基于多尺度輸入圖像滲透模型的公路橋梁裂縫檢測(cè)

黃小紅

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

公路橋梁裂縫問(wèn)題成為影響交通事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)家及社會(huì)對(duì)公路行駛質(zhì)量及安全的要求較高，所以需要做好裂縫檢測(cè)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理問(wèn)題，確保道路安全不會(huì)受到影響。多尺度輸入圖像滲透模型相比于傳統(tǒng)的人工視覺檢測(cè)方法，其精準(zhǔn)度、效率更高，更能符合公路橋梁裂縫檢測(cè)的現(xiàn)代化要求。以某市公路橋梁為例，在對(duì)裂縫圖像進(jìn)行處理時(shí)，采用的軟件為VisualC++6.0語(yǔ)言編程程序，在檢測(cè)過(guò)程中，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 裂縫寬度的實(shí)驗(yàn)值與人工測(cè)量最值的比較結(jié)果表

1 多尺度圖像分析理論

圖像的光滑程度在不同的應(yīng)用背景中是不同的，圖像光滑變化有機(jī)組合在一起就可以形成尺度空間。多尺度分析就是這種不同程度的圖像變化方法，原始圖像嵌入到一個(gè)單參數(shù)導(dǎo)出圖像族中，在連續(xù)尺度上對(duì)圖像進(jìn)行分析，這樣就可以讓圖像(位于不同尺度層次)能夠滿足特定的關(guān)系，然后達(dá)到各類尺度層上信息綜合獲取的目的。圖像的多尺度分析是一種人類世界感知外界事物的過(guò)程[1]。為確保圖像分析的精準(zhǔn)性，需要利用計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)，提升圖像分析的精準(zhǔn)度。

2 基于多尺度輸入圖像滲透模型的公路橋梁裂縫檢測(cè)

對(duì)公路橋梁的裂縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，是通過(guò)圖像預(yù)處理、裂縫地圖生成及裂縫信息提取三個(gè)部分共同實(shí)現(xiàn)的。下面就對(duì)這三個(gè)部分進(jìn)行介紹。

2.1 圖像預(yù)處理

在對(duì)公路橋梁裂縫凸顯的直方圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，能發(fā)現(xiàn)一定規(guī)律。擬合裂縫圖像的直方圖，可以在函數(shù)權(quán)重的調(diào)整下實(shí)現(xiàn)，通過(guò)這樣的方式，裂縫圖像的對(duì)比度能增加，得到亮度圖，然后實(shí)施最佳閾值分割，這樣就可以得到濾除噪聲的待處理圖像S(x，y)。

2.2 裂縫地圖生成

裂縫地圖的生成是通過(guò)多尺度輸入圖形的滲透模型實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)卷積的方法對(duì)多尺度高斯函數(shù)G(x，y，σ)與圖像S(x，y)，不同尺度的輸入圖像Ii(x，y)可以由Si(x，y)-Si-1(x，y)輸入，不同尺度細(xì)節(jié)的裂縫地圖Ii(x，y)則可以使用滲透模型得到，這時(shí)的裂縫地圖為Bi(x，y)，對(duì)其進(jìn)行相加可以得到裂縫地圖B。

2.3 裂縫信息提取

需要對(duì)B中的灰度值為0的個(gè)數(shù)sum進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，裂縫面積=sum×像素的實(shí)際面積。先計(jì)算出裂縫地圖的梯度，再計(jì)算出裂縫長(zhǎng)度。同時(shí)需要對(duì)沿著梯度方向統(tǒng)計(jì)灰度值0的個(gè)數(shù)Qi，裂縫寬度=Qi×實(shí)際寬度[2]。

3 裂縫地圖的生成

裂縫地圖的生成過(guò)程，首先要輸入多尺度輸入圖像，再對(duì)空白圖像Bi與N×N待檢測(cè)窗口Ms進(jìn)行創(chuàng)建，具體如圖1所示。

圖1 裂縫地圖檢測(cè)流程圖

3.1 多尺度輸入圖像

3.2 滲透模型

為將不同尺度裂縫的細(xì)節(jié)信息在結(jié)果圖像中保留，滲透模型算法是建立在多尺度輸入基礎(chǔ)上的，在對(duì)不同尺度細(xì)節(jié)信息的裂縫地圖進(jìn)行處理時(shí)，就是使用的滲透模型[3]。合并上一層產(chǎn)生的裂縫地圖，得到最終的裂縫地圖，在地圖中包含各類重要細(xì)節(jié)信息。原來(lái)單一的尺度輸入圖像被多尺度輸入所代替。多尺度輸入圖像滲透模型在得到裂縫地圖時(shí)，需做好下面幾項(xiàng)工作：

輸入圖像為Ii，創(chuàng)建空白圖像Bi，Bi的大小與Ii的大小相同，選擇待檢測(cè)窗口Ms，窗口大小為N×N→滲透的種子點(diǎn)為P點(diǎn)，將閾值設(shè)為T。這時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在已經(jīng)滲透的像素集Dp中包含了種子點(diǎn)P，待滲透像素集De為Dp周圍的8鄰域像素。Dp包含于T的像素點(diǎn)，為便于理解，可以通過(guò)圖形的形式進(jìn)行分析，具體形式如下頁(yè)圖2所示，需要限制閾值T的最大值，這樣才能確保在滲透過(guò)程中，最大值會(huì)擴(kuò)展到非裂縫區(qū)域。最大值為Tmax，這個(gè)最大閾值是最好的亮度值。在De中當(dāng)閾值T的值都大于灰度值時(shí)，且Tmax要比T大，在Dp中包含代滲透像素集中亮度最低的點(diǎn)，然后可以對(duì)閾值T更新，可以得到：Tmax=(maxp∈Dp(Ii(P)，T)，在已滲透像素集Dp的擴(kuò)充期間，在待滲透像素集De中包含滲透區(qū)域鄰接的新像素點(diǎn)。滲透的停止時(shí)間一般為Ms的邊界像素被滲透后，擴(kuò)大Ms的大小，將N擴(kuò)大為N+2，但是需要注意的是，擴(kuò)大之后的裂縫圖像不能超過(guò)PS。在計(jì)算窗口中有一部分已經(jīng)滲透過(guò)，還有一個(gè)圓的相似率，下一個(gè)尺度的裂縫地圖Bi+1可以讓尺度i←i+1。最終形成裂縫地圖B需要通過(guò)迭代技術(shù)滲透，并能將全部尺度的裂縫地圖進(jìn)行合并[4]，如圖2所示。

圖2 滲透過(guò)程示意圖

3.3 提取裂縫信息

公路橋梁裂縫檢測(cè)對(duì)于公路的安全影響會(huì)產(chǎn)生極大影響，所以需要在檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)裂縫面積、寬度等數(shù)據(jù)，為是否進(jìn)行裂縫檢修提供參考。在考察過(guò)程中，裂縫最大寬度是十分重要的數(shù)據(jù)信息，一般情況下要求最大裂縫寬度需控制在0.20 mm以內(nèi)[5]。

在對(duì)裂縫信息進(jìn)行提取過(guò)程中，為保證對(duì)裂縫檢測(cè)的效果，要做好下面幾項(xiàng)工作：

(1)裂縫面積。裂縫面積對(duì)于裂縫圖像來(lái)說(shuō)，是指在裂縫地圖中全部灰度值為0的像素所表示的實(shí)際總面積。在地圖B中，灰度值為0的總個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，總個(gè)數(shù)為sum，可以計(jì)算得出裂縫的實(shí)際面積：S=sum×S0，在該公式中，S0是實(shí)際面積。

(2)梯度計(jì)算。梯度計(jì)算的難度相對(duì)較大，需要求出每個(gè)像素位置的計(jì)算偏導(dǎo)數(shù)。

(3)裂縫長(zhǎng)度。裂縫長(zhǎng)度=裂縫邊緣像素的總長(zhǎng)度/2。

(4)最大寬度。垂直于邊緣向上的全部灰度值為0的像素的實(shí)際寬度，這就是最大寬度，為所有寬度的最大值。梯度的方向與邊緣的方向垂直，最終可以計(jì)算出最大寬度對(duì)應(yīng)的灰度值為0的個(gè)數(shù)為：Qmax=max{Q0，Q1，…，Qn}，在該公式中，Qi為邊緣上的像素點(diǎn)沿著梯度方向上的灰度值為0的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)、最大寬度。然后可以通過(guò)計(jì)算，得到裂縫的最大寬度：D=Qmax×d0，在該公式中，d0為每個(gè)像素的實(shí)際寬度[6]。

在本案例中，可以得到不同尺度裂縫地圖(見圖3、圖4)，主要的裂縫包含于尺度為1的裂縫中。重要信息細(xì)節(jié)包含于尺度2、3的裂縫地圖中。合并的結(jié)果見圖3(e)。在該方法應(yīng)用下，能對(duì)不同層次的細(xì)節(jié)信息進(jìn)行提取，對(duì)裂縫檢測(cè)期間，應(yīng)注意對(duì)圖像不同尺度細(xì)節(jié)信息的問(wèn)題進(jìn)行有效解決，這樣可以確保檢測(cè)的精細(xì)化與可靠性。

圖3 對(duì)尺度裂縫地圖1示意圖

圖4 對(duì)尺度裂縫地圖2示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

公路橋梁裂縫是影響公路安全的主要因素，嚴(yán)重阻礙我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。利用多尺度輸入圖像滲透模型對(duì)裂縫進(jìn)行有效檢測(cè)，可以提升檢測(cè)的精準(zhǔn)度，為公路檢修提供可靠支持。未來(lái)依然需要加強(qiáng)這方面的理論與實(shí)踐研究，為公路橋梁的可靠檢測(cè)提供支持。