朱平哲

（三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，河南 三門(mén)峽472000）

引言

高速公路的建成和投入使用，促進(jìn)了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，但高速公路路面承受的車(chē)輛碾壓負(fù)荷越來(lái)越大，且在長(zhǎng)期的自然災(zāi)害侵蝕下，路面造成各種各樣的病害，其中路面裂縫是病害的早期表現(xiàn)形式，若能在早期就檢測(cè)出路面裂縫信息，并及時(shí)地進(jìn)行維護(hù)，那么將大大降低國(guó)家每年投入的維護(hù)費(fèi)用，也能夠保障高速公路的順利暢通和車(chē)輛行駛的安全[1]。

檢測(cè)路面裂縫信息，一般都是通過(guò)車(chē)載攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，通過(guò)圖像處理的方法對(duì)路面裂縫圖像檢測(cè)分析。在采集到的路面裂縫圖像中，往往由于光照和周?chē)h(huán)境的影響，且路面裂縫圖像的背景顏色和裂縫本身顏色非常相近，造成后期進(jìn)行裂縫圖像的分割及提取有很大困難，因此，為了更好地把裂縫信息從背景中分離出來(lái)，需要對(duì)裂縫圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理[2]。

圖像增強(qiáng)技術(shù)主要是為了突出圖像中感興趣的目標(biāo)信息，具體表現(xiàn)為物體的輪廓或者邊緣，增強(qiáng)圖像中的細(xì)節(jié)特征，濾除噪聲，平滑背景等，為后續(xù)的分割和檢測(cè)做好鋪墊[3]。但是，常用的圖像增強(qiáng)算法存在運(yùn)算量大、算法復(fù)雜、處理速度慢的缺點(diǎn)[4-5]，而美國(guó)Adobe公司出品的Photoshop軟件，是一款功能強(qiáng)大，使用簡(jiǎn)單方便的圖像處理軟件[6]。本文主要闡述如何利用photoshop軟件進(jìn)行路面裂縫圖像的增強(qiáng)。

1 銳化處理

圖像銳化就是通過(guò)提高圖像像素的對(duì)比度，使圖像的邊緣、輪廓線(xiàn)以及圖像的細(xì)節(jié)信息變得更加清晰。photoshop中包括5種銳化濾鏡，有USM銳化、進(jìn)一步銳化、銳化、銳化邊緣和智能銳化[7]。

其中，USM（unsharp mask）銳化，是一種相對(duì)成熟的銳化濾鏡，通過(guò)像素之間的相互比較，對(duì)原圖建立一個(gè)虛化版本，它增強(qiáng)了邊緣的清晰度，卻不會(huì)產(chǎn)生不自然的跡象，也不會(huì)消除低對(duì)比度的區(qū)域的層次。USM銳化有三個(gè)參數(shù)，分別是數(shù)量、半徑和閾值[8]。

1.1 數(shù)量

控制銳化效果的強(qiáng)度，數(shù)量越多，銳化強(qiáng)度越大；反之，銳化強(qiáng)度越小。

1.2 半徑

用來(lái)決定邊緣強(qiáng)調(diào)的像素點(diǎn)的寬度。如果半徑為1，則從亮到暗的整個(gè)寬度是兩個(gè)像素；如果半徑為2，則邊緣兩邊各有兩個(gè)像素點(diǎn)，那么從亮到暗的整個(gè)寬度是4個(gè)像素。半徑越大，細(xì)節(jié)的差別越清晰，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生光暈，最好在設(shè)置的時(shí)候不要超過(guò)1個(gè)像素，可以通過(guò)多銳化幾次來(lái)增強(qiáng)效果。

1.3 閾值

閾值決定多大反差的相鄰像素邊界可以被銳化處理，低于閾值的就不做銳化。即閾值越小，銳化越強(qiáng)；閾值越大，銳化越弱。閾值的設(shè)置是避免因銳化處理而導(dǎo)致的斑點(diǎn)和麻點(diǎn)等問(wèn)題的關(guān)鍵參數(shù)，正確設(shè)置閾值可以使圖像既保持背景的平滑，又可以強(qiáng)調(diào)變化細(xì)節(jié)的反差。但需要注意的是，閾值的設(shè)置要根據(jù)圖像恰當(dāng)設(shè)置，過(guò)度銳化會(huì)造成圖像嚴(yán)重失真。

為了更好地說(shuō)明USM銳化對(duì)圖像邊緣的增強(qiáng)作用，選擇一副圖像實(shí)例進(jìn)行操作分析。圖1為選取的原始圖像，左側(cè)為40%灰度，右側(cè)為80%灰度；圖2為對(duì)圖1進(jìn)行USM銳化后的效果圖，銳化數(shù)量為100，半徑為0.5，閾值設(shè)為0。

圖1 原始圖像

圖2 USM銳化（數(shù)量 100，半徑為 0.5）

從上圖可以看出，銳化后，在40%灰度和80%灰度的交界處，分別多出了兩條色條，一條是淺于40%灰度的淺色條，一條是深于80%灰度的深色條。這樣明顯可以看出兩種顏色的交界邊緣處反差更大，圖像邊緣得到了增強(qiáng)。把預(yù)覽選項(xiàng)勾選上，可以通過(guò)拖動(dòng)滑條看效果。數(shù)量控制加入色條和臨近色的反差，半徑控制色條數(shù)量，基本是以0.5為一級(jí)，如果加大0.5，又會(huì)出現(xiàn)一對(duì)色條。如圖3所示。

圖3 USM銳化（數(shù)量100，半徑為1）

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于人像，需要數(shù)量高、半徑寬、閾值高的參數(shù)。對(duì)于有大量細(xì)節(jié)的風(fēng)光影像，需要數(shù)量高、半徑寬、閾值低的參數(shù)。那么對(duì)于有大量細(xì)節(jié)信息的路面裂縫圖像，需要什么樣的參數(shù)，討論如下。

2 路面裂縫圖像增強(qiáng)處理

通過(guò)圖像增強(qiáng)技術(shù)來(lái)改善路面裂縫圖像質(zhì)量，突出感興趣的裂縫細(xì)節(jié)信息，抑制非關(guān)注的背景信息，從而達(dá)到增強(qiáng)裂縫圖像對(duì)比度的目的。

2.1 USM銳化

Photoshop中的USM銳化可以很好的增強(qiáng)裂縫邊緣。文中選取具有代表性的2幅路面裂縫圖像，在photoshop cs4中進(jìn)行USM銳化處理。其中，圖(a)為裂縫信息弱的網(wǎng)狀路面裂縫圖像；圖(b)為有大量顆粒紋理的路面裂縫圖像。其中，A表示數(shù)量；R表示半徑；T表示閾值且T=0。結(jié)果如圖4所示。

圖4 路面裂縫圖像USM銳化效果

通過(guò)以上處理結(jié)果可以看出，對(duì)于瀝青路面裂縫圖像，由于背景中帶有顆粒紋理或噪聲，在USM銳化過(guò)程中，裂縫得到了增強(qiáng)，而隨著數(shù)量和半徑的擴(kuò)大，同時(shí)也增強(qiáng)了背景中的顆粒紋理。所以，在經(jīng)過(guò)對(duì)多幅路面裂縫圖像的銳化處理實(shí)驗(yàn)后，數(shù)量選擇100，半徑選擇5較為合適。

2.2 表面模糊

Photoshop中的表面模糊濾鏡，是在保留邊緣的同時(shí)模糊圖像。相對(duì)于photoshop中的其他模糊濾鏡，表面模糊濾鏡在消除雜色或粒度的同時(shí)，能保持邊緣的特征。此濾鏡有兩個(gè)參數(shù)，半徑和閾值。半徑指定模糊取樣區(qū)域的大小。閾值控制相鄰像素灰度值與中心像素值相差多大時(shí)才進(jìn)行模糊，像素灰度值小于閾值的不做模糊。即閾值越小，模糊越強(qiáng)；閾值越大，模糊越弱。

根據(jù)圖4中實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別對(duì)圖(a)-2和圖(b)-2進(jìn)行表面模糊處理（圖5），對(duì)路面裂縫中的雜色或粒度進(jìn)行消除，同時(shí)保持好裂縫邊緣。

圖5 對(duì)USM銳化后圖像進(jìn)行表面模糊處理

從圖5的結(jié)果看出，在銳化后經(jīng)過(guò)表面模糊處理，在去除背景中的噪聲和平滑顆粒紋理的同時(shí)，仍很好地保持裂縫特征信息，能夠較好地達(dá)到增強(qiáng)路面裂縫圖像的目的。

2.3 結(jié)果驗(yàn)證

目前廣泛應(yīng)用的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有峰值信噪比（PSNR）、邊緣保持指數(shù)（EPI），設(shè) I是大小為 M×N 的圖像，f（i，j）和 y（i，j）分別為參考圖像和處理后的圖像像素灰度值，則峰值信噪比和邊緣保持指數(shù)可以表示如下：

（1）峰值信噪比

（2）邊緣保持指數(shù)

其中，Is（i，j）是對(duì)比度增強(qiáng)后的圖像，Io（i，j）是原圖像，Is（i，j）和 Io（i，j）都位于邊緣區(qū)域，i是行數(shù)，j是列數(shù)。EPI的值越大說(shuō)明邊緣保持較好。

基于以上，為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文算法的優(yōu)勢(shì)，分別進(jìn)行以下定量分析。對(duì)本文的圖像進(jìn)行了峰值信噪比、邊緣保持指數(shù)的計(jì)算，如下表。

性能參數(shù)比較表

從上表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過(guò)USM銳化和表面模糊后的峰值信噪比和邊緣保持指數(shù)明顯大于原始圖像，進(jìn)一步說(shuō)明了本文通過(guò)先USM銳化再進(jìn)行表面模糊的方法確實(shí)有效，增強(qiáng)了裂縫信息，又平滑了背景信息。

3 結(jié)論

由于高速路面裂縫圖像的復(fù)雜性，要想更好的檢測(cè)出裂縫信息，需要首先進(jìn)行圖像增強(qiáng)，而傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)方法不適應(yīng)對(duì)比度較低的路面裂縫圖像，因此，使用功能強(qiáng)大的photoshop圖像處理軟件進(jìn)行路面裂縫圖像的增強(qiáng)處理是很有必要的。本文提出先進(jìn)行USM銳化處理，增強(qiáng)裂縫信息，再利用表面模糊去除雜色的同時(shí)保持好裂縫特征，最終方便、快速地完成裂縫圖像的增強(qiáng)處理，效果明顯。Photoshop易學(xué)習(xí)、易掌握，受到大眾的喜歡，其版本的不斷升級(jí)，功能的不斷擴(kuò)充，為圖像處理方面提供了更多的應(yīng)用支持。路面裂縫圖像的復(fù)雜性，有待我們結(jié)合photoshop的多種濾鏡，對(duì)比度調(diào)整等功能做進(jìn)一步研究。

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