專利名稱：一種隧道襯砌裂縫寬度的測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隧道襯砌裂縫測量技術(shù)，尤其是涉及一種隧道襯砌裂縫寬度的測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
裂縫等缺陷的定量化一直是無損檢測追求的目標(biāo)。隨著檢測技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的通過人眼目視或使用簡單的的儀器如讀數(shù)放大鏡來進(jìn)行估測的測定裂縫寬度的方法，由于其人員主觀性較大，且精度和效率較低，將逐漸被新的方法所代替。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和相關(guān)理論的不斷完善，數(shù)字圖像處理技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛重視并取得了重大的開拓性成就。而基于數(shù)字圖像處理的照相測量技術(shù)業(yè)已深入到裂縫寬度測量、變形監(jiān)測、巖體碎石識(shí)別等土木工程領(lǐng)域中，并發(fā)揮著非接觸、相對便捷、直觀和精確的優(yōu)勢。2004年，天津大學(xué)的黃戰(zhàn)華、李蒙等人自主開發(fā)一套裂縫識(shí)別與分析軟件。同年， 北京航空航天大學(xué)的鄒軼群、侯貴倉、楊峰提出了一種基于數(shù)字圖像處理的表面裂紋檢測方法。同年，張娟，沙愛民，高懷鋼，孫朝云分析了基于數(shù)字圖像處理的路面裂縫識(shí)別與評(píng)價(jià)系統(tǒng)的工作原理。2005年，武漢理工大學(xué)劉清元，談橋提出了判斷混凝土裂紋的綜合方法。 2006年，東南大學(xué)尹蘭、何小元利用了基于光測法基礎(chǔ)上的數(shù)字圖像處理技術(shù)對混凝土表面裂縫寬度特征進(jìn)行了測量和分析。然而，以上所研究的方法主要是針對通過接觸式掃描或近距離拍攝所采集的裂縫放大圖像。而隧道中，對于不能觸及的高位裂縫圖像，手持接觸采集過程繁瑣。而遠(yuǎn)距離拍攝的圖像對噪聲、光線敏感，嚴(yán)重影響圖像成像質(zhì)量，使后續(xù)的圖像預(yù)處理變得困難復(fù)雜。 裂縫在遠(yuǎn)距離拍攝圖像中的面積占有比例比在接觸式采集的圖片中的比例要小得多，余留大面積復(fù)雜多變的背景圖像，再加上一些邊緣檢測方法的缺陷，使得近照中寬大裂縫的邊緣提取方法不適用，需尋找一種合適的新方法。另外，與距離固定的接觸式量測不同，裂縫出現(xiàn)部位的隨機(jī)性導(dǎo)致拍攝距離的隨機(jī)性，需尋找一種新標(biāo)定方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定距標(biāo)定。因此，研究一種在隧道中能便捷、定量、快速、準(zhǔn)確地測量裂縫特征值的圖像檢測方法以及檢測系統(tǒng)已成為隧道工程結(jié)構(gòu)無損檢測領(lǐng)域的迫切需要之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種低成本、快速、 便捷、高精度的隧道襯砌裂縫寬度的測量方法及裝置。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種隧道襯砌裂縫寬度的測量方法，其特征在于，包括以下步驟(1)通過數(shù)碼相機(jī)采集裂縫的圖像，并通過激光測距儀測定采集距離；(2)在采集到的圖像上選擇需測量的區(qū)域，并將選中的區(qū)域圖像轉(zhuǎn)為灰度圖像；(3)確定步驟(2)選中的灰度圖像的閥值，并進(jìn)行二值化圖像分割，得到目標(biāo)區(qū)域；(4)在目標(biāo)區(qū)域中提取出只包含裂縫的白色區(qū)域；(5)運(yùn)用亞像素方法提取裂縫的邊緣，得到亞像素級(jí)別邊緣圖；(6)采用最小距離法計(jì)算裂縫的像素寬度；(7)根據(jù)預(yù)先確定的像素實(shí)際尺寸與照相距離的標(biāo)定比例，計(jì)算得到裂縫的實(shí)際寬度；(8)將得到的實(shí)際寬度數(shù)據(jù)存入裂縫數(shù)據(jù)庫中。所述的步驟(1)中數(shù)碼相機(jī)對大裂縫則進(jìn)行分段采集。所述的步驟(3)的具體步驟如下(31)根據(jù)下式求出整幅圖像的平均灰度值Tave =Σ Pixels/N其中Σ Pixels為圖像中每個(gè)像素的灰度總和，N為總像素?cái)?shù)；將Tave設(shè)為初始閾值Tk，此時(shí)k = 1 ；(32)根據(jù)T1將圖像分割成目標(biāo)和背景兩個(gè)部分，將灰度小于T1的區(qū)域稱為目標(biāo)區(qū)域，大于T1的區(qū)域稱為背景區(qū)域，然后再求出兩區(qū)域的平均灰度分別為Tlw和Thigh ；(33)根據(jù)下式求出新閾值Tk+1 = (Tlow+Thigh)/2若Tk+1不等于Tk，則將Tk+1代替Tk，返回步驟(32)，同時(shí)使k = k+Ι，直到Tk+1 = Tk, 執(zhí)行步驟(34)；(34)將Tk+1當(dāng)作最終的閾值，進(jìn)行二值化圖像分割，目標(biāo)區(qū)域中包含裂縫區(qū)域以及噪聲點(diǎn)、灰度值與裂縫近似的小塊區(qū)域，將圖像黑白反轉(zhuǎn)。所述的步驟的具體步驟如下(40)找出目標(biāo)區(qū)域中最大的白色部分，將其余部分處理為黑色，提取出包含裂縫的區(qū)域；(41)通過一個(gè)n*n的正方形單位矩陣與步驟00)提取出的區(qū)域進(jìn)行腐蝕操作，檢測是否存在與其匹配的區(qū)域，若為是，執(zhí)行步驟G2)，若為否，執(zhí)行步驟(43)；(42)對原圖像中對應(yīng)于所提取出的區(qū)域的所有的點(diǎn)進(jìn)行灰度平均=Tj = Σ Pixels gs/Ngfe，再根據(jù)Tj將圖像二值分割成目標(biāo)和背景兩個(gè)部分，進(jìn)行圖像黑白反轉(zhuǎn)后，再次進(jìn)行腐蝕操作，判斷其是否存在與正方形單位矩陣匹配的區(qū)域，并進(jìn)行循環(huán)，直到圖像中沒有與正方形單位矩陣匹配的區(qū)域?yàn)橹?，?zhí)行步驟G3)；(43)運(yùn)用形態(tài)學(xué)方法對圖像進(jìn)行開、閉運(yùn)算、空洞填充以及剔除邊緣毛刺，尋找出最大的白色區(qū)域，將其余區(qū)域處理為黑色，得到只包含裂縫的白色區(qū)域。所述的步驟(5)的具體步驟如下(51)通過7*7 Zernike模板{M00，Ml 1，M20}對圖像的每一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行卷積運(yùn)算，以得到相應(yīng)的圖像krnike矩{Z00，Zll，Z20}，通過圖像的krnike矩來計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的參數(shù)(Φ，h，1，k)，以判斷該像素點(diǎn)是否為邊緣點(diǎn)，MOO 模板
權(quán)利要求
1.一種隧道襯砌裂縫寬度的測量方法，其特征在于，包括以下步驟(1)通過數(shù)碼相機(jī)采集裂縫的圖像，并通過激光測距儀測定采集距離；(2)在采集到的圖像上選擇需測量的區(qū)域，并將選中的區(qū)域圖像轉(zhuǎn)為灰度圖像；(3)確定步驟(2)選中的灰度圖像的閥值，并進(jìn)行二值化圖像分割，得到目標(biāo)區(qū)域；(4)在目標(biāo)區(qū)域中提取出只包含裂縫的白色區(qū)域；(5)運(yùn)用亞像素方法提取裂縫的邊緣，得到亞像素級(jí)別邊緣圖；(6)采用最小距離法計(jì)算裂縫的像素寬度；(7)根據(jù)預(yù)先確定的像素實(shí)際尺寸與照相距離的標(biāo)定比例，計(jì)算得到裂縫的實(shí)際寬度；(8)將得到的實(shí)際寬度數(shù)據(jù)存入裂縫數(shù)據(jù)庫中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道襯砌裂縫寬度的測量方法，其特征在于，所述的步驟(3)的具體步驟如下(31)根據(jù)下式求出整幅圖像的平均灰度值 Tave = Σ Pixels/N其中Σ Pixels為圖像中每個(gè)像素的灰度總和，N為總像素?cái)?shù)；將Tare設(shè)為初始閾值Tk， 此時(shí)k = 1 ；(32)根據(jù)T1將圖像分割成目標(biāo)和背景兩個(gè)部分，將灰度小于T1的區(qū)域稱為目標(biāo)區(qū)域， 大于T1的區(qū)域稱為背景區(qū)域，然后再求出兩區(qū)域的平均灰度分別為T1m和Thigh ；(33)根據(jù)下式求出新閾值Tk+1 一 (Tlow+Thigh) /2若Tk+1不等于Tk,則將Tk+1代替Tk,返回步驟(32)，同時(shí)使k = k+Ι，直到Tk+1 = Tk,執(zhí)行步驟(34)；(34)將Tk+1當(dāng)作最終的閾值，進(jìn)行二值化圖像分割，目標(biāo)區(qū)域中包含裂縫區(qū)域以及噪聲點(diǎn)、灰度值與裂縫近似的小塊區(qū)域，將圖像黑白反轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道襯砌裂縫寬度的測量方法，其特征在于，所述的步驟的具體步驟如下(40)找出目標(biāo)區(qū)域中最大的白色部分，將其余部分處理為黑色，提取出包含裂縫的區(qū)域；(41)通過一個(gè)n*n的正方形單位矩陣與步驟GO)提取出的區(qū)域進(jìn)行腐蝕操作，檢測是否存在與其匹配的區(qū)域，若為是，執(zhí)行步驟G2)，若為否，執(zhí)行步驟(43)；(42)對原圖像中對應(yīng)于所提取出的區(qū)域的所有的點(diǎn)進(jìn)行灰度平均=Tj= Σ PixelsN 再根據(jù)Tj將圖像二值分割成目標(biāo)和背景兩個(gè)部分，進(jìn)行圖像黑白反轉(zhuǎn)后，再次進(jìn)行腐蝕操作，判斷其是否存在與正方形單位矩陣匹配的區(qū)域，并進(jìn)行循環(huán)，直到圖像中沒有與正方形單位矩陣匹配的區(qū)域?yàn)橹梗瑘?zhí)行步驟G3)；(43)運(yùn)用形態(tài)學(xué)方法對圖像進(jìn)行開、閉運(yùn)算、空洞填充以及剔除邊緣毛刺，尋找出最大的白色區(qū)域，將其余區(qū)域處理為黑色，得到只包含裂縫的白色區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道襯砌裂縫寬度的測量方法，其特征在于，所述的步驟(5)的具體步驟如下(51)通過7*7 Zernike模板{M00，M11，M20}對圖像的每一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行卷積運(yùn)算，以得到相應(yīng)的圖像仏！!^!^矩{Z00，Zll, Z20}，通過圖像的krnike矩來計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的參數(shù)(Φ，h，1，k)，以判斷該像素點(diǎn)是否為邊緣點(diǎn)， MOO模板
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種隧道襯砌裂縫寬度的測量方法，其特征在于，所述的kt 為0. 3，所述的It為圖像灰度最大值的十分之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道襯砌裂縫寬度的測量方法，其特征在于，所述的步驟(7)具體步驟如下(71)通過試驗(yàn)求得在固定鏡頭焦距下，拍攝距離為L時(shí)，圖像中每個(gè)像素對應(yīng)的實(shí)際尺寸為a;(72)將L作為橫坐標(biāo)，a為縱坐標(biāo)，制作標(biāo)定曲線。
7.—種隧道襯砌裂縫寬度的測量裝置，其特征在于，包括數(shù)碼相機(jī)、激光測距儀、連接螺桿、測量計(jì)算機(jī)以及裂縫數(shù)據(jù)庫，所述的數(shù)碼相機(jī)通過連接螺桿設(shè)于激光測距儀的上方， 并通過數(shù)據(jù)線與測量計(jì)算機(jī)連接，所述的裂縫數(shù)據(jù)庫與測量計(jì)算機(jī)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道襯砌裂縫寬度的測量裝置，其特征在于，所述的數(shù)碼相機(jī)采用sony α 350單反數(shù)碼相機(jī)，該數(shù)碼相機(jī)的鏡頭固定為300mm長度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種隧道襯砌裂縫寬度的測量方法，包括以下步驟(1)通過數(shù)碼相機(jī)采集裂縫的圖像，并通過激光測距儀測定采集距離；(2)在采集到的圖像上選擇需測量的區(qū)域，并將選中的區(qū)域圖像轉(zhuǎn)為灰度圖像；(3)確定步驟(2)選中的灰度圖像的閥值，并進(jìn)行二值化圖像分割，得到目標(biāo)區(qū)域；(4)在目標(biāo)區(qū)域中提取出只包含裂縫的白色區(qū)域；(5)運(yùn)用亞像素方法提取裂縫的邊緣，得到亞像素級(jí)別邊緣圖；(6)采用最小距離法計(jì)算裂縫的像素寬度；(7)根據(jù)預(yù)先確定的像素實(shí)際尺寸與照相距離的標(biāo)定比例，計(jì)算得到裂縫的實(shí)際寬度；(8)將得到的實(shí)際寬度數(shù)據(jù)存入裂縫數(shù)據(jù)庫中。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有低成本、快速、便捷、高精度等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06T5/00GK102346013SQ20101024054
公開日2012年2月8日 申請日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者劉學(xué)增, 葉康, 朱合華, 羅仁立 申請人:同濟(jì)大學(xué)