專利名稱：基于波前編碼技術(shù)的混凝土裂縫寬度檢測(cè)方法和手持式檢測(cè)儀的制作方法
基于波前編碼技術(shù)的混凝土裂縫寬度檢測(cè)方法和手持式檢
測(cè)儀技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及建筑混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是對(duì)混凝土
裂縫寬度的測(cè)量。背景技術(shù)：
由于混凝土的組成材料、結(jié)構(gòu)體系、受力狀態(tài)和外界環(huán)境等諸多因素
的影響，致使混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因十分復(fù)雜。歸結(jié)起來可分為荷載造成的裂縫、結(jié)構(gòu) 變形造成的裂縫、施工不當(dāng)或使用不當(dāng)造成的裂縫等幾類。 目前建筑設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)理部門所使用的裂縫寬度測(cè)量方法還比較落后，主要有 目測(cè)法、檢驗(yàn)規(guī)比對(duì)法和讀數(shù)放大鏡法。測(cè)量時(shí)，靠人工讀取數(shù)據(jù)并手工描繪記錄裂縫形態(tài) 和走向，因此測(cè)量結(jié)果人為影響因素較大，缺乏客觀性和權(quán)威性，而且效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。
本申請(qǐng)人曾與天津市建筑科學(xué)研究院聯(lián)合立項(xiàng)開展裂縫寬度測(cè)量系統(tǒng)研究，設(shè)計(jì) 了基于傳統(tǒng)光學(xué)成像方法的手持式檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)，基本實(shí)現(xiàn)了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度的自動(dòng) 測(cè)量。但該系統(tǒng)樣機(jī)存在焦深小，準(zhǔn)確調(diào)焦困難，且在對(duì)應(yīng)小景深內(nèi)由于存在像差和混凝土 表面凹凸過大致使視場(chǎng)內(nèi)圖像無法完全清晰等缺陷。在此研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)的基于波前 編碼技術(shù)的混凝土裂縫寬度檢測(cè)系統(tǒng)能有效擴(kuò)展檢測(cè)系統(tǒng)的焦深，從而克服了原檢測(cè)系統(tǒng) 樣機(jī)焦深小而導(dǎo)致的缺陷，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是克服基于傳統(tǒng)光學(xué)成像設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)焦深小準(zhǔn)確調(diào) 焦困難，且在對(duì)應(yīng)小景深內(nèi)由于存在像差和混凝土表面凹凸過大致使視場(chǎng)內(nèi)圖像無法完全 清晰等缺陷，提高系統(tǒng)的實(shí)用性和適應(yīng)性，提供一種基于波前編碼技術(shù)的混凝土裂縫寬度 檢測(cè)方法和手持式檢測(cè)儀。 本發(fā)明提出一種采用波前編碼圖像來提高系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)焦深要求的方法，并研制出 實(shí)現(xiàn)該方法的嵌入式檢測(cè)儀。 該方法采用環(huán)形LED分布且亮度可調(diào)式照明，既保證了照明的均勻性要求，又能
夠適應(yīng)不同檢測(cè)表面反射性質(zhì)的要求，擴(kuò)展了檢測(cè)儀器的適用范圍；采用波前編碼成像技
術(shù)有效擴(kuò)展了系統(tǒng)的景深，大大降低了對(duì)成像在像差方面的要求和系統(tǒng)調(diào)整的復(fù)雜性；采
用以灰度梯度向量模方和為判據(jù)的等增量旋轉(zhuǎn)調(diào)整方法確定系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)方位，并用于
維納濾波進(jìn)行中間像解碼，大大提高了編碼圖像的恢復(fù)質(zhì)量；數(shù)據(jù)的采集和處理均由嵌入
式系統(tǒng)來完成，并直接由LCD顯示結(jié)果，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的USB 口存取，使得測(cè)量過程簡(jiǎn)
便、快捷、可操作性強(qiáng)，降低了對(duì)檢測(cè)人員的技能要求，更有利于產(chǎn)品及技術(shù)的推廣。 本發(fā)明測(cè)量的基本原理是波前編碼成像測(cè)量方法，先將被檢測(cè)的裂縫表面通過光
學(xué)編碼成像系統(tǒng)編碼成像在圖像傳感器像面上，采用相應(yīng)的圖像恢復(fù)算法恢復(fù)出清晰圖
像，以圖像傳感器像素大小為標(biāo)尺可測(cè)得裂縫像的寬度，再根據(jù)系統(tǒng)定標(biāo)后得到的系統(tǒng)垂
軸放大率，可求得裂縫的實(shí)際寬度。其中波前編碼技術(shù)的采用有效地?cái)U(kuò)展了檢測(cè)系統(tǒng)的焦
深，從而克服了基于傳統(tǒng)光學(xué)成像方法設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)焦深小準(zhǔn)確調(diào)焦困難，且在對(duì)應(yīng)小
景深內(nèi)由于存在像差和混凝土表面凹凸過大致使視場(chǎng)內(nèi)圖像無法完全清晰等缺陷。 本發(fā)明提供的基于波前編碼技術(shù)的混凝土裂縫寬度檢測(cè)方法依次包括 第一、采用白光LED環(huán)形分布照明方式實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)面的照明，該環(huán)形分布光源安
4裝在成像物鏡之前，通過電路設(shè)計(jì)分級(jí)調(diào)控LED的亮度，保證測(cè)量系統(tǒng)適合的照明亮度及 均勻性； 第二、被檢混凝土表面通過光學(xué)編碼成像系統(tǒng)成像光學(xué)編碼成像系統(tǒng)由傳統(tǒng)光 學(xué)成像系統(tǒng)和相位板組成，相位板置于傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)的孔徑光闌處以實(shí)現(xiàn)對(duì)物光波前 的相位進(jìn)行調(diào)制編碼，獲得編碼圖像；光學(xué)編碼成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附圖2所示。
其中所述的光學(xué)編碼成像系統(tǒng)中的光學(xué)成像元件為單透鏡或雙膠合透鏡，焦距 f' = 15mm，無特別像差校正要求；相位板為立方型式，即一面為平面，另一面為立方形 式，經(jīng)過C0DE V軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得參數(shù)，其立方面形歸一化參數(shù)可表示為Z = a (X3+y3)， 式中x2+y2《1， a為歸一化系數(shù)，a = 4. 7 y m。相位板外形輪廓示意如附圖3所示。
第三、第二步得到的編碼圖像由CMOS圖像傳感器單元接收，在嵌入式處理單元 (DSP)的控制下完成圖像的緩存、解碼恢復(fù)、存儲(chǔ)裂縫寬度計(jì)算結(jié)果或按要求存儲(chǔ)需要的裂 縫恢復(fù)圖像； 第四、設(shè)置人機(jī)交互界面，接收現(xiàn)場(chǎng)操作指令； 第五、基于相位板的編碼非對(duì)稱旋轉(zhuǎn)性質(zhì)，采用以灰度梯度向量模方和為判據(jù)的 等增量旋轉(zhuǎn)調(diào)整方法確定系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)方位，并用于維納濾波進(jìn)行中間像解碼， 以獲得清晰的檢測(cè)圖像；對(duì)清晰圖像進(jìn)行邊緣提取、最大聯(lián)通域計(jì)算等處理，獲得以傳感器 像素大小為標(biāo)尺度量的裂縫像寬度y'; 第六、通過標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)規(guī)編碼恢復(fù)圖像定標(biāo)得到檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際垂軸放大率P，根 據(jù)公式p = y' /y (1)
即可求出裂縫的實(shí)際寬度y。 第七、輸出檢測(cè)結(jié)果可以采用LCD現(xiàn)場(chǎng)顯示和USB傳輸兩種方式輸出檢測(cè)結(jié)果。
—種實(shí)現(xiàn)以上所述檢測(cè)方法的手持式檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀包括 (1)照明光源使用白光LED環(huán)形分布光源，安裝在光學(xué)編碼成像系統(tǒng)的成像物鏡 之前，用于產(chǎn)生被檢測(cè)面上的均勻照明光；并通過軟件控制實(shí)現(xiàn)4級(jí)亮度調(diào)控；
(2)光學(xué)編碼成像部分由單透鏡或雙膠合透鏡以及用于波前編碼的相位板共同 組成，用于被檢測(cè)面的編碼成像； (3)CM0S圖像傳感器用于實(shí)時(shí)獲取由光學(xué)編碼成像系統(tǒng)傳來的被檢測(cè)表面波前 編碼中間圖像。其連接圖如附圖4所示，CMOS圖像傳感器的工作時(shí)序由CPLD提供包括 幀同步，行同步及時(shí)鐘同步信號(hào)；輸出數(shù)字圖像信號(hào)經(jīng)CPLD設(shè)置的通道，由DSP控制存入 SD廳。 (4)復(fù)雜可編程邏輯陣列CPLD :用于產(chǎn)生CMOS工作時(shí)序、各種分頻或延時(shí)信號(hào)、存 儲(chǔ)器地址選通信號(hào)、提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)流切換通道和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組合。通過軟件設(shè)計(jì)CPLD內(nèi)部邏 輯將主時(shí)鐘分頻、延時(shí)、組合，產(chǎn)生CMOS工作時(shí)序及SDRAM存儲(chǔ)時(shí)序，并由DSP提供啟動(dòng)信 號(hào)，連接方式如附圖4所示； (5)存儲(chǔ)器模塊包括SDRAM和FLASH,分別用于實(shí)時(shí)緩存波前編碼中間圖像、各種 中間處理結(jié)果，和按指令存儲(chǔ)恢復(fù)圖像及裂縫寬度處理最終結(jié)果。SDRAM和FLASH的控制、 地址和數(shù)據(jù)信號(hào)均來自DSP，連接方式如附圖4所示； (6)數(shù)字信號(hào)處理器DSP :用于接收人機(jī)界面指令，控制CM0S的工作方式和工作狀態(tài)，接收CMOS圖像數(shù)據(jù)，采用維納濾波方法進(jìn)行中間圖像恢復(fù)并根據(jù)定標(biāo)后的13值和公 式P = y' /y計(jì)算裂縫寬度，按要求存儲(chǔ)恢復(fù)圖像和計(jì)算結(jié)果，控制LCD液晶顯示并支持 USB接口工作。數(shù)字信號(hào)處理器是圖像采集與處理部分和顯示與交互部分的核心，可實(shí)現(xiàn) CM0S和CPLD啟動(dòng)、數(shù)據(jù)緩存、處理、顯示、用戶鍵入數(shù)據(jù)處理等功能，具體連接方式如附圖4 所示； (7)顯示模塊LCD :與數(shù)字信號(hào)處理器連接，對(duì)檢測(cè)狀態(tài)和結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；
(8)USB接口模塊與數(shù)字信號(hào)處理器連接，將檢測(cè)結(jié)果直接存儲(chǔ)到U盤或以USB 方式傳輸。 由于嵌入式系統(tǒng)具有內(nèi)核小，專用性強(qiáng)，系統(tǒng)精簡(jiǎn)，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，功耗低等優(yōu) 點(diǎn)，越來越受到人們的關(guān)注。本發(fā)明便是基于嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的獲取、分析和處 理的。將編碼圖像采集、圖像緩存、圖像恢復(fù)、裂縫寬度計(jì)算、中央控制模塊，顯示模塊，USB 通信接口等集成在一套嵌入式系統(tǒng)中，使整個(gè)系統(tǒng)體積小，重量輕，同時(shí)使測(cè)量過程簡(jiǎn)便、 快捷。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果 本發(fā)明提出了一種基于波前編碼技術(shù)的混凝土裂縫寬度檢測(cè)方法，并研制出實(shí)現(xiàn) 該方法的嵌入式檢測(cè)儀器。該方法由于運(yùn)用了波前編碼技術(shù)，從而使基于傳統(tǒng)光學(xué)成像設(shè) 計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)有效地克服了焦深小準(zhǔn)確調(diào)焦困難，且在對(duì)應(yīng)小景深內(nèi)由于存在像差和混凝 土表面凹凸過大致使視場(chǎng)內(nèi)圖像無法完全清晰等缺陷，大大提高了此類儀器的實(shí)用性和適 用性。由于采用LED環(huán)形分布照明和亮度分級(jí)控制的方法，可有效地滿足系統(tǒng)照明亮度的 要求，很好地適應(yīng)了圖像傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，提高了系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)對(duì)象種類的適應(yīng)性。將 編碼圖像采集、圖像緩存、圖像恢復(fù)、裂縫寬度計(jì)算、中央控制模塊，顯示模塊，USB通信接口 等集成到一套嵌入式系統(tǒng)中，將整套儀器小型化、簡(jiǎn)便化，增強(qiáng)了儀器的可操作性，更便于 推廣使用。


圖1是系統(tǒng)整體框圖； 圖2是光學(xué)編碼成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖中l(wèi)是立方型相位板、2是孔徑光闌、3是雙凸 透鏡、4是編碼圖像面； 圖3是相位板外形輪廓圖其中上表面為立方形面型示意； 圖4是系統(tǒng)電路連接框圖其中包括數(shù)字信號(hào)處理器DSP、圖像傳感器CM0S、復(fù)雜 可編程邏輯陣列CPLD及存儲(chǔ)器模塊(SDRAM和FLASH)的電路連接；
圖5是系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)調(diào)整流程圖； 圖6是被檢測(cè)混凝土裂縫圖像其中(A)是傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)獲得的圖像、(B)是光學(xué) 編碼成像系統(tǒng)獲得的編碼圖像、(C)是解碼后的恢復(fù)圖像； 圖7是裂縫寬度圖像預(yù)處理過程其中(A)是中值濾波后圖像、(B)是二值化后圖 像、(C)是邊緣提取后圖像、(D)是最大聯(lián)通域計(jì)算結(jié)果；
圖8是裂縫圖像局部放大后寬度搜索計(jì)算過程； 圖9是裂縫寬度圖像定標(biāo)過程其中(A)是系統(tǒng)定標(biāo)所用檢驗(yàn)規(guī)編碼圖像、(B)是 檢驗(yàn)規(guī)解碼恢復(fù)圖像、圖(C)是寬度提取擬合曲線；
圖10是系統(tǒng)主程序框圖； 圖11是波前編碼混凝土裂縫寬度手持式檢測(cè)儀整體結(jié)構(gòu)示意圖，對(duì)應(yīng)附圖1中各 個(gè)部分5是圖像傳感器、6是電池供電部分、7是LCD顯示、8是小鍵盤、9是USB接口 、 10是 圖像采集與處理部分、11是光學(xué)編碼成像部分、12是LED照明部分。
具體實(shí)施方式
—、裂縫儀的
具體實(shí)施例方式
如附圖1所示的裂縫儀系統(tǒng)框圖中，采用三部分實(shí)施(1)裂縫儀照明部分；(2)光 學(xué)編碼成像部分包括了圖2所示的1立方型相位板、2孔徑光闌、3雙凸透鏡、4編碼圖像 面四個(gè)部分；(3)裂縫儀電路部分包括了圖1中所示的圖像采集與處理和結(jié)果顯示與交互 兩部分。
(1)裂縫儀照明部分 使用白光LED環(huán)形分布光源，6個(gè)白光毛面LED均勻分布在鏡筒內(nèi)壁并安裝在光學(xué) 編碼成像系統(tǒng)的成像物鏡之前，其供電受DSP控制實(shí)現(xiàn)4級(jí)調(diào)整，并將亮度級(jí)別顯示于LCD 屏幕供用戶更改操作。白光LED環(huán)形分布光源的結(jié)構(gòu)分布如附圖ll所示。
(2)裂縫儀光學(xué)編碼成像部分 系統(tǒng)的光學(xué)編碼成像部分括鏡筒，連接器，座板、鏡頭以及相位板。鏡筒用于保證 系統(tǒng)的物距，從而確定系統(tǒng)的放大率。座板主要用來安裝鏡頭和相位板。相位板實(shí)現(xiàn)裂縫 圖像編碼，其面型如附圖3所示。裂縫儀光學(xué)編碼成像部分結(jié)構(gòu)位置如附圖11所示。
(3)裂縫儀電路部分 采用DSP作為電路核心控制器，DSP可按照按鍵輸入指令分別執(zhí)行圖像采集和恢 復(fù)、圖像處理(計(jì)算和結(jié)果顯示)、圖像存儲(chǔ)和查看FLASH空間四種操作。其主程序框圖如
附圖io所示。 系統(tǒng)上電后，DSP進(jìn)行初始化操作，通過SCCB總線設(shè)置CMOS工作參數(shù)，在液晶屏 上顯示操作菜單，并等待按鍵指示。 接到圖像采集指令后，DSP啟動(dòng)CMOS芯片，開啟SDRAM通道，CPLD通過組合CMOS 的同步信號(hào)，將圖像的8位數(shù)據(jù)組合成16位數(shù)據(jù)，順序?qū)懭隨DRAM中緩存，一幀圖像采集完 成后，停止CMOS，執(zhí)行圖像恢復(fù)子程序，完成后緩存于指定存儲(chǔ)空間，顯示后續(xù)操作指令提 示，并按指令轉(zhuǎn)入不同程序。 接到圖像處理或圖像存儲(chǔ)指令后，DSP首先查詢SDRAM數(shù)據(jù)區(qū)是否為空，若為空則
顯示操作錯(cuò)誤提示后，重新等待有效操作指令；若不空，則進(jìn)行相應(yīng)處理。圖像處理時(shí)，由于
DSP內(nèi)存有限，只能將SDRAM中的數(shù)據(jù)分塊讀入，處理后再放入SDRAM的另外區(qū)域中，直到
整個(gè)圖像處理完畢，顯示、存儲(chǔ)裂縫寬度計(jì)算結(jié)果并詢問是否存儲(chǔ)恢復(fù)圖像，進(jìn)入相應(yīng)處理
程序；圖像存儲(chǔ)時(shí)，DSP控制將SDRAM中的16位數(shù)據(jù)按高8位和低8位數(shù)據(jù)形式對(duì)應(yīng)寫入
2片F(xiàn)LASH中，操作完成后，將圖像存儲(chǔ)序數(shù)加l，顯示處理完成，返回主操作菜單。 接到FLASH查詢命令，DSP即讀取FLASH中指定單元內(nèi)的圖像存儲(chǔ)序數(shù)，顯示在液
晶屏上。FLASH中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)都可以通過USB接口輸出。LCD顯示與USB接口的結(jié)構(gòu)位置
如附圖11所示。 二、裂縫儀的定標(biāo)方法
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測(cè)量儀器在使用前必須進(jìn)行定標(biāo)。定標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)方格模板或混凝土裂縫檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)
檢驗(yàn)規(guī)進(jìn)行。定標(biāo)過程包括編碼圖像的恢復(fù)、圖像預(yù)處理、裂縫寬度計(jì)算和獲得系統(tǒng)P值
幾個(gè)主要步驟。
(1)編碼圖像的恢復(fù) 波前編碼系統(tǒng)中由于相位板的調(diào)制作用，使得系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)對(duì)離焦不再敏 感，因此可以在很大的焦深范圍內(nèi)用一個(gè)相同的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行圖像恢復(fù)。針對(duì)立方相位 板對(duì)光瞳調(diào)制具有非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，而相位板方位測(cè)試?yán)щy導(dǎo)致實(shí)際波前編碼系統(tǒng)后續(xù)圖像 不能準(zhǔn)確恢復(fù)的問題，采用以灰度梯度向量模方和為判據(jù)的等增量旋轉(zhuǎn)調(diào)整系統(tǒng)PSF的維 納濾波方法進(jìn)行圖像恢復(fù)。對(duì)于基于波前編碼技術(shù)的手持式裂縫檢測(cè)系統(tǒng)，以ZEMAX軟件 設(shè)計(jì)得到的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)為基礎(chǔ)，等增量旋轉(zhuǎn)其角度，進(jìn)行維納濾波圖像恢復(fù)，并計(jì)算比較不 同對(duì)應(yīng)角度下恢復(fù)圖像的灰度梯度向量模方和，尋找出最大的恢復(fù)梯度模方和所對(duì)應(yīng)的點(diǎn) 擴(kuò)散函數(shù)方位，即為該實(shí)際系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，用于后續(xù)圖像恢復(fù)，調(diào)整過程如附圖5所
示。同時(shí)使用循環(huán)邊界的方法消除截?cái)嗾疋徯?yīng)，從而得到滿足使用要求的恢復(fù)圖像。被 檢混凝土裂縫編碼圖像和恢復(fù)圖像分別如附圖6(B)和附圖6(C)所示。
(2)圖像預(yù)處理和裂縫像寬度計(jì)算 恢復(fù)后的圖像需經(jīng)過圖像預(yù)處理(包括中值濾波、二值化、邊緣提取、最大聯(lián)通域 判斷與提取)和裂縫寬度搜索與計(jì)算等過程得到裂縫像寬度y'。預(yù)處理中的中值濾波 可有效消除恢復(fù)圖像中的高頻噪聲，中值濾波后的圖像如附圖7(A)所示，再進(jìn)行二值化處 理，得到二值化裂縫圖像如附圖7(B)所示。然后針對(duì)二值化圖像進(jìn)行邊緣提取運(yùn)算，結(jié)果 如附圖7(C)所示。為消除邊緣提取圖像中的'孤島'邊緣，采用最大聯(lián)通域處理計(jì)算出裂 縫寬度邊緣連續(xù)曲線，如附圖7(D)所示。 裂縫像寬度計(jì)算可分為裂縫像平均寬度計(jì)算和裂縫像上指定位置處寬度計(jì)算兩 種。若計(jì)算平均寬度，可在兩條連續(xù)邊界圖中，選定其中一條為基準(zhǔn)邊界，在該邊界上等間 隔取n個(gè)點(diǎn)Ai(i = 1，2...n)，其中n可通過鍵盤輸入確定或根據(jù)裂縫總長等比例缺省設(shè) 置。分別求出Ai到對(duì)面邊界的最短距離后取平均值即為所求裂縫像平均像素寬度y'。在 求Ai (i = 1， 2. . . n)點(diǎn)到對(duì)面邊界的最短離時(shí)，與最大聯(lián)通域計(jì)算得到的裂縫像素號(hào)對(duì)應(yīng)， 按照裂縫的大致走向，利用Ai點(diǎn)的斜率進(jìn)行搜索，求出基準(zhǔn)邊界上Ai點(diǎn)分別與其前向和后 向的第j個(gè)邊界點(diǎn)的斜率(j的值由系統(tǒng)規(guī)定或者用戶輸入更改)，利用計(jì)算得到的平均斜 率和Ai點(diǎn)作直線。然后過Ai點(diǎn)作此直線的垂線，交對(duì)面邊界為BiO，在該點(diǎn)前后以等像素 間距取5個(gè)點(diǎn)。分別求Ai與這些點(diǎn)的距離，在附圖8中Ai與BiO，Bil的距離最短，所以再 次搜索時(shí)，只比較BiO， Bil之間的點(diǎn)與Ai距離即可確定Ai處的裂縫寬度。若計(jì)算指定位 置處寬度只需按要求在兩條連續(xù)邊界圖中，計(jì)算基準(zhǔn)邊界上確定Ai點(diǎn)到對(duì)面邊界的最短 距離即可。 (3)系統(tǒng)13值的獲得 采用混凝土裂縫標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)規(guī)進(jìn)行系統(tǒng)的定標(biāo)，混凝土裂縫標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)規(guī)編碼圖像和 根據(jù)本節(jié)(1)所述圖像恢復(fù)方法處理后的恢復(fù)圖像分別如附圖9(A)、9(B)所示。可采用本 節(jié)(2)中裂縫像寬度計(jì)算方法，也可由檢驗(yàn)規(guī)寬度分布一致性在恢復(fù)圖像預(yù)處理的基礎(chǔ)上 截取一維信號(hào)，得到附圖9(C)所示的寬度曲線，由多峰擬合所得的線寬測(cè)量出實(shí)際檢驗(yàn)規(guī) 已知各線條寬度y所對(duì)應(yīng)的像素寬度y'，根據(jù)公式(l)即可得到系統(tǒng)垂軸放大率P 。由
8表1的定標(biāo)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出系統(tǒng)的P平均值為0. 130，平均方差為0. 003。
表1定標(biāo)測(cè)量結(jié)果
存粉號(hào)繼澄y，"附J辦"
10.2533.4080.134
20.3038.4960.128
30.3545.1840.128
40.4052.3200.131
0.4558.3040.129
60.5065.3440.131 三、裂縫儀測(cè)量結(jié)果 實(shí)際測(cè)量時(shí)先將裂縫編碼圖像依照定標(biāo)(1)所述圖像恢復(fù)算法得到解碼后裂縫 圖像，再根據(jù)定標(biāo)(2)所述方法求得指定位置裂縫寬度，將部分測(cè)量結(jié)果與使用"混凝土裂 縫寬度檢驗(yàn)規(guī)"得到的對(duì)比結(jié)果列于表2中，可以看出系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果與混凝土裂縫寬度 檢驗(yàn)規(guī)的測(cè)量結(jié)果基本一致，測(cè)量最大偏差為0. 055mm，平均偏差為0. 035，平均運(yùn)算速度 為2. 6s。大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量滿足檢驗(yàn)偏差0. 050mm以內(nèi)的要求。 [OOes] 表2寬度檢測(cè)結(jié)果(單位mm)
鄉(xiāng)度度f微雄畫J^微度遂對(duì)體
10.260.2230.043
20.810.8440.033
30.900.8750.025
41.121.1670.047
1.621.6060.014
62.452.4920.042
72.582.5430.037
84.724.7850.055
95.045.0670.027
9
權(quán)利要求
一種基于波前編碼技術(shù)的混凝土裂縫寬度檢測(cè)方法，其特征是該方法依次包括第一、采用白光LED環(huán)形分布光源實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)面的照明，該白光LED環(huán)形分布光源安裝在成像物鏡之前，通過電路設(shè)計(jì)分級(jí)調(diào)控LED的亮度，保證測(cè)量系統(tǒng)適合的照明亮度及均勻性；第二、被檢混凝土表面通過光學(xué)編碼成像系統(tǒng)成像光學(xué)編碼成像系統(tǒng)由傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)和相位板組成，相位板置于傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)的孔徑光闌處以實(shí)現(xiàn)對(duì)物光波前的相位進(jìn)行調(diào)制編碼，獲得編碼圖像；第三、第二步得到的編碼圖像由CMOS圖像傳感器單元接收，在嵌入式處理單元的控制下完成圖像的緩存、解碼恢復(fù)、存儲(chǔ)裂縫寬度計(jì)算結(jié)果或按要求存儲(chǔ)需要的裂縫恢復(fù)圖像；第四、設(shè)置人機(jī)交互界面，接收現(xiàn)場(chǎng)操作指令；第五、基于相位板的編碼非對(duì)稱旋轉(zhuǎn)性質(zhì)，采用以灰度梯度向量模方和為判據(jù)的等增量旋轉(zhuǎn)調(diào)整方法確定系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)方位，并用于維納濾波進(jìn)行中間像解碼，以獲得清晰的檢測(cè)圖像；對(duì)清晰圖像進(jìn)行邊緣提取、最大聯(lián)通域計(jì)算處理，獲得以傳感器像素大小為標(biāo)尺度量的裂縫像寬度y′；第六、通過標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)規(guī)編碼恢復(fù)圖像定標(biāo)得到檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際垂軸放大率β，根據(jù)公式β＝y(tǒng)′/y(1)即可求出裂縫的實(shí)際寬度y；第七、輸出檢測(cè)結(jié)果可以采用LCD現(xiàn)場(chǎng)顯示和USB傳輸兩種方式輸出檢測(cè)結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第一步中所述的白光LED環(huán)形分布光源由 4-6個(gè)毛面LED均布構(gòu)成，通過電路設(shè)計(jì)和軟件調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)4級(jí)亮度變換，以適應(yīng)被檢面反射 率不同的要求。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第二步中所述的光學(xué)編碼成像系統(tǒng)中的光 學(xué)成像元件為單透鏡或雙膠合透鏡，焦距f' = 15mm，無特別像差校正要求；相位板為立方 型式，即一面為平面，另一面為立方形式，經(jīng)過CODE V軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得參數(shù)，其立方面 形歸一化參數(shù)可表示為z = a (x3+y3)，其中x2+y2《1， a為歸一化系數(shù)，a = 4. 7 y m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第三步中所述的嵌入式處理單元為DSP。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第五步中明確提出將立方相位板的編碼非 對(duì)稱旋轉(zhuǎn)性質(zhì)應(yīng)用于系統(tǒng)PSF的修正，并采用灰度梯度向量模方和為判據(jù)的等增量旋轉(zhuǎn)調(diào) 整方法確定實(shí)際檢測(cè)系統(tǒng)的PSF方位。
6. —種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述檢測(cè)方法的手持式檢測(cè)儀，其特征是該檢測(cè)儀包括(1) 照明光源安裝在光學(xué)編碼成像系統(tǒng)的成像物鏡之前，用于產(chǎn)生被檢測(cè)面上的均 勻照明光；并通過軟件控制實(shí)現(xiàn)4級(jí)亮度調(diào)控；(2) 光學(xué)編碼成像系統(tǒng)由單透鏡或雙膠合透鏡以及用于波前編碼的相位板共同組 成，用于被檢測(cè)面的編碼成像；(3) CM0S圖像傳感器用于實(shí)時(shí)獲取由光學(xué)編碼成像系統(tǒng)所得到的被檢測(cè)表面波前編 碼中間圖像；CM0S圖像傳感器的工作時(shí)序由CPLD提供包括幀同步，行同步及時(shí)鐘同步信 號(hào)；輸出數(shù)字圖像信號(hào)經(jīng)CPLD設(shè)置的通道，由DSP控制存入SDRAM ;(4) 復(fù)雜可編程邏輯陣列CPLD :用于產(chǎn)生CMOS工作時(shí)序、各種分頻或延時(shí)信號(hào)、存儲(chǔ)器 地址選通信號(hào)、提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)流切換通道和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組合；并由數(shù)字信號(hào)處理器DSP提供 啟動(dòng)信號(hào)；(5) 存儲(chǔ)器模塊包括SDRAM和FLASH，用于實(shí)時(shí)緩存波前編碼中間圖像、各種中間處理 結(jié)果，并按指令存儲(chǔ)恢復(fù)圖像和裂縫寬度處理結(jié)果；SDRAM和FLASH的控制、地址和數(shù)據(jù)信 號(hào)均來自DSP ;(6) 數(shù)字信號(hào)處理器DSP :用于接收人機(jī)界面指令，控制CMOS的工作方式和工作狀態(tài)， 接收CMOS圖像數(shù)據(jù)，采用維納濾波方法進(jìn)行中間圖像恢復(fù)并根據(jù)定標(biāo)后的13值和公式|3 =y' /y計(jì)算裂縫寬度，按要求存儲(chǔ)恢復(fù)圖像和計(jì)算結(jié)果，控制LCD液晶顯示并支持USB接 口工作；(7) 顯示模塊與數(shù)字信號(hào)處理器連接，對(duì)檢測(cè)狀態(tài)和結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；(8) USB接口模塊與數(shù)字信號(hào)處理器連接，將檢測(cè)結(jié)果直接存儲(chǔ)到U盤或以USB方式 傳輸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的檢測(cè)儀，其具體組成部分主要是包括圖像傳感器為分辨率 一百萬像素CMOS傳感器、電池供電采用5V供電、顯示模塊為LCD顯示屏幕、小鍵盤由四按 鍵組成、USB接口采用USB 2. Omini型接口 、圖像采集與處理部分核心控制器為DSP5509、光 學(xué)編碼成像部分由單透鏡與相位板實(shí)現(xiàn)裂縫圖像編碼、LED照明光源采用環(huán)形照明。
全文摘要
基于波前編碼技術(shù)的混凝土裂縫寬度檢測(cè)方法和手持式檢測(cè)儀。先將被檢測(cè)裂縫表面通過光學(xué)系統(tǒng)編碼成像在圖像傳感器上，再采用相應(yīng)的恢復(fù)算法解碼出清晰圖像，以傳感器像素為標(biāo)尺測(cè)得裂縫像寬度后，根據(jù)系統(tǒng)定標(biāo)所得放大率，求出裂縫的實(shí)際寬度。檢測(cè)儀包括光學(xué)編碼成像、圖像采集與處理和結(jié)果顯示與交互三個(gè)部分。光學(xué)編碼成像部分能對(duì)測(cè)量面提供均勻照明并實(shí)現(xiàn)編碼成像；圖像采集與處理部分能完成圖像緩存、解碼恢復(fù)、裂縫寬度計(jì)算、存儲(chǔ)結(jié)果或圖像等功能；處理結(jié)果由LCD直接顯示，恢復(fù)圖像或數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)并通過USB口輸出，設(shè)置按鍵作為人機(jī)交互接口，接受操作指令。本發(fā)明使混凝土裂縫寬度測(cè)量過程簡(jiǎn)便、客觀，且對(duì)各種混凝土表面具有較好的適用性。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101706259SQ20091022869
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者朱猛, 范立強(qiáng), 蔡懷宇, 黃戰(zhàn)華 申請(qǐng)人:天津大學(xué)