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基于雙目視覺的橋面裂縫檢測(cè)技術(shù)研究

劉建威，鐘澤湘

(長(zhǎng)沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

橋面裂縫檢測(cè)數(shù)據(jù)是橋梁耐久性評(píng)估的重要參考之一，能夠?yàn)轲B(yǎng)護(hù)部門提供有效依據(jù)，進(jìn)而保障工程安全與行車效率。但是，當(dāng)前國(guó)內(nèi)的裂縫檢測(cè)技術(shù)基本僅限于人工操作，其效率和安全性均有不足，且檢測(cè)結(jié)果往往會(huì)受到人為主觀因素影響。

因而，近年來(lái)橋面裂縫檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向便是通過(guò)相機(jī)采集裂縫圖像，再由計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，進(jìn)而計(jì)算出裂縫尺寸。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行了研究，Richard[1]提出以Gauss濾波方法處理二值化之后的橋面裂縫圖像，進(jìn)而使圖像銳化效果更好；Heipke等[2]對(duì)圖像加以中心提取技術(shù)，以期提高精度；夏巨武等[3]基于貝葉斯濾波提出了一種改進(jìn)的圖像處理方法；許薛軍等[4]改進(jìn)了邊緣檢測(cè)技術(shù)。但是以上檢測(cè)方法均建立在單目視覺的基礎(chǔ)之上，即僅用一個(gè)相機(jī)采集橋面裂縫圖像并進(jìn)行處理計(jì)算，此方法雖然較之傳統(tǒng)人工方法效率上有了極大改善，但測(cè)量可靠度不高。因?yàn)閮H用一個(gè)相機(jī)，會(huì)將從三維空間里采集到的圖片壓縮到二維平面上，若拍攝平面與橋面平行度較好，則結(jié)果較為可靠，否則，隨著相機(jī)平面與橋面的夾角增大，誤差將會(huì)顯著增大。為克服這種缺陷，本文提出了一種基于雙目視覺的橋面裂縫檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)雙相機(jī)采集裂縫圖片，進(jìn)而圖像處理之后以雙目視覺理論計(jì)算裂縫尺寸。從而克服單目視覺技術(shù)的不足之處，使機(jī)器視覺能更好地應(yīng)用于橋面裂縫檢測(cè)。

1雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)理論分析

1.1基本理論

如圖1所示，設(shè)點(diǎn)P為空間橋面裂縫某一特征點(diǎn)，該點(diǎn)在兩相機(jī)平面O1和O2的投影點(diǎn)依次為P1和P2。設(shè)左右兩臺(tái)相機(jī)由空間絕對(duì)坐標(biāo)系O-XYZ到相機(jī)平廓與橋面背景區(qū)域。

圖1　雙目視覺原理Fig.1 Binocular vision system principle

根據(jù)空間解析幾何理論，很顯然，式(3)中的4個(gè)方程均具有平面解析式的形式，前2方程代表2平面相交，得到的是直線O1P1P的方程，同理直線O2P2P的方程由后2個(gè)方程得出。兩直線方程相交，即可求出P點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)。

可見，若采用單相機(jī)模型，則理論上僅能解出一條直線的空間方程，無(wú)法得出空間點(diǎn)的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)，而雙目視覺理論則能夠克服這個(gè)缺陷，從而使橋面裂縫的精確測(cè)量有了可能。

1.2圖像處理

為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量的目的，必須對(duì)采集到的圖像進(jìn)行數(shù)字化處理。首先，經(jīng)過(guò)相機(jī)采集到的裂縫圖像不可避免地存在一些污染痕跡，這些痕跡會(huì)對(duì)有效捕捉裂縫特征點(diǎn)產(chǎn)生影響，這在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中被稱之為噪點(diǎn)，要進(jìn)行降噪處理以剔除噪點(diǎn)。其次，初步采集到的圖像為全信息圖像，欲提取有效裂縫信息，必須對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，以便計(jì)算機(jī)有效區(qū)分裂縫輪面坐標(biāo)系O-XlYl，O-XrYr的轉(zhuǎn)換矩陣分別為Ml和Mr，那么根據(jù)透鏡成像原理，針對(duì)左右相機(jī)，可得如下2個(gè)方程：

(1)

(2)

式中：(u1,v1,1)和(u2,v2,1)依次為p1和p2的齊次相機(jī)平面坐標(biāo)；(X,Y,Z,1)為點(diǎn)P在空間絕對(duì)坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)。將式(1)和式(2)展開并聯(lián)立有：

(3)

1.3裂縫檢測(cè)

設(shè)P和Q為裂縫圖像邊緣上的2個(gè)像素點(diǎn)，其經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的三維坐標(biāo)為(XP,YP,ZP)和(XQ,YQ,ZQ),

那么，根據(jù)空間2點(diǎn)距離公式有P和Q兩點(diǎn)間的距離為：

(4)

由此，可計(jì)算裂縫邊緣上任意兩點(diǎn)的距離。垂直于裂縫軸線并與裂縫輪廓相交的線段長(zhǎng)度可認(rèn)為是裂縫寬度，同時(shí)已知空間點(diǎn)坐標(biāo)也可計(jì)算曲線長(zhǎng)度，從而有效計(jì)算裂縫長(zhǎng)度。

2橋面裂縫檢測(cè)系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)橋面裂縫檢測(cè)，需要一套完備的軟硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)模塊如圖2所示。下面分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1圖像采集模塊

橋面裂縫檢測(cè)雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)圖像采集模塊的核心是雙目相機(jī)。本系統(tǒng)采用韓國(guó)Vieworks公司所生產(chǎn)的黑白CCD工業(yè)相機(jī)，型號(hào)VH-5MG，分辨率2 488×2 056。因?yàn)楣I(yè)相機(jī)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)墓δ?，且?guī)矢?，即便是相機(jī)隨著檢測(cè)車輛做高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，也能采集清晰的橋面裂縫圖像。將雙相機(jī)固定在檢測(cè)車輛上，可隨著車輛的移動(dòng)拍攝橋面裂紋圖像。為避免相機(jī)隨車輛的振動(dòng)而產(chǎn)生晃動(dòng)，在固定處安置一穩(wěn)定平臺(tái)，從而有效避免了相機(jī)振蕩對(duì)圖像采集效果的影響。

圖2　雙目視覺系結(jié)構(gòu)Fig.2 Binocular vision system structure

2.2圖像處理模塊

圖像處理的步驟為

1)采用Gauss濾波算法[5]對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理，從而剔除對(duì)檢測(cè)結(jié)果不利的噪點(diǎn)。

2)采用直方圖均衡化法[6]對(duì)降噪后的圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，為裂縫邊緣檢測(cè)做準(zhǔn)備。

3)用Canny算法[7]對(duì)增強(qiáng)后的圖像裂縫進(jìn)行邊緣檢測(cè)。

4)對(duì)檢測(cè)邊緣進(jìn)行二值化處理[8]。得出對(duì)尺寸計(jì)算有用的像素點(diǎn)。

選取某一橋面裂縫圖片，經(jīng)處理后效果如圖3所示。

(a)原始圖像；(b)數(shù)字處理后圖像圖3　數(shù)字化處理效果圖Fig.3 Digitized renderings

2.3雙目視覺計(jì)算模塊

2.3.1相機(jī)標(biāo)定

2.1節(jié)中對(duì)雙目視覺基本理論與坐標(biāo)計(jì)算方法作了介紹，其中轉(zhuǎn)換矩陣Ml和Mr中的某些參數(shù)是相機(jī)的固有屬性，稱為內(nèi)參數(shù)(如鏡頭畸變系數(shù))，這些參數(shù)是已知的。而將三維空間點(diǎn)投影到二維平面過(guò)程中的平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣中的參數(shù)是未知的，為求解這些參數(shù)，需要在檢測(cè)前對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。本文采用Times公司生產(chǎn)的黑白棋盤格標(biāo)定板，以經(jīng)典的張正友標(biāo)定算法[9]，對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。

經(jīng)標(biāo)定之后，相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)即可求得，代入Ml和Mr矩陣，即可參與計(jì)算。

2.3.2圖像匹配與尺寸計(jì)算

以上分析可見，空間點(diǎn)P的三維坐標(biāo)是通過(guò)這一點(diǎn)在左右相機(jī)平面上的二維坐標(biāo)計(jì)算可得。因此，從理論上講，必須精確尋得點(diǎn)P在左右相機(jī)平面中的像點(diǎn)，才能進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。這一過(guò)程稱為圖像的匹配過(guò)程。本文采用Sift算法[10]對(duì)左右相機(jī)二值化后的圖像進(jìn)行匹配。經(jīng)匹配計(jì)算之后，即可得出同一空間點(diǎn)在兩相機(jī)平面中的二維坐標(biāo)。然后根據(jù)1.1節(jié)中的理論對(duì)該點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。得出空間點(diǎn)坐標(biāo)之后，即可用1.3中的理論計(jì)算裂縫尺寸。

3實(shí)例分析

3.1漢十高速漢江大橋橋面裂紋檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

漢十高速十堰段處于鄂陜兩省交界地區(qū)，地勢(shì)復(fù)雜，而且氣候條件較差，橋梁與隧道居多，需要定期對(duì)該處橋梁進(jìn)行裂縫檢測(cè)，以便及時(shí)養(yǎng)護(hù)?，F(xiàn)就漢江高速公路大橋檢測(cè)數(shù)據(jù)為例，說(shuō)明雙目視覺檢測(cè)法在橋面裂縫檢測(cè)中的有效性。

天氣狀況：陰(為避免雨水對(duì)檢測(cè)效果的影響，也避免強(qiáng)光干擾檢測(cè)結(jié)果)，檢測(cè)車輛時(shí)速：60 km/h，大橋全長(zhǎng)1 126 m。檢測(cè)全程歷時(shí)85 s，共采集到16幀裂紋圖像，通過(guò)本文系統(tǒng)檢測(cè)出的裂縫尺寸與實(shí)際尺寸對(duì)比如表1所示。其中，橋梁寬度是指裂縫的最大寬度，長(zhǎng)度為裂縫的曲線長(zhǎng)度。實(shí)際長(zhǎng)度與寬度是指通過(guò)埋設(shè)在混凝土中的光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)得到的尺寸數(shù)據(jù)，是已錄入橋梁裂縫檢測(cè)報(bào)告中的數(shù)據(jù)。由于最大寬度的唯一性，可保證本文方法與該方法的對(duì)比寬度位置一致。

由表1可見，對(duì)于漢江大橋裂縫寬度和長(zhǎng)度的測(cè)量，通過(guò)雙目視覺技術(shù)所得到的誤差分別保持在1%和10%以內(nèi)，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定[10]，該方法滿足要求。且該方法的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量時(shí)間短，僅在85 s內(nèi)就完成了漢江大橋16個(gè)裂縫尺寸的檢測(cè)，是一種高效，可靠的檢測(cè)方法。

表1漢江大橋裂縫檢測(cè)尺寸與實(shí)際尺寸對(duì)比

Table 1 Crack detection size and the actual size comparison of Hanjiang bridge

序號(hào)檢測(cè)寬度/mm實(shí)際寬度/mm誤差/%檢測(cè)長(zhǎng)度/mm實(shí)際長(zhǎng)度/mm誤差/%10.3030.2971.8640.40340.3120.2320.4040.4265.5660.71260.1470.9430.3030.3174.4732.16731.9650.6340.5030.4922.2294.35993.4590.9650.5260.5132.4756.78557.2240.7761.0251.1178.9459.12759.0070.2070.9461.0126.9475.36775.1140.3480.8250.9019.1564.11563.6270.7790.5270.5112.9998.62999.4890.86100.1240.1212.10106.325105.9910.32110.2360.2312.3087.54988.1470.68120.4590.4560.7129.14628.9420.70130.8940.8831.2796.32495.4230.94140.7460.7420.5857.65157.2230.75151.1161.1011.3755.97256.2370.47160.8690.7948.6750.63151.1230.96

3.2京哈高速吉林段某橋梁檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

京哈高速吉林段位于我國(guó)東北地區(qū)，屬于溫帶大陸性氣候，氣候干燥，夏季炎熱，冬天寒冷，且晝夜溫差較大。這種氣候很容易造成路面龜裂，因此需加強(qiáng)檢測(cè)。現(xiàn)選擇合適天氣對(duì)某橋梁進(jìn)行裂縫檢測(cè)，橋梁全長(zhǎng)526 m，檢測(cè)車輛時(shí)速80 km/h，采集裂縫圖像9幀，檢測(cè)歷時(shí)57 s，運(yùn)用雙目視覺檢測(cè)系統(tǒng)得出的檢測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量值(測(cè)量方法和尺寸定義均與漢江大橋相同)對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2京哈高速某橋裂縫檢測(cè)尺寸與實(shí)際尺寸對(duì)比

Table 2 Crack detection size and the actual size comparison of a bridge in Jingha expressway

序號(hào)檢測(cè)寬度/mm實(shí)際寬度/mm誤差/%檢測(cè)長(zhǎng)度/mm實(shí)際長(zhǎng)度/mm誤差/%10.4570.4723.28103.251102.3120.9120.5320.4976.5875.62374.9470.8930.4140.3925.3137.45837.7650.8240.7320.7816.6946.32146.0360.6252.5262.3138.43179.256178.1630.6161.0251.1178.9854.37954.6120.4371.8352.0129.6575.36775.1140.3482.0752.2458.19115.342114.3650.8590.6480.6115.7197.63597.4110.23

由表2可見，對(duì)于京哈高速某橋裂縫寬度和長(zhǎng)度的測(cè)量，其誤差亦符合《規(guī)范》中的規(guī)定，檢測(cè)精度可靠，檢測(cè)效率亦極高。

4結(jié)論

1)系統(tǒng)分析了雙目視覺測(cè)量理論，從理論上證明了雙目視覺技術(shù)更適用于尺寸檢測(cè)。

2)組建了基于雙目視覺技術(shù)的橋梁裂縫檢測(cè)系統(tǒng)，使之能應(yīng)用于工程實(shí)踐。

3)實(shí)驗(yàn)證明，雙目視覺測(cè)量技術(shù)在橋梁裂縫檢測(cè)應(yīng)用方面有較高的可靠度。對(duì)類似的工程實(shí)際也有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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(編輯蔣學(xué)東)

摘要:準(zhǔn)確檢測(cè)橋面裂縫，對(duì)于提高橋梁養(yǎng)護(hù)效率和保障車輛通行安全具有重要意義，但是，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法往往效率低下而且人力成本過(guò)高。針對(duì)這種現(xiàn)狀，提出一種基于雙目視覺的橋面裂縫檢測(cè)方法，通過(guò)CCD工業(yè)相機(jī)采集裂縫圖像，再對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，最后由雙目視覺系統(tǒng)計(jì)算裂縫尺寸，從而達(dá)到檢測(cè)目的。工程實(shí)踐表明，該方法檢測(cè)效率要顯著高于傳統(tǒng)方法，且檢測(cè)精度亦能滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

關(guān)鍵詞：橋面裂縫檢測(cè)；雙目視覺；圖像處理

Research on bridge crack detection based on binocular visionLIU Jianwei, ZHONG Zexiang

(Changsha Planning & Design Institute Co. ,Ltd, Changsha 410007, China)

Abstract:Detecting the bridge deck crack accurately is of great significance for improving bridge maintenance efficiency and ensuring traffic safety. However, the traditional detection methods are often inefficient and labor-consuming. In this regard, this paper proposed a bridge crack detection method based on binocular vision, to capture the crack images through CCD industrial camera, which was digitized with a computer to calculate the size of crack with binocular vision theory. The engineering practice shows that the proposed method was far more efficient than the traditional one, and the detection accuracy can also meet the relevant technical standards.

Key words:bridge crack detection; binocular vision; image processing

中圖分類號(hào)：U416

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)01-0164-04

通訊作者：劉建威(1979-)，男，湖南雙峰人，高級(jí)工程師，從事路橋設(shè)計(jì)研究；E-mail:jdf199198@163.com

收稿日期：*2015-06-07