隧道檢測裂縫的圖像處理分析

張南

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司 江蘇南京 210000）

在實踐工作中經(jīng)常出現(xiàn)襯砌表面災(zāi)害，根本原因是檢測技術(shù)不先進(jìn)，其只能滿足低等級的公路建設(shè)，為了解決這一問題，下面就引入了當(dāng)前比較先進(jìn)的檢測技術(shù)，先分析使用的硬件設(shè)備和檢測原理，最終分析了檢測方法。

1 隧道檢測裂縫的圖像處理原理

1.1 分析硬件的構(gòu)成情況

對于硬件檢測系統(tǒng)，為了發(fā)揮其實際作用，將其設(shè)計為車載結(jié)構(gòu)，讓其以一定的速度在隧道中運行，使用高精度線陣電荷耦合器件相機(jī)就可以對表面的裂縫進(jìn)行采集。CCD相機(jī)使用光學(xué)系統(tǒng)，把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號，動態(tài)范圍高，分辨率高，靈敏度高等，因此受到一線人員的青睞。其還包括很多配件，例如有編碼器，為了確保相機(jī)采集速度和車速一致，使用編碼器進(jìn)行車速的測試，利用車速對相機(jī)的采樣速度進(jìn)行協(xié)調(diào)，這一措施可以避免圖像發(fā)生變形，確保采集數(shù)據(jù)和實際裂縫尺寸一致。對于圖像采集卡而言，利用CCD相機(jī)得到視頻信號，將其輸入并存儲到圖像采集卡中，可以對圖像實施A/D轉(zhuǎn)換。對于照明系統(tǒng)而言，為了CCD相機(jī)的低光敏性，可以選用功率大的照明裝置，要求光源具有高頻穩(wěn)定性，最終技術(shù)人員選擇使用LED條形光源。

2 分析工作原理

使用CCD相機(jī)掃描隧道表面，通過掃描就可以得到裂縫圖像，利用采集卡和硬盤對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時保存，在技術(shù)上使用了磁盤陣列技術(shù)，因此實際工作中對大數(shù)據(jù)量高分辨率圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲時不會出現(xiàn)丟幀、堵塞等問題。最后選用計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行離線、在線處理，最終得到準(zhǔn)確的裂縫信息。

3 研究圖形具體處理的算法

3.1 分析處理圖像的特點

對于圖像處理而言，就是把圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字矩陣，將其存儲到計算機(jī)中，同時使用相應(yīng)的算法對其進(jìn)行細(xì)致的處理。在處理中技術(shù)人員要使用高速CCD相機(jī)，對裂縫中的圖像進(jìn)行采集，這類圖像包括兩類。①襯砌表面的裂縫，也就是主要識別的目標(biāo)。②狀況良好的襯砌表面，也就是圖像的背景。但是具體采集時影響因素較多，導(dǎo)致采集得到的圖像中夾雜著大量的噪聲，導(dǎo)致對圖形的處理難度增大。結(jié)合相關(guān)工作經(jīng)驗，總結(jié)出圖像處理工作有以下幾個特點：隧道襯砌表面的紋理不均勻，使用混凝土材料導(dǎo)致其自身不均勻，因此采集的背景圖像顏色方面有很大的變化，裂縫圖像的顏色出現(xiàn)較大的變化。當(dāng)裂縫中的顏色和背景顏色接近，就會對裂縫顏色產(chǎn)生很大的影響?？偠灾?，一般的裂縫圖像會比背景顏色略暗，但是在隧道表面存在深色污染物，導(dǎo)致裂縫背景和灰度顏色重疊。代表目標(biāo)裂縫的實際像素背景像素。采集到的隧道表面信息量很大，但是裂縫信息量很小，導(dǎo)致截取圖像信息存在一定的難度，如果處理不當(dāng)計算速度下降[1]。

3.2 有效增強(qiáng)裂縫圖像的強(qiáng)度

對于數(shù)字圖像處理技術(shù)而言，圖像增強(qiáng)是非常有效的方式，其可以進(jìn)行圖像的采集和傳輸，但是這些過程導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，影響計算機(jī)后續(xù)的識別和分析。針對這一情況，技術(shù)人員采用高速CCD相繼對襯砌表面采集的圖像進(jìn)行處理，對原始圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，降低大量噪聲污染的影響，將產(chǎn)生的不利影響進(jìn)行校正，對噪音進(jìn)行平滑處理，為以后的檢測提供幫助。通過改進(jìn)的直方圖灰度拉伸法將增強(qiáng)對比度，這一方法對傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，除此之外，還可以對圖像進(jìn)行四臨域平均平滑十次和拉普拉斯銳化一次，這一步操作要重復(fù)五次。工作人員可以對圖像進(jìn)行圖像拉伸處理，再和之前的進(jìn)行對比，檢測增強(qiáng)效果，為了確保圖像不會失真，如果使用單一算法達(dá)不到要求，技術(shù)人員要有針對性的進(jìn)行處理，融合不同的處理技術(shù)，這些措施可以達(dá)到良好的效果，雖然細(xì)節(jié)有所損失，但是有效解決了噪音的影響。

3.3 對裂縫圖像進(jìn)行分割處理

對于圖像分割而言，就是遵循均勻性原則，將一個圖像分成不同個有意義的部分，讓某個部分都符合某一種一致性的要求，對于任意兩個相鄰的部分而言，將其進(jìn)行合并之后將會對這種一致性進(jìn)行破壞。對于裂縫圖像只對圖像中裂縫進(jìn)行分析，圖像分割就是對裂縫邊界區(qū)域進(jìn)行分割，這樣就可以提取得到裂縫目標(biāo)。具體的圖像分割算法包括區(qū)域生長分割技術(shù)、閥值分割技術(shù)、邊緣檢測技術(shù)等，當(dāng)前閥值分割技術(shù)使用范圍最廣。對于閥值T而言，可以對圖像的直方圖進(jìn)行分析，有效確定具體數(shù)值，當(dāng)一個圖像只包括背景和目標(biāo)兩部分，那么其直方圖就是典型的雙峰圖，進(jìn)行選擇分析中可以選擇兩峰中間的最低點，將這一位置的灰度值作為分割閥值[2]，針對裂縫襯砌圖像而言，其比較復(fù)雜，制作的直方圖都是單峰形狀的，或者將其連成一片，如果只依靠直方圖選擇最佳的閥值非常困難。為了有效解決這一難度，技術(shù)人員參考了其他人員的研究成果，可以選用兩種閥值分割算法對裂縫圖像進(jìn)行處理，將得到的結(jié)果進(jìn)行對比分析，這樣就能達(dá)到理想的效果。通過實踐工作分析發(fā)現(xiàn)，兩種算法都可以很好的區(qū)分出背景和裂縫，如果使用最大類間方差法對圖像進(jìn)行分割處理之后，裂縫信息將會有一部分丟失，裂縫存在斷開問題，但是對其他的噪音達(dá)到了很好的抑制效果，二值化圖像沒有其他多余的信息，對于迭代剪枝法而言，可以有效將縫隙的細(xì)節(jié)進(jìn)行保存，但是在圖像中仍然存在多余的噪聲，不利于以后對裂縫信息的提取[3]。

4 總結(jié)

通過以上對隧道檢測裂縫的圖像處理分析，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行圖像分割時，使用最大類間方差法和迭代剪枝法處理后，可以得到很好的二值圖像，但是這兩種方法各具特點，相關(guān)技術(shù)人員要結(jié)合工作需求，科學(xué)進(jìn)行選擇，確保達(dá)到理想的作用效果。

[1]劉曉瑞，謝雄耀.基于圖像處理的隧道表面裂縫快速檢測技術(shù)研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2009，5（s2）：1624～1628.

[2]劉曉瑞，謝雄耀.基于圖像處理的隧道表面裂縫快速檢測技術(shù)研究[C].上海市土木工程學(xué)會，上海市力學(xué)學(xué)會巖土力學(xué)與工程學(xué)術(shù)年會，2009.112～113.

[3]王華夏，漆泰岳，王睿.高速鐵路隧道襯砌裂縫自動化檢測硬件系統(tǒng)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013（10）：97～102.