一種基于機(jī)器視覺的便攜式可定位裂縫測(cè)寬儀的探究

劉佳璇 王睿 劉煜捷 馬安泉 劉懿涵

摘要：裂縫寬度是評(píng)估混凝土耐久性、安全性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，裂縫寬度檢測(cè)是房屋、建筑、橋梁等眾多建筑物評(píng)估和檢修的重要依據(jù)，對(duì)于保障建筑物安全、延長(zhǎng)建筑物使用壽命具有重要意義。傳統(tǒng)的測(cè)量方式精確度低、誤差較大，市面上現(xiàn)有的裂縫測(cè)寬儀大都無定點(diǎn)拍照功能，且具有體積較大、攜帶不便、數(shù)據(jù)不便存儲(chǔ)等缺點(diǎn)?；诂F(xiàn)有裂縫測(cè)寬儀的局限之處，對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新改造，減少人力物力資源的耗費(fèi)，在實(shí)際工程中擁有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：裂縫寬度測(cè)量； 機(jī)器視覺； 計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)； GPS定位系統(tǒng)； 加密數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)：P204文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1研究背景及儀器設(shè)計(jì)思路

1.1研究背景

現(xiàn)有的裂縫檢測(cè)方法有很多，傳統(tǒng)的人工讀尺測(cè)量或卡尺標(biāo)記測(cè)距，現(xiàn)在不斷發(fā)展的超聲波測(cè)寬技術(shù)、位移傳感器以及基于圖像分析技術(shù)的裂縫檢測(cè)儀等，不同程度上滿足了人工測(cè)量的要求。針對(duì)現(xiàn)有的裂縫測(cè)寬方式，展開調(diào)研分析。

傳統(tǒng)的人工讀尺或卡尺標(biāo)記法雖然工具便于獲取和攜帶，但由于裂縫寬度微小，人的主客觀因素影響較大，測(cè)量結(jié)果將具有很大的主觀性，存在較大誤差，同時(shí)人工讀數(shù)速度較慢，效率低下；超聲波技術(shù)現(xiàn)被廣泛使用，利用超聲波在介質(zhì)中沿直線傳播并在界面上產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換［1］的特性，可以獲得從缺陷界面反射回來的反射波，從而實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土裂縫寬度等內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)。但由于此技術(shù)工序復(fù)雜、檢測(cè)成本高、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率低，且只適用于小范圍的抽樣檢測(cè)［2］，不具備工程檢修的實(shí)用性；對(duì)于需要連續(xù)檢測(cè)的裂縫，基本采用位移傳感器實(shí)現(xiàn)。將其安裝于被檢測(cè)體表面，測(cè)量結(jié)構(gòu)隨著裂縫的開合度變化來測(cè)量裂縫的平均大小，再通過外接設(shè)備實(shí)現(xiàn)裂縫寬度的連續(xù)測(cè)量。但在實(shí)際測(cè)量中其零位誤差較大、環(huán)境因素影響較大、設(shè)備帶電纜，不便于自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集；產(chǎn)品體積較大，結(jié)構(gòu)安裝復(fù)雜等等［3］。

最后一種目前市場(chǎng)上較多的裂縫寬度檢測(cè)儀，在實(shí)際工程中也有一定的應(yīng)用。包括探頭和顯示器兩部分，基于圖像分析技術(shù)，經(jīng)過圖像采集、圖像處理和圖像分析以及裂縫計(jì)算等步驟實(shí)現(xiàn)裂縫寬度測(cè)量［4］。檢測(cè)儀器精度普遍較高，但經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的裂縫測(cè)寬儀多數(shù)不具備裂縫定點(diǎn)功能、圖像存儲(chǔ)功能、安全評(píng)價(jià)功能，同時(shí)從外觀來說，儀器主體部分?jǐn)?shù)據(jù)線纏繞操作不便，同時(shí)體積和重量較大，工程中攜帶不便。

1.2設(shè)計(jì)思路

因此，一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、方便攜帶的基于照相和圖像技術(shù)的裂縫寬度測(cè)寬儀，成為探索方向。該儀器包括探頭和接收終端，接受終端為個(gè)人的移動(dòng)設(shè)備，如手機(jī)?；跈C(jī)器視角和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，對(duì)在一定條件下采集的混凝土裂縫圖片進(jìn)行處理，得到裂縫寬度值，采用無線局域網(wǎng)傳輸至手機(jī)APP終端，數(shù)據(jù)和圖片加密存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便后續(xù)實(shí)施裂縫監(jiān)測(cè)。

2儀器的組成與特點(diǎn)

2.1裝置特點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)的裂縫寬度測(cè)量?jī)x器，本測(cè)量?jī)x器便捷性、數(shù)據(jù)處理與儲(chǔ)存保管等方面進(jìn)行創(chuàng)新，主要優(yōu)勢(shì)有：

（1）體積小，易攜帶：儀器端部可連接掛繩，將其掛在脖子上，方便使用者攜帶。本儀器小型鏡筒內(nèi)含有小型鏡頭和內(nèi)置光源，儀器內(nèi)置光源亮度及其裂縫表面的距離通過亮度距離試驗(yàn)均已設(shè)置完成，各影響因素已達(dá)最佳條件。

（2）數(shù)據(jù)自動(dòng)處理并傳輸：利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)進(jìn)行灰度化［5］、二值化、去噪點(diǎn)、裂縫寬度計(jì)算，得出的裂縫寬度數(shù)值通過WIFI傳輸?shù)绞謾C(jī)APP終端［6］，并在本施工項(xiàng)目共享加密數(shù)據(jù)庫(kù)中自動(dòng)保存，體積小、便于攜帶，操作簡(jiǎn)便、效率高，節(jié)省時(shí)間和人力物力資源。

（3）增加定位系統(tǒng)：在測(cè)量裂縫寬度時(shí)可根據(jù)GPS定位系統(tǒng)［7］在APP地圖準(zhǔn)確標(biāo)定裂縫的位置，同時(shí)在程序中可手動(dòng)輸入樓層號(hào)或相對(duì)標(biāo)高、實(shí)時(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)照片加以輔助，提高工作效率，極大避免了工作失誤，為工程檢測(cè)帶來巨大的方便。

（4）增加裂縫安全性評(píng)價(jià)：儀器測(cè)量裂縫寬度得到具體數(shù)值后，自動(dòng)評(píng)估該裂縫的安全性，判斷是否會(huì)產(chǎn)生安全隱患。

2.2裝置組成

2.2.1處理器部分

開始—采集視頻—Wifi無線傳輸視頻—移動(dòng)端接收視頻流—移動(dòng)端處理視頻—視頻顯示—其他操作—結(jié)束。

無線WIFI攝像原理就是無線傳輸視頻信號(hào)用電磁波代替電線?，F(xiàn)在市面上的無線監(jiān)控基本都是P2P技術(shù)，也就是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，穿透連接快，流暢。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）標(biāo)準(zhǔn)H.264 視頻壓縮算法，滿足在狹窄的帶寬網(wǎng)絡(luò)里傳輸高清晰度視頻.高畫質(zhì)、低碼流、本地高清錄像，觀看更流暢，無拖影。

（2）百萬高清像素，畫質(zhì)清晰。

（3）支持多種移動(dòng)設(shè)備連接使用，支持多平臺(tái)，多終端，多網(wǎng)絡(luò)。

（4）支持多用戶訪問，多設(shè)備管理。

（5）支持WIFI，靈活組建無線工作環(huán)境，讓多臺(tái)設(shè)備同時(shí)工作。

2.2.2接收終端部分

（1）當(dāng)接收到來自于無線攝像頭的視頻數(shù)據(jù)后顯示原視頻圖像，按下拍照鍵后將截取當(dāng)前視頻幀為圖像處理基礎(chǔ)并將圖像停止在該幀。

（2）通過現(xiàn)有的OPENCV的圖像處理庫(kù)，先將圖像二值化，再去掉圖像噪點(diǎn)，后使用OPENCV現(xiàn)有的函數(shù)功能找到最大連通域，算出面積。

（3）再使用計(jì)算出最大連通域的近似長(zhǎng)度，后用寬度=面積/2×長(zhǎng)度計(jì)算出寬度。并顯示出來。后選擇是否保存

（4）保存數(shù)據(jù)后，使用GPS定位功能將當(dāng)前數(shù)據(jù)與GPS定位數(shù)據(jù)綁定。

2.2.3儀器本體部分及使用方法

本產(chǎn)品由被測(cè)裂縫、采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三大部分組成，使用內(nèi)置光源的儀器攝像頭對(duì)裂縫表面進(jìn)行圖像采集，利用無線局域網(wǎng)傳輸至手機(jī)或電腦終端，由此獲得裂縫的圖片和寬度信息并對(duì)其進(jìn)行控制和管理（圖1、圖2）。

儀器具體使用方法，操作步驟：

（1）測(cè)量者找到所需測(cè)量的裂縫后，長(zhǎng)按筒壁上方開機(jī)按鈕啟動(dòng)。

（2）將儀器攝像頭對(duì)準(zhǔn)裂縫表面。

（3）按下筒壁光源按鈕開啟內(nèi)置光源。

（4）按下拍照按鈕進(jìn)行裂縫圖像采集。

（5）在相應(yīng)的手機(jī)APP或電腦網(wǎng)頁(yè)終端可查看裂縫圖片（包括灰度化后圖像）、具體數(shù)值和對(duì)裂縫的評(píng)價(jià)。

（6）APP定位系統(tǒng)自帶地圖，可準(zhǔn)確標(biāo)定裂縫的位置，在APP中可自主手動(dòng)輸入樓層號(hào)或相對(duì)標(biāo)高進(jìn)行分組，實(shí)時(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)照片加以輔助。

3實(shí)施方案

3.1工作原理

3.1.1采集裂縫圖像

采用數(shù)碼相機(jī)作為圖像采集系統(tǒng)，鏡筒內(nèi)含小型鏡頭和內(nèi)置光源，長(zhǎng)按開機(jī)按鈕，將鏡筒對(duì)準(zhǔn)并緊貼裂縫位置，開啟光源，按下拍照鍵將裂縫圖像上傳終端設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行下一步分析處理。

3.1.2裂縫圖像處理

3.1.2.1圖片灰度化

RGB=（R，G，B）;R，G，B∈x|x≤255，x∈N，其是由紅藍(lán)綠三個(gè)顏色的對(duì)應(yīng)值來決定顏色的。當(dāng)RGB為（0，0，0）時(shí)為黑色，為（255，255，255）時(shí)為白色。因此為了達(dá)到較好的灰度效果需要設(shè)定一個(gè)合適的比例。給出一個(gè)函數(shù)：

F（x，y）=aR+bG+cB

x，y為圖片中對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)的坐標(biāo)。a，b，c為紅綠藍(lán)的占比。R，G，B為RGB值。F（x，y）為灰度值（0～255）。

以上方法是采用加權(quán)平均計(jì)算的灰度值，如何進(jìn)行（a，b，c）的配比我們還需要進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但是很明確的一點(diǎn)是由于綠色最亮，紅色其次，藍(lán)色最暗。藍(lán)色的占比應(yīng)較大才能讓灰度化后的圖片有較暗的效果。

3.1.2.2二值化處理

二值的取值只能是0和1，即黑色和白色，而灰度值為0-225，因此我們可以通過局部自適應(yīng)閾值和邊緣檢測(cè)的方法來確定閾值。在閾值以下的設(shè)置成黑色，閾值以上的設(shè)置為白色。

3.1.2.3連通域去噪點(diǎn)

在二值圖像中，裂縫區(qū)域一般具有連續(xù)性且呈線狀區(qū)域，而噪聲區(qū)域根據(jù)分割算法的結(jié)果表現(xiàn)為連通域面積大小不一的塊狀區(qū)域，根據(jù)裂縫與噪聲的不同特征，設(shè)計(jì)算法去除噪聲區(qū)域。

3.1.3裂縫寬度計(jì)算

經(jīng)過一系列機(jī)器視覺分析，所采集的圖片只剩下裂縫部分，采用膨脹圓的裂縫檢測(cè)方法，得出最大膨脹圓的直徑，即為所測(cè)裂縫寬度。

3.1.4裂縫定位及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

手機(jī)自帶GPS定位，在APP的地圖中準(zhǔn)確標(biāo)定裂縫的位置，手動(dòng)輸入樓層，若在同一豎直平面上存在多條裂縫，根據(jù)人工測(cè)量，在系統(tǒng)中輸入相對(duì)標(biāo)高，據(jù)此對(duì)每一條裂縫進(jìn)行標(biāo)號(hào)，避免裂縫位置混淆不清、導(dǎo)致重復(fù)測(cè)量的問題，同時(shí)方便之后對(duì)裂縫寬度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)處理完畢后放入加密數(shù)據(jù)庫(kù)，使用同一系統(tǒng)的同一項(xiàng)目相關(guān)人員可查看有關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3.2實(shí)施過程

測(cè)量者首先長(zhǎng)按筒壁上方開機(jī)按鈕啟動(dòng)，找到所需測(cè)量的裂縫后，將測(cè)寬儀放置裂縫表面，按下光源按鈕開啟內(nèi)置光源，光源自動(dòng)匹配合適的亮度后按下拍照鍵，通過光圈大小為32F的內(nèi)窺200w攝像頭進(jìn)行圖片采集記錄，通過計(jì)算機(jī)圖像處理后，在相應(yīng)的手機(jī)APP終端查看裂縫具體數(shù)值。得到數(shù)值后，軟件自動(dòng)評(píng)估該裂縫是否會(huì)對(duì)工程項(xiàng)目造成安全隱患，進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。在測(cè)量裂縫寬度時(shí)，可根據(jù)GPS定位系統(tǒng)在APP地圖準(zhǔn)確標(biāo)定裂縫的位置，同時(shí)在程序中可手動(dòng)輸入樓層號(hào)或相對(duì)標(biāo)高、實(shí)時(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)照片加以輔助，提高工作效率，極大避免了工作失誤，為工程檢測(cè)帶來巨大的方便。

3.3工程應(yīng)用

混凝土因其強(qiáng)度高、造價(jià)低、耐久性和耐火性好、抗壓強(qiáng)度高、原材料來源廣、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低，已廣泛應(yīng)用在房屋、道路、橋梁等各種建筑中，但由于其抗拉強(qiáng)度低故易形成裂縫。建筑物表面裂縫是建筑物混凝土內(nèi)部使用過程中的損傷積累、是建筑物達(dá)到一定危險(xiǎn)程度的外部集中表現(xiàn)，其所包含的信息量對(duì)于預(yù)示和征兆建筑物險(xiǎn)情具有關(guān)鍵性意義［5］。幾乎所有的混凝土構(gòu)件均處于帶裂縫工作狀態(tài)，一旦裂縫發(fā)展到一定程度將造成重大安全事故的發(fā)生，所以在工程中需要通過監(jiān)測(cè)工作及時(shí)了解裂縫特征、發(fā)展階段并加以跟蹤、檢測(cè)，據(jù)此及時(shí)對(duì)裂縫進(jìn)行維護(hù)和補(bǔ)修，可降低建筑成本，保障公共財(cái)產(chǎn)和人生性命的安全。

建筑工程項(xiàng)目所需測(cè)量的裂縫數(shù)量較多，考慮到手機(jī)具有私密性且儲(chǔ)存空間有限，本儀器通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，電腦手機(jī)都可以實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)存和查看。本儀器作為一種創(chuàng)新型便攜式可定位裂縫測(cè)寬儀，根據(jù)計(jì)算機(jī)編程圖像處理技術(shù)計(jì)算寬度數(shù)值并通過WiFi傳輸?shù)绞謾C(jī)終端自動(dòng)保存圖片和數(shù)據(jù)，可以縮小儀器體積，方便工程監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工作攜帶，減少勞動(dòng)精力成本的增加，同時(shí)可降低儀器外殼、顯示屏等材料制作的費(fèi)用，減少工程監(jiān)測(cè)中儀器購(gòu)置的成本。不僅如此，考慮到某些施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境黑暗（如隧道檢測(cè)工程）或多個(gè)監(jiān)測(cè)人員同時(shí)進(jìn)行測(cè)量的情況，本裝置可根據(jù)GPS定位系統(tǒng)在APP地圖準(zhǔn)確標(biāo)定裂縫的位置，手動(dòng)輸入樓層號(hào)或相對(duì)標(biāo)高，同時(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)照片作為輔助，以此避免工程監(jiān)測(cè)工作中裂縫數(shù)量多、位置混淆不清、重復(fù)測(cè)量等問題，極大提高工程檢測(cè)的效率，降低時(shí)間成本。

4結(jié)束語(yǔ)

本文基于裂縫自動(dòng)測(cè)寬儀在工程監(jiān)測(cè)及維修工作中的應(yīng)用，對(duì)市面上現(xiàn)有的裂縫寬度測(cè)量?jī)x不足之處進(jìn)行改良并結(jié)合工程現(xiàn)狀不斷創(chuàng)新，研究出一種基于計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理的可定位小型便攜式混凝土測(cè)寬儀。本裝置增加了定點(diǎn)拍照功能，拍下裂縫圖片后通過Andriod Studio對(duì)圖片進(jìn)行灰度化處理、二值化處理、去噪點(diǎn)、裂縫寬度計(jì)算一系列處理算法得到裂縫寬度數(shù)值，數(shù)據(jù)將通過WiFi直接傳導(dǎo)至手機(jī)APP終端并進(jìn)行保存，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效記錄與存儲(chǔ)，此方法同時(shí)將現(xiàn)有儀器“顯示屏”實(shí)體部分轉(zhuǎn)移到手機(jī)，大大減小了儀器的體積。配合APP內(nèi)GPS定位功能，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量裂縫位置定位標(biāo)記功能，在各類混凝土工程檢修工程中都能得到實(shí)際應(yīng)用，極大提高工作效率，前景廣闊。

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［作者簡(jiǎn)介］劉佳璇（2003—），女，在讀本科，研究方向?yàn)楣こ淘靸r(jià)；王睿（1988—），女，博士，工程師，研究方向?yàn)榈叵鹿こ碳八淼啦『ψ詣?dòng)檢測(cè)系統(tǒng)；劉煜捷（2002—），女，在讀本科，研究方向?yàn)楣こ淘靸r(jià)；馬安泉（2002—），女，在讀本科，研究方向?yàn)楣こ淘靸r(jià)；劉懿涵（2002—），女，在讀本科，研究方向?yàn)楣こ淘靸r(jià)。