尹文博，徐善華

(西安建筑科技大學(xué)，陜西西安710055)

隨著高分辨率數(shù)碼成像技術(shù)的發(fā)展，腐蝕圖像已能直觀記錄腐蝕形貌的所有信息，如腐蝕發(fā)生區(qū)域、銹坑分布、銹坑形狀、蝕孔分布、腐蝕程度等.目前對腐蝕圖像處理技術(shù)的研究主要集中于腐蝕區(qū)域的檢測、腐蝕程度的評價和腐蝕區(qū)域的形態(tài)描述.將圖像處理技術(shù)運用到表征腐蝕鋼結(jié)構(gòu)的表面特征中，找出腐蝕鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕現(xiàn)狀，可為鋼結(jié)構(gòu)防護、腐蝕鋼結(jié)構(gòu)各性能評定提供可靠依據(jù).筆者通過采集并分析處理普通數(shù)碼相機在大氣酸環(huán)境、不同腐蝕時間下碳鋼腐蝕圖像的顏色特征，建立了除銹前后灰度直方圖的峰寬、峰高分別與銹蝕率的相關(guān)關(guān)系，探討了腐蝕發(fā)展程度和腐蝕圖像顏色特征的相關(guān)性，為鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕狀況評定提供了更為方便、適用的途徑.

1 試驗

1.1 試 樣

試樣選用工程中常用的Q235鋼，鋼板切割尺寸為280 mm×50 mm×8 mm.采用氣割機對鋼板進行切割，切割完畢后，采用打磨機進行手工打磨，除掉鋼板邊緣的毛刺及表面的銹層、油污等附著物.加工完成后，并對其編號，大氣酸腐分1～6個月腐蝕，共6組，每組3塊，編號分別為Aij(i表示時間，i=1，2，…，6;j表示試樣數(shù)量，j=1，2，3).由于試樣的流轉(zhuǎn)，除銹前腐蝕圖像采集采用第1塊和第2塊，除銹后腐蝕圖像采集采用第1塊和第3塊.由于環(huán)境條件相同，因此，不影響試驗結(jié)果的準確性.

1.2 試驗內(nèi)容

a.室外大氣酸腐蝕－時間試驗.配置濃度為18%(體積比)的鹽酸溶液，每隔4～5 d，用噴壺以霧狀形式噴灑于構(gòu)件表面兩側(cè)，使得構(gòu)件表面濕潤，并且處于干濕交替狀態(tài)，從而達到加速試驗的目的.試驗分6個月進行.

b.圖像采集.為增加鋼結(jié)構(gòu)腐蝕后可靠性評定的工程實踐性，試驗圖像在除銹前用尼康Nikon COOLPLXS500采集，完全除銹后用佳能IXUS 210采集，兩款相機的標定均采用自動模式.

c.采集方式.圖像采集采用近距離拍攝.除銹前試樣局部腐蝕圖像拍攝距離為(9±1)cm;完全除銹后局部腐蝕圖像拍攝距離為(7±1)cm;由于腐蝕條件相同，為了增加圖像的樣本量，增強數(shù)據(jù)的可靠性，每塊試樣采集正反兩側(cè)圖像，最終每月銹蝕率分別對應(yīng)兩組峰寬和峰高的數(shù)據(jù).

d.用緩沖劑為12%(質(zhì)量比)的鹽酸溶液對試樣除銹，除銹完全后，并用電子天平稱重，計算其不同時間下的銹蝕率(質(zhì)量損失法).

1.3 圖像處理及其特征值的提取

圖像處理的流程如圖1所示.

圖1 圖像處理流程圖

a.數(shù)碼相機采集的圖像為RGB數(shù)字圖像.

b.圖像采集時，試樣在相機鏡頭中位置并非完全固定的位置，所以某張圖片剪切時會剪到試驗臺白色背景，對圖像的分析結(jié)果產(chǎn)生不必要的誤差.為了預(yù)防此種情況發(fā)生，對存在此種情況的腐蝕圖像進行白邊剪裁.

c.圖像像素很大，為得到可靠的分析結(jié)果，要增加樣本及試驗數(shù)據(jù)，對每幅原始圖像剪切大小相等的3幅圖像，其像素為744×744，每幅圖像的峰寬和峰高值均為3幅局部圖像特征值的均值.

d.圖像在拍攝時存在種種影響［1］，為消除這些影響，可以采用一個閾值加以限制，對于不超過這個閾值的顏色不進行比較，這個要根據(jù)材料圖像顏色數(shù)和實驗結(jié)果進行調(diào)整，一般為10左右.對除銹前后的腐蝕圖像直方圖均進行了閾值化.具體如圖2—5所示.

從圖2中的灰度化圖中可以明顯看出，圖中分布有許多“白點”，即為噪點，直方圖閾值化就是為了清除這些噪點，以減小這些外部因素對直方圖峰寬與峰高特征值的影響.

2 結(jié)果分析

文獻［2］中定義灰度直方圖的灰度中值和灰度極差分別代表了直方圖的峰高一半和峰寬，文中引用同樣的定義.

2.1 除銹前圖像灰度直方圖特征分析

2.1.1 除銹前峰寬、峰高與銹蝕率的回歸分析

大氣酸峰寬與銹蝕率回歸結(jié)果如圖6所示.回歸方程為

式中:W為灰度直方圖的峰寬;V為試樣的銹蝕率(質(zhì)量損失法).

大氣酸峰高與銹蝕率的回歸結(jié)果如圖7所示.回歸方程為

式中H為灰度直方圖的峰高.

2.1.2 回歸方程的顯著性檢驗

除銹前峰寬與峰高回歸方程顯著性檢驗結(jié)果見表1—2.

表1 峰寬回歸方程顯著性檢驗結(jié)果

表2 峰高回歸方程顯著性檢驗結(jié)果

從表1中可以看出，除銹前，試樣的灰度直方圖峰寬與銹蝕率的回歸方程高度顯著，可以作為對試樣腐蝕形貌評價的因素之一.

進而，從圖6和式(1)中可以看出，灰度直方圖的峰寬隨著銹蝕率的增大而減小，并呈線性負相關(guān)關(guān)系.這與文獻［3］中認為銹蝕速度與直方圖峰寬具有線性正相關(guān)關(guān)系是相符合的.在大氣酸作用下，最初的腐蝕環(huán)境的鋼試樣是直接接觸大氣酸的，但隨著試樣腐蝕程度的增加，腐蝕速率也是增加的，當試樣表面形成一層腐蝕產(chǎn)物時，它反而保護了試樣的表面，延緩了試樣的腐蝕速度.因此，在整個腐蝕過程中，銹蝕率開始增加很快，然后慢慢增加，即腐蝕速率是在減小的，峰寬也因而減小.

從表2中可以看出，除銹前，大氣酸試樣的灰度直方圖峰高與銹蝕率的回歸方程不顯著，因此式(2)是沒有意義的，峰高不能作為評價試樣腐蝕表面情況的特征值之一.

2.2 完全除銹后圖像灰度直方圖特征分析

2.2.1 除銹后峰寬、峰高與銹蝕率的回歸分析

大氣酸峰寬、峰高與銹蝕率的回歸結(jié)果如圖8、圖9所示.

峰寬與銹蝕率的回歸方程為

式中W為灰度直方圖的峰寬.

大氣酸峰高與銹蝕率的回歸方程為

式中H為灰度直方圖的峰高.

2.2.2 回歸方程的顯著性檢驗

除銹后峰寬與峰高回歸方程顯著性檢驗結(jié)果見表3—4.

表3 峰寬回歸方程顯著性檢驗結(jié)果

表4 峰高回歸方程顯著性檢驗結(jié)果

從表3中可以看出，完全除銹后，大氣酸試樣的灰度直方圖峰寬與銹蝕率的回歸方程顯著，可以作為對試樣腐蝕形貌評價的因素之一.

從圖8和式(3)中可以看出，灰度直方圖的峰寬隨著銹蝕率的增大而減小，并呈線性負相關(guān)關(guān)系.這與文獻［3］中認為銹蝕速度與直方圖峰寬具有線性正相關(guān)關(guān)系是相符合的.因為在大氣酸作用下，在最初的腐蝕環(huán)境中，試驗的表面是直接接觸大氣酸的，隨著試樣腐蝕程度的增加，腐蝕速率也增加，同除銹前一樣，當試樣表面形成層腐蝕產(chǎn)物時，反而保護了試樣的表面，延緩了試樣的腐蝕速度.因此，整個腐蝕過程中，銹蝕率開始增加很快，然后慢慢增加，即腐蝕速率是在減小的，峰寬也因而減小.

從表4中可以看出，完全除銹后，大氣酸試樣的灰度直方圖峰高與銹蝕率的回歸方程不顯著，因此，式(4)也是沒有意義的，峰高不能作為評價試樣腐蝕表面情況的特征值之一.

2.3 除銹前與完全除銹后峰寬與峰寬的相關(guān)分析

圖10 除銹前后峰寬對比圖

圖10為除銹前后峰寬對比圖，圖中上部直線為大氣酸完全除銹后峰寬與銹蝕率的回歸直線，下部直線為大氣酸除銹前峰寬與銹蝕率的回歸直線.由圖10可知，大氣酸條件下，未除銹的峰寬比完全除銹后的峰寬要小.筆者對大氣酸除銹前后的峰寬做了相關(guān)關(guān)系的分析，得到其相關(guān)系數(shù)ρ=0.233 9，這說明了除銹前后峰寬之間雖然具有一定的線性關(guān)系，但相關(guān)度不高，關(guān)系不明顯.

3 結(jié)語

a.大氣酸情況下，不僅完全除銹后腐蝕圖像直方圖的峰寬與銹蝕率具有良好的負相關(guān)關(guān)系，而且除銹前的腐蝕圖像直方圖的峰寬與銹蝕率同樣具有良好的負相關(guān)關(guān)系，因而能很好地表征試樣的腐蝕程度，但峰高卻不能表征其腐蝕程度.

b.為進一步研究其他腐蝕環(huán)境下，腐蝕圖像的顏色特征與腐蝕程度的關(guān)系奠定了理論基礎(chǔ).

c.在進一步探討腐蝕鋼結(jié)構(gòu)的安全可靠性評定方面提供了可能性，并開辟了一條具有很強工程實踐性的道路.

［1］紀綱，張小川，成衛(wèi).材料腐蝕圖像內(nèi)容檢索方法分析［J］.計算機工程與應(yīng)用，2003(36):217 －219.

［2］許述劍，翁永基.圖像灰度與腐蝕特征的相關(guān)性研究［J］.中國腐蝕與防護學(xué)報，2006，26(6):321 －324.

［3］翁永基，許述劍，古井，等.碳鋼腐蝕發(fā)展的圖像特征［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2006，19(3):88 －91.