，在裝置側壁安裝有多個推進裝置。形成帶推進裝置的新型封閉框架。由水下攝像機裝載框架、框架扶桿等構成?？蚣芊鰲U為空心桿件，水下攝像機的電源線等通過扶桿內的空腔延展到操作平臺。

使用時，將待檢測的水中結構物表面分成若干豎向檢測條帶。條帶寬度稍小于攝像機的攝像視場寬度。沿檢測條帶中心線位置下方框架。

作業時，操作人員手握扶桿，根據扶桿受水流沖擊的變形，調節不同推進裝置的推進方向和功率，使扶桿基本保持豎直狀態。在這種狀態下，徐徐下方扶桿，即可帶動框架下沉，并進行檢測條帶內的攝錄。

圖2為該裝置在贛江南昌段水中結構物檢測的圖像?？梢?，采用上述裝置拍攝的照片清晰，水中結構物表觀情況層次分明，說明該裝置在水中穩定性較好。贛江是我國內陸較大的河流，其水流流速等在我國內陸河流具有一定代表性，因此該裝置可在我國多數河流中使用。

7.結束語

綜上所述，文章結合橋梁水中結構物的特點，介紹了可用的攝像檢測方法并進行了適宜性分析，結合工程現狀，改進了現有檢測裝置，提高其工作性能，可為工程實際應用提供參考。

參考文獻：

[1]馬頌德，張正友.計算機視覺—計算理論與算法基礎[M].北京：科學出版社，1998.

[2]陳勛.水下結構表觀缺陷檢測技術及系統集成研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

[3]蔣安之，程志虎.第二專題 水下目視檢測技術——（二）水下攝影與電視攝象技術[J].無損檢測，1998（01）：20-23.