混凝土梁橋裂縫可視化檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案

常 丁，黨李濤

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

橋梁在投入使用后會(huì)都受到各種外部荷載或材料老化的影響，這些都會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成損傷。橋梁損傷如果沒(méi)有及時(shí)得到檢測(cè)和修復(fù)，就會(huì)形成結(jié)構(gòu)病害，極大地威脅著過(guò)往的車(chē)輛和人民群眾的生命安全。

裂縫是混凝土梁橋典型的病害之一，傳統(tǒng)的檢測(cè)主要以檢測(cè)人員直接檢查為主，輔以檢測(cè)車(chē)輛和量測(cè)工具來(lái)檢測(cè)橋梁中的病害信息，傳統(tǒng)方法操作起來(lái)比較靈活，但存在以下幾點(diǎn)不足：人工檢測(cè)速度慢，且?guī)в兄饔^因素，檢測(cè)數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，消耗時(shí)間長(zhǎng)，可靠性低；橋梁凈空較大，屬于高空作業(yè)，具有一定的危險(xiǎn)性；人工檢測(cè)需要花費(fèi)大量勞動(dòng)力，有時(shí)還需限制交通量，會(huì)給其他運(yùn)輸車(chē)輛帶來(lái)不便。

隨著科技的發(fā)展，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在各行各業(yè)內(nèi)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，目前應(yīng)用較為廣泛的是圖像處理技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合圖像識(shí)別方法，可達(dá)到快速可視化檢測(cè)的目的。近年來(lái)，一些學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的研究，如肖玉德［1］研究了一套橋梁裂縫檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括圖像處理、機(jī)械伸縮和圖像采集三大功能，可以對(duì)橋梁裂縫寬度進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)量和分析；周傳林［2］通過(guò)設(shè)置裂縫提取流程，經(jīng)過(guò)灰度化、圖像增強(qiáng)、空間濾波以及灰度閾值分割等裂縫圖像預(yù)處理，研究了一種適用于橋梁裂縫檢測(cè)的圖像處理技術(shù)；Jeong Ho Lee等［3］運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)和數(shù)字圖像處理技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套可以對(duì)橋梁地面的裂縫進(jìn)行長(zhǎng)度、寬度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的裂縫檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)；Hung Manh La等［4］利用圖像處理技術(shù)結(jié)合智能機(jī)器人系統(tǒng)提出了一種針對(duì)橋梁快速無(wú)損的檢測(cè)方法，并在此基礎(chǔ)上給出了一種圖像拼接算法；Dhananjay E．Upasani等［5］開(kāi)發(fā)了一套運(yùn)用機(jī)器人和數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行橋梁檢測(cè)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)；李剛等［6］運(yùn)用改進(jìn)Snake主動(dòng)輪廓模型分割算法對(duì)遠(yuǎn)距離裂縫的檢測(cè)進(jìn)行了相應(yīng)研究；晉民杰等［7］采用圖像灰度化和中值濾波去噪的方法，對(duì)目標(biāo)裂縫圖像進(jìn)行預(yù)處理，再利用Matlab圖像處理方法對(duì)橋梁裂縫寬度進(jìn)行檢測(cè)研究。

本文在混凝土梁橋裂縫檢測(cè)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)裂縫檢測(cè)精度提出要求，通過(guò)硬件選型對(duì)比，提出混凝土梁橋裂縫可視化檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案；在圖像處理方面提出采用SIFT（尺度不變特征變換）算法［8］和加權(quán)平均融合算法來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)中圖像處理的適用性。

1 混凝土梁橋裂縫可視化檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案

1．1 檢測(cè)要求

《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG／T J22—2008）和《公路橋梁加固施工技術(shù)規(guī)范》（JTG／T J23—2008）中關(guān)于裂縫處治的方法如下：表面封閉法，適用于寬度小于0．15mm的裂縫處理；自動(dòng)低壓滲注法，適用于數(shù)量較多、寬度在0．1～1．5mm的裂縫處理；壓力灌注法，適用于較深且寬度不小于0．15 mm的裂縫處理。裂縫寬度不同，處治方法亦不同，為滿(mǎn)足實(shí)際工程檢測(cè)，需在裂縫檢測(cè)時(shí)對(duì)精度做相應(yīng)要求，且裂縫可視化檢測(cè)的重點(diǎn)是通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)來(lái)測(cè)量病害，形成一套集病害識(shí)別、測(cè)量和信息統(tǒng)計(jì)分析的快速可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因此需要結(jié)合橋梁工程實(shí)際綜合考慮系統(tǒng)的可行性。相關(guān)系統(tǒng)檢測(cè)要求如表1所示。

表1 裂縫可視化檢測(cè)系統(tǒng)功能要求

1．2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

混凝土梁橋裂縫可視化檢測(cè)系統(tǒng)組成包括：檢測(cè)相機(jī)，根據(jù)相關(guān)行業(yè)規(guī)范，其需要檢測(cè)到最小的橋梁結(jié)構(gòu)病害，如寬度為0．1mm的裂縫；測(cè)量相機(jī)，檢測(cè)相機(jī)發(fā)現(xiàn)病害后，由測(cè)量相機(jī)進(jìn)行測(cè)量，精度要求為0．02mm；監(jiān)控?cái)z像頭，通過(guò)監(jiān)控?cái)z像頭傳遞橋梁檢測(cè)監(jiān)控信息，由橋面工作人員進(jìn)行系統(tǒng)操作；移動(dòng)基座，檢測(cè)相機(jī)、測(cè)量相機(jī)和監(jiān)控?cái)z像頭置于移動(dòng)基座，實(shí)現(xiàn)相機(jī)在橋梁結(jié)構(gòu)表面附近位置的移動(dòng)；高性能計(jì)算機(jī)，處理由相機(jī)拍攝的橋梁結(jié)構(gòu)病害；基于圖像處理的橋梁病害檢測(cè)模塊，包括拍攝圖像的拼接和病害圖像的識(shí)別、測(cè)量、存儲(chǔ)?；炷亮簶蛄芽p可視化檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 混凝土梁橋裂縫可視化檢測(cè)系統(tǒng)組成

1．3 系統(tǒng)核心硬件選取

裂縫可視化系統(tǒng)的核心硬件是拍攝相機(jī)，為滿(mǎn)足檢測(cè)精度和拍攝范圍的要求，需要對(duì)相機(jī)和系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行綜合考慮。若檢測(cè)精度為0．02mm，檢測(cè)和測(cè)量同時(shí)進(jìn)行，要達(dá)到長(zhǎng)度2m的覆蓋范圍，至少需要10萬(wàn)像素，目前工業(yè)相機(jī)最多只有1萬(wàn)像素，且無(wú)法滿(mǎn)足精度和工作環(huán)境要求，成本高昂。若采用單反相機(jī)，目前最高5千萬(wàn)像素（8 688×5 792像素）的單反相機(jī)在長(zhǎng)度方向需12臺(tái)，寬度覆蓋約0．12m。若采用線陣相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)較高的分辨率，但線陣掃描對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性要求較高，適用于流水線作業(yè)環(huán)境。實(shí)際橋梁檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜，干擾因素多，因此將檢測(cè)和測(cè)量裂縫分開(kāi)進(jìn)行，分別選取不同的拍攝設(shè)備。

1．3．1 采用工業(yè)相機(jī)

相機(jī)首先檢測(cè)0．1mm的裂縫，采用Basler aca2500～20gm千兆以太網(wǎng)工業(yè)黑白相機(jī)，分辨率為2 590×2 048，相機(jī)矩陣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 工業(yè)相機(jī)相機(jī)陣列分布

工業(yè)相機(jī)單個(gè)相機(jī)檢測(cè)覆蓋面積為25cm×20 cm，達(dá)到2m×1m需要40臺(tái)，相機(jī)數(shù)量眾多，體積龐大，整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)采集難度加大［9－10］。測(cè)量相機(jī)裂縫精度需求為0．02mm，選用 VA－29MG2－M／C2相機(jī)，其分辨率為6 576×4 384，覆蓋面積約為13cm×8．5cm，但鏡頭為高清測(cè)量專(zhuān)用鏡頭，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本較高。

1．3．2 采用單反相機(jī)

目前，單反相機(jī)主流像素為3．6千萬(wàn)像素（7 360×4 915），最高5千萬(wàn)像素（8 688×5 792），8千萬(wàn)像素相機(jī)較少，因此選擇5千萬(wàn)像素單反相機(jī)，工作溫度一般為0～40℃，常溫狀態(tài)下工作最佳，可采用溫度控制，且數(shù)碼相機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)較為緊湊、輕便，性?xún)r(jià)比較高［11－12］。方案設(shè)計(jì)示意如圖3所示。

該系統(tǒng)中左右掃描由電控平移臺(tái)實(shí)現(xiàn)，前后掃描由車(chē)載可伸縮機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)。短焦鏡頭用于發(fā)現(xiàn)0．1mm的裂縫，覆蓋范圍約860mm×580mm。長(zhǎng)焦鏡頭用于測(cè)量裂縫，精度為0．02mm，覆蓋范圍約17cm×11cm。采用導(dǎo)軌滑動(dòng)模式，導(dǎo)軌重復(fù)定位精度為0．01mm。該方案沒(méi)有升降機(jī)，沒(méi)有相機(jī)陣列，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜度大幅降低，且能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖3 單反相機(jī)方案示意

1．4 系統(tǒng)工作模式研究

混凝土梁橋裂縫可視化檢測(cè)系統(tǒng)由裂縫拍攝相機(jī)、移動(dòng)基座、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及圖像處理模塊等組成，系統(tǒng)工作模式、流程如圖4所示?；炷亮簶蛄芽p可視化檢測(cè)系統(tǒng)的工作模式和流程主要通過(guò)以下6個(gè)步驟進(jìn)行。

（1）系統(tǒng)操控人員啟動(dòng)監(jiān)控?cái)z像頭，控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。

（2）機(jī)構(gòu)到達(dá)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件，啟動(dòng)移動(dòng)基座，系統(tǒng)控制人員設(shè)定拍攝模式。

（3）啟動(dòng)檢測(cè)相機(jī)，將拍攝的照片傳回，軟件識(shí)別病害類(lèi)型；若無(wú)病害信息，則進(jìn)入步驟5。

（4）啟動(dòng)測(cè)量相機(jī)，對(duì)已經(jīng)識(shí)別的病害拍攝照片，運(yùn)行圖像處理病害檢測(cè)模塊，該模塊通過(guò)圖像處理計(jì)算病害的幾何信息。圖像處理模塊的運(yùn)行有以下4個(gè)方式：圖像預(yù)處理，輸入端與圖像采集單元輸出端相連接，完成圖像的預(yù)處理，操作主要包括圖像灰度化和灰度圖像增強(qiáng)；圖像分析，輸入端與圖像重組模塊的輸出端相連接，對(duì)重組后的圖像進(jìn)行分析，篩選出圖像中橋梁健康問(wèn)題的特征部分，圖像分析模塊可以將橋梁病害的幾何信息（面積、長(zhǎng)度、寬度、形狀及位置）明確標(biāo)明；比較分析，其輸入端與圖像分析模塊的輸出端連接并與存儲(chǔ)器連接，對(duì)其他數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，用于查找、調(diào)用歷史數(shù)據(jù)。

圖4 混凝土梁橋裂縫可視化檢測(cè)系統(tǒng)工作模式、流程

（5）操控移動(dòng)基座運(yùn)動(dòng)，到達(dá)下一個(gè)拍攝點(diǎn)。

（6）檢測(cè)完成。

2 基于圖像處理的裂縫檢測(cè)技術(shù)方案研究

2．1 裂縫檢測(cè)涉及主要技術(shù)

基于圖像處理的裂縫檢測(cè)主要涉及圖像的拼接技術(shù)，本文從圖像拼接技術(shù)角度研究圖像配準(zhǔn)和圖像融合。

圖像配準(zhǔn)是把同一場(chǎng)景的兩幅圖或多幅圖在空間上進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)［13－14］。由于混凝土梁橋裂縫的背景環(huán)境較為復(fù)雜，存在結(jié)構(gòu)物表面微小雜質(zhì)較多，光源不足等客觀因素，在圖像配準(zhǔn)的處理方法上考慮使用SIFT（尺度不變特征變換）算法。

雖然精確的圖像配準(zhǔn)可以使兩幅圖成功拼接起來(lái)，但對(duì)同一個(gè)場(chǎng)景中的相同圖像，不同時(shí)間、不同傳感器以不同方式獲得的圖像都存在曝光差異。若直接進(jìn)行拼接，會(huì)產(chǎn)生明顯的拼接痕跡，因此需要采用融合技術(shù)，最大程度地消除拼接痕跡。系統(tǒng)中對(duì)原圖像的像素值直接取相同權(quán)值，然后進(jìn)行加權(quán)平均得到融合圖像的像素值，即非多分辨率圖像融合算法中加權(quán)平均融合算法或者自動(dòng)圖像匹配方法［15］，對(duì)實(shí)例進(jìn)行融合后拼接顯示。

2．2 裂縫圖像配準(zhǔn)和融合分析

圖像融合是消除拼接痕跡的關(guān)鍵技術(shù)之一，為進(jìn)一步了解和驗(yàn)證基于SIFT算法和加權(quán)平均融合算法在混凝土梁橋裂縫可視化檢測(cè)系統(tǒng)中圖像處理的適用性，在室內(nèi)環(huán)境下利用單反相機(jī)對(duì)混凝土試塊上的裂縫進(jìn)行驗(yàn)證。

2．2．1 基于SIFT的圖像裂縫配準(zhǔn)算法

基于SIFT的圖像裂縫配準(zhǔn)算法處理的一般步驟為：基準(zhǔn)圖像處理、特征點(diǎn)提取、特征點(diǎn)匹配、變換矩陣分析、圖像變換。混凝土試塊上的裂縫驗(yàn)證實(shí)例流程照片見(jiàn)圖5～10。

2．2．2 非多分辨率圖像加權(quán)平均裂縫融合算法

采用非多分辨率圖像融合算法中加權(quán)平均融合算法對(duì)實(shí)例進(jìn)行融合后拼接，混凝土試塊上的裂縫驗(yàn)證實(shí)例照片見(jiàn)圖11。

3 結(jié) 語(yǔ)

圖5 混凝土試塊裂縫待拼接照片1

圖6 混凝土試塊裂縫待拼接照片2

圖7 基于SIFT的特征點(diǎn)

圖8 基于SIFT的初步特征點(diǎn)匹配

混凝土梁橋裂縫可視化檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)高清相機(jī)獲取梁橋裂縫表觀圖像，再依靠圖像處理技術(shù)，將梁橋檢測(cè)需要的病害信息進(jìn)行強(qiáng)化突出以便于機(jī)器識(shí)別，通過(guò)識(shí)別可提取圖像中的二維像素信息以及三維實(shí)體數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)之中，將橋梁病害的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)信息化，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁可視化、快速化、高精度、低成本的自動(dòng)檢測(cè)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理的方案研究和設(shè)計(jì)后，可為下一步裂縫可視化檢測(cè)系統(tǒng)具體研制提供理論支撐，并在以下方面進(jìn)行重點(diǎn)研究。

圖9 基于SIFT的精確匹配點(diǎn)

圖10 拼接結(jié)果

圖11 實(shí)例融合后拼接過(guò)程

（1）系統(tǒng)的裂縫檢測(cè)相機(jī)和測(cè)量相機(jī)并置于移動(dòng)滑軌上，通過(guò)變焦鏡頭進(jìn)行拍攝調(diào)節(jié)，考慮是否可以利用升降裝置或機(jī)械手裝置將測(cè)量相機(jī)升高，達(dá)到更近距離和穩(wěn)定地進(jìn)行裂縫拍攝。

（2）從圖像配準(zhǔn)拼接和融合結(jié)果可知，對(duì)配準(zhǔn)之后的結(jié)果進(jìn)行直接拼接存在明顯拼接痕跡，需要進(jìn)行處理方可進(jìn)行拼接，可通過(guò)采用進(jìn)一步精確的融合算法對(duì)配準(zhǔn)后的圖像進(jìn)行融合。

（3）實(shí)橋環(huán)境受到光線、結(jié)構(gòu)表面污跡、模板接縫等影響而變得非常復(fù)雜，混凝土梁橋裂縫可視化檢測(cè)系統(tǒng)需要在復(fù)雜背景下進(jìn)行圖像識(shí)別和算法的進(jìn)一步研究。