基于灰度圖像的銹蝕拉索狀況評定方法研究

姚國文，陳雪松，鐘 力

(1. 重慶交通大學 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶400074；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶400074；3.重慶市萬州區(qū)城建工程管理處，重慶404100)

基于灰度圖像的銹蝕拉索狀況評定方法研究

姚國文1,2，陳雪松2，鐘 力3

(1. 重慶交通大學 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地，重慶400074；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶400074；3.重慶市萬州區(qū)城建工程管理處，重慶404100)

對于評定斜拉橋銹蝕拉索的技術狀況，目前缺乏一種定量化的技術標準。針對不同銹蝕程度的平行鋼絲拉索，提出了基于表層圖像灰度分析的定量化技術狀況評定方法，并應用MATLAB軟件，對V級鋼絲圖像進行灰度分析，建立了銹蝕鋼絲的灰度及銹蝕比評定標準。該評定標準為斜拉橋銹蝕拉索的技術狀況評定提供了依據(jù)。

橋梁工程;銹蝕拉索；灰度分析；銹蝕等級；評定方法

鋼絲的銹蝕是影響拉索壽命的主要因素之一，為此，國內(nèi)外專家做了大量關于拉索腐蝕的試驗與研究。由于試驗的環(huán)境以及條件不同，鋼絲在腐蝕的過程中會經(jīng)歷幾個階段的損傷演化。

以往國內(nèi)對鋼絲銹蝕的等級是根據(jù)JTGT H21-2011《公路橋梁技術狀況評定標準》中對拉索腐蝕程度的V級定性描述來確定的。根據(jù)該描述，通過加速鹽霧試驗，得到不同銹蝕程度的鋼絲，將試驗結(jié)果對應規(guī)范分為Ⅴ級，制定各級腐蝕對應的腐蝕圖例。并應用MATLAB軟件，對各級腐蝕后的圖片進行灰度分析和銹蝕比的統(tǒng)計，制定基于表層圖像分析的銹蝕拉索技術狀況評定方法的標準，給出基于表層圖像分析銹蝕鋼絲的評定流程。

1 灰度圖像處理

1.1 制定腐蝕圖例

為給評定鋼絲銹蝕損傷程度的研究提供材料基礎，需通過酸性鹽霧環(huán)境對常用強度級別為1 860 MPa，屈服強度1 660 MPa，直徑φ5.2 mm的鍍鋅高強度鋼絲進行加速腐蝕試驗[1]，來制作不同腐蝕等級的鍍鋅鋼絲樣本。

試驗分批對鋼絲進行不同時間的腐蝕，并根據(jù)規(guī)范對鋼絲腐蝕等級的定性描述，制定如下Ⅴ級標識圖例(圖1)[2-3]。

圖1 銹蝕鋼絲5級圖例Fig.1 Corrosion cable V-grade legend

1.2 處理方法

灰度圖像(gray image)是每個像素只有一個采樣顏色的圖像，這種圖像可以將最暗黑色到最亮的白色的灰度顯示出來，理論上這是一種可以通過不同深淺表示任何顏色，甚至不同亮度的圖像[4]。

應用MATLAB軟件，對Ⅰ～Ⅴ級腐蝕后的鋼絲做灰度分析[5-6]。取單根鋼絲為分析對象，分析前先對圖像進行消噪預處理，再將鋼絲以外的背景部分用Photoshop處理為白色。通過灰白直方圖來分析各級鋼絲的銹蝕程度，并以直方圖中的灰度級的分布情況，來說明圖像灰度分布的圖形，并分析鋼絲銹蝕狀況。直方圖的每一個分支表示對應灰度級出現(xiàn)的頻數(shù)(處于該灰度級的像素的數(shù)目)間的統(tǒng)計關系，用橫坐標表示灰度級，縱坐標表示灰度頻數(shù)(或相對頻數(shù)=頻數(shù)/總像素數(shù)目)[7]。

2 各級鋼絲灰度分析

2.1 銹蝕比

對已被銹蝕的鋼絲的銹蝕程度進行量化處理，即計算鋼絲的銹蝕比，它反映了一根鋼絲銹蝕面在整根鋼絲中所占的比例。在Photoshop軟件中，打開已轉(zhuǎn)化為灰度圖像的某級單根鋼絲，選擇魔棒工具并將容差定為50[2]，選擇銹蝕顏色區(qū)域，讀出該區(qū)域的像素，其與整跟鋼絲圖像像素的比值即為銹蝕比[8]。每級鋼絲取4根，計算Ⅱ～Ⅴ級鋼絲的銹蝕比。

2.2 灰度分析

通過對銹蝕鋼絲灰度圖像的分析，得到如下Ⅰ～Ⅴ級鋼絲的銹蝕比如表1～表5，并應用MATLAB，得到橫坐標表示灰度級，縱坐標表示頻數(shù)(或相對頻數(shù)=頻數(shù)/總像素數(shù)目)的灰度直方圖如圖2～圖6。

表1 I級鋼絲灰度分析及銹蝕比Table 1 I-grade cable gray scale analysis and corrosion ratio

如圖2，通過Ⅰ級鋼絲灰白直方圖，可以看出鋼絲灰度范圍集中，標準差小，符合實際情況下無銹蝕鋼絲的表層圖像?？梢源俗鳛棰颉跫変摻z灰白直方圖的比對對象。

圖2 Ⅰ級鋼絲灰白直方圖Fig.2 Ⅰ-grade cable gray histogram表2 Ⅱ級鋼絲灰度分析及銹蝕比Table 2 Ⅱ-grade cable gray scale analysis and corrosion ratio

腐蝕等級原圖灰度圖像灰度均值b灰度標準差s銹蝕比k/%Ⅱ級168.8842.8110168.1837.210173.0343.4916160.1541.235

如圖3，Ⅱ級鋼絲的灰度直方圖與Ⅰ級鋼絲相比，由于此時鋼絲上存在部分白銹，導致直方圖灰度級范圍擴大，標準差明顯增大，且灰度峰值出現(xiàn)在灰度級較大區(qū)域。

圖3 Ⅱ級鋼絲灰白直方圖Fig.3 Ⅱ-grade cable gray histogram表3 Ⅲ級鋼絲灰度分析及銹蝕比Table 3 Ⅲ-grade cable gray scale analysis and corrosion ratio

腐蝕等級原圖灰度圖像灰度均值b灰度標準差s銹蝕比k/%Ⅲ級157.4354.1125158.5660.6027118.1051.3729194.9248.4721

如圖4，對于Ⅲ級鋼絲，由于腐蝕范圍逐漸擴大，表面鍍鋅層已被腐蝕，鋼絲內(nèi)部腐蝕介質(zhì)的進入導致出現(xiàn)銹蝕，此時直方圖灰度范圍持續(xù)擴大，且各灰度級分布均勻。

圖4 Ⅲ級鋼絲灰白直方圖Fig.4 Ⅲ-grade cable gray histogram表4 Ⅳ級鋼絲灰度分析及銹蝕比Table 4 Ⅳ-grade cable gray scale analysis and corrosion ratio

腐蝕等級原圖灰度圖像灰度均值b灰度標準差s銹蝕比k/%Ⅳ級133.4553.8848124.4956.4249120.0856.0251116.0152.6651

如圖5，根據(jù)Ⅳ級鋼絲灰度直方圖，可以看出此時灰度峰值出現(xiàn)在灰度級50～100范圍內(nèi)，離散有減小趨勢，但各級灰度值都還有所分布。

圖5 Ⅳ級鋼絲灰白直方圖Fig.5 Ⅳ-grade cable gray histogram表5 Ⅴ級鋼絲灰度分析及銹蝕比Table 5 Ⅴ-grade cable gray scale analysis and corrosion ratio

腐蝕等級原圖灰度圖像灰度均值b灰度標準差s銹蝕比k/%V級115.1737.468798.0748.897586.4146.688066.9342.9283

如圖6，此級別鋼絲灰度集中，相較Ⅰ級鋼絲而言，兩者灰度直方圖形狀相似。此時鋼絲全面銹蝕，灰度級集中于50～100范圍，是各級鋼絲中灰度值最小的。

圖6 Ⅴ級鋼絲灰白直方圖Fig.6 Ⅴ-grade cable gray histogram

2.3 基于灰度圖像的評定標準

根據(jù)樣本鋼絲灰度分析的結(jié)果，將其灰度均值和灰度標準差定為變量，得到樣本中各級鋼絲的分級圖，如圖7。

圖7 銹蝕灰度圖像分級Fig.7 Grade of corrosion cable in gray image

從各級銹蝕比看出，隨著腐蝕程度加深，銹蝕比增加顯著，各級差異較大，但離散性小。根據(jù)表1～表5，試驗所得鋼絲在灰度分析后的銹蝕比，對各級鋼絲進行定量化描述，結(jié)果見表6。

表6 試驗所得V級鋼絲銹蝕比Table 6 The corrosion ratio of V-grad cable in experiment

3 結(jié) 語

對于I級鋼絲，由于規(guī)范定義為鋼絲完好，沒有任何形式的銹蝕，其灰度范圍必然較為集中，離散型差，故灰度標準差是5個級別中最小的；從灰白直方圖可以看出，Ⅱ級鋼絲的峰值較集中，此時存在大量白銹，故其灰度值是最大的；對于Ⅲ級鋼絲，此時的鋼絲鍍鋅層已被銹蝕，部分腐蝕介質(zhì)進入鋼絲內(nèi)部，導致鐵銹與白銹同時存在，故該級鋼絲的灰度值離散型大，分布較均勻；對于Ⅳ級鋼絲，此時鋼絲表面已覆蓋大量銹蝕痕跡，灰度值明顯減小，但部分白銹的存在，使該級鋼絲離散型偏大；對于V級鋼絲，由于鋼絲幾乎全部銹蝕，從灰白直方圖可見，大部分的灰度值都位于50～100范圍內(nèi)，故該級鋼絲的灰度值是V級中最小的。

就灰白直方圖來說，前3級直方圖上數(shù)據(jù)形狀的重心普遍靠后，而第Ⅳ級和Ⅴ級的重心普遍靠前。從各級鋼絲灰白直方圖整體變化規(guī)律來看，灰度峰值首先集中于100～150范圍；當白銹的出現(xiàn)，導致峰值向150～200范圍移動；當鍍鋅層被腐蝕鋼絲內(nèi)部暴露，致使紅銹出現(xiàn)灰度離散逐漸擴大，此時各級灰度分布均勻；隨著銹蝕的深入，鋼絲全面銹蝕，灰度峰值最終向50～100范圍移動。

在對腐蝕鋼絲進行圖像灰度分析時，需對灰度值、灰度標準差、銹蝕比以及灰白直方圖幾者綜合起來分析，且當分析對象為單根鋼絲時，結(jié)果最為準確。對于自然環(huán)境下的腐蝕拉索，還需根據(jù)圖像灰度分析結(jié)果，適當調(diào)整標準界限值。另外拉索銹蝕狀況還與銹蝕深度有關，后續(xù)研究可以與磁通量測試銹蝕進行對比分析。

[1] 徐俊，陳惟珍，劉學. 斜拉索退化機理及鋼絲力學模型[J].同濟大學學報(自然科學版),2008,36(7):911-915. XU Jun，CHEN Weizhen，LIU Xue. Deterioration mechanism of cables and mechanics model of wire[J].JournalofTongjiUniversity(NaturalScience),2008,36(7):911-915.

[2] 鐘力. 斜拉索腐蝕損傷與安全性能評定方法研究[D]. 重慶：重慶交通大學，2013. ZHONG Li.DamageandSafetyPerformanceEvaluationoftheCable-StayedCorrosion[D]. Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2013.

[3] 葉覺明，鐘建馳.橋梁纜索系統(tǒng)的腐蝕與防護[J].鋼結(jié)構(gòu)，2005，2(20)：85-89. YE Jueming,ZHONG Jianchi.Corrosion and protection of beidge cable systens[J].SteelConstruction,2005,2(20):85-89.

[4] 賀付亮. 基于圖像識別的橋梁拉索表面缺陷檢測系統(tǒng)設計[D].重慶：重慶大學, 2006. HE Fuliang.TheDetectionSystemforBridgeCableSurfaceDamageBasedonImageRecognition[D].Chongqing：Chongqing University,2006.

[5] 包宋建，許艷英，陳帥華，等. MATLAB語言在數(shù)字圖像處理中的應用[J].工業(yè)控制計算機,2011(6):37-39. BAO Songjian，XU Yanying，CHEN Shuaihua，et al.Application of MATLAB in digital image processing[J].IndustrialControlComputer,2011(6):37-39.

[6] 劉益新，郭依正.灰度值方圖特征提取Matlab實現(xiàn)[J].電腦知識與技術,2009(32):32-34. LIU Yixin,GUO Yizheng.Gray-scale histograns feature extraction using matlab[J].ComputerKnowledgeandTechnology,2009(32):32-34.

[7] 尚鑫，徐岳. 基于灰色理論的斜拉橋拉索安全性評價[J].長安大學學報(自然科學版),2004,24(1):52-55. SHANG Xin，XU Yue. Safety based cables condition evaluation of cable stayed bridge with grey theory[J].JournalofChang’anUniversity(NaturalScienceEdition),2004,24(1):52-55.

[8] 伊文博.圖像處理技術在表征腐蝕鋼結(jié)構(gòu)表面特征中的應用[D].西安：西安建筑科技大學,2011. YI Wenbo.ImageProcessingTechnologyintheCharacterizationofSurfaceFeaturesofCorrosionofSteel[D].Xi’an:Xi’an University of Architecture and Technology,2011.

Study on Corroded Cable Evaluation Based on Gray Image Analysis

YAO Guowen1,2，CHEN Xuesong2，ZHONG Li3

(1. State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering ,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P.R.China; 2.School of Civil Engineering ,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P.R.China;3.Management Department of Urban Construction of Wanzhou District , Chongqing 404100,P.R.China)

Currently a quantitative technical standard is in short to assess the technical conditions of corroded stays of cable-stayed bridge.For the purpose of the different corrosion degree of parallel cables a quantitative evaluation method based on surface image gray scale was provided to analyze the condition of corrosion cables and MATLAB software was applied to analyze gray scale of V-grade steel and finally a criteria for gray scale and corrosion ratio evaluation of rusty cables was created. This given criteria provides a basis for the assessment of technical condition assessment of corrosion cable in cable-stayed bridge.

bridge engineering;corrosion cable；gray scale analysis；corrosion degree；evaluation method

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.03

2014-11-20；

2015-03-15

國家自然科學基金項目(51478071)；交通運輸部建設科技項目( 2015318814190)；重慶市基礎與前沿研究計劃重點項目(cstc2015jcyjBX0022)

姚國文(1974—)，男，山東濰坊人，教授，博士后，主要從事橋梁損傷機理、橋梁檢測與加固技術方面的研究。E-mail：yaoguowen@sina.com。

U446.1

A

1674-0696(2016)04-010-03