孔令云，孫 瑞，李金橋，劉曉霞

(1. 重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 3. 重慶通力公路工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，重慶 401120)

0 引 言

在水泥混凝土橋面鋪裝病害中，推移、層間脫離等一直都是工程界的技術(shù)難點(diǎn)[1]。加固混凝土梁在受彎、受剪作用下，加固層極易產(chǎn)生剝離[2-3]，而水泥混凝土界面的粗糙度是影響層間粘結(jié)效果的一個(gè)重要因素，適當(dāng)?shù)拇植诙瓤梢杂行岣呋炷恋恼辰Y(jié)質(zhì)量[4]。

工程中測(cè)量混凝土表面粗糙度常用的方法有鋪沙法[5]、觸針?lè)╗6]、分?jǐn)?shù)維法[7]，或用摩擦系數(shù)間接表征等。鋪沙法是其中應(yīng)用最為廣泛的方法，其操作簡(jiǎn)單，但測(cè)量結(jié)果受人為因素干擾較大，并且并不適用于垂直面的水泥混凝土；觸針?lè)ú僮鬟^(guò)于復(fù)雜且測(cè)量過(guò)程費(fèi)時(shí)；分?jǐn)?shù)維法雖然理論先進(jìn)、計(jì)算結(jié)果精確，但數(shù)據(jù)采集較慢，操作復(fù)雜。

筆者將圖像處理技術(shù)引入水泥混凝土表面構(gòu)造特征測(cè)量中，在廣東省汕湛高速公路現(xiàn)場(chǎng)選取21座水泥混凝土橋梁作為試驗(yàn)橋進(jìn)行試驗(yàn)分析?；趫D像處理技術(shù)用灰度值來(lái)表征水泥混凝土表面的粗糙度，實(shí)現(xiàn)了露骨率的定量測(cè)量。該方法操作簡(jiǎn)便，更易于實(shí)際工程應(yīng)用。

1 圖像處理技術(shù)原理

1.1 圖像處理系統(tǒng)設(shè)施組成

測(cè)量系統(tǒng)由高清數(shù)碼相機(jī)、三腳架、輔助照明設(shè)備、測(cè)光儀等構(gòu)成，如圖1。

圖1 圖像處理系統(tǒng)設(shè)施組成Fig. 1 Image processing system facilities

采用具有較高像素的相機(jī)，可以保證所拍攝圖像的清晰度，在圖像處理過(guò)程中可以避免被測(cè)混凝土表面的某些細(xì)節(jié)信息失真。采用三腳架來(lái)固定相機(jī)，可以保證相機(jī)以固定高度和角度進(jìn)行拍攝。數(shù)碼相機(jī)是利用光學(xué)系統(tǒng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的，因此，混凝土表面的光照條件對(duì)拍攝圖像有很大影響，光照強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱都不利于成像，所以采用輔助照明設(shè)備以及測(cè)光儀來(lái)提供一個(gè)穩(wěn)定的拍攝光照環(huán)境，用遮光罩來(lái)消除外界光源對(duì)拍攝環(huán)境的影響，保證了拍攝圖像的質(zhì)量。在圖像處理過(guò)程中需要對(duì)圖像進(jìn)行像素大小定義，所以利用定位框來(lái)固定所拍攝圖像的幾何尺寸，保證每一張圖像的大小一致。

1.2 圖像處理系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)介

圖像處理系統(tǒng)工作流程主要為：圖像獲取→圖像處理→圖像解釋。

1.2.1 圖像獲取

通過(guò)數(shù)碼相機(jī)拍攝被測(cè)混凝土表面來(lái)獲得模擬圖像又稱連續(xù)圖像，即在二維坐標(biāo)系中連續(xù)變化的圖像。圖像的像點(diǎn)是無(wú)限稠密的，同時(shí)具有灰度值，即圖像從暗到亮的變化值，再通過(guò)計(jì)算機(jī)將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像。

具體操作步驟為：①清理待測(cè)路面，保證路面潔凈；②將相機(jī)緊固在三腳架云臺(tái)上，調(diào)整三腳架，保證相機(jī)垂直對(duì)準(zhǔn)所測(cè)混凝土表面，相機(jī)距混凝土表面距離在同一批次測(cè)量中保持不變；③架設(shè)遮光罩，保證拍攝環(huán)境沒(méi)有外界光源的干擾；④在每次拍攝時(shí)測(cè)光儀應(yīng)放置在相對(duì)于采集圖像區(qū)域固定不變的位置；⑤架設(shè)輔助照明設(shè)備，使光線均勻照射到被測(cè)路面，調(diào)整光照強(qiáng)度到合適數(shù)值；⑥使用外接快門進(jìn)行拍攝，獲取被測(cè)混凝土表面圖像；⑦根據(jù)需要將所拍攝的圖像進(jìn)行裁剪，如圖2。

圖2 混凝土表面圖像Fig. 2 Concrete surface image

1.2.2 圖像處理

利用MATLAB軟件進(jìn)行圖像處理，包括圖像的預(yù)處理(圖像濾波降噪、像素大小定義)及圖像三維恢復(fù)。

具體操作流程為：①在MATLAB中利用imread函數(shù)讀取待處理圖像；②調(diào)用rgb2gray函數(shù)將讀取的真彩圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像；③應(yīng)用medfilt2函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波，去除背景噪聲的干擾；④根據(jù)試驗(yàn)精度要求利用imresize函數(shù)對(duì)圖像的像素大小進(jìn)行重新定義；⑤利用meshgrid函數(shù)生成三維采樣點(diǎn)；⑥用mesh函數(shù)將采樣點(diǎn)和灰度值重構(gòu)得到三維圖像。圖3為經(jīng)過(guò)圖像處理及三維重構(gòu)后的混凝土表面數(shù)字圖像。

圖3 圖像處理后的混凝土表面數(shù)字圖像Fig. 3 Digital image of concrete surface after image processing

1.2.3 圖像解釋

圖像解釋即利用圖像處理過(guò)程中所獲得的數(shù)字信息對(duì)識(shí)別目標(biāo)進(jìn)行有效描述。筆者利用圖像處理技術(shù)得出被測(cè)混凝土表面的灰度值并對(duì)露骨率進(jìn)行定量描述。

2 混凝土表面構(gòu)造特征測(cè)試方法

所測(cè)混凝土表面構(gòu)造特征指標(biāo)包括灰度值及露骨率，二者在圖像獲取和圖像處理的過(guò)程中完全相同，唯一的區(qū)別在圖像解釋環(huán)節(jié)。

2.1 灰度值指標(biāo)圖像解釋

灰度值是指一張灰度圖像中一個(gè)像素點(diǎn)的明暗程度，范圍0～255，255表示純白色，0表示純黑色[8]?？梢杂萌庋鄯直娉鰣D2中凹凸不平的點(diǎn)，這是因?yàn)楫?dāng)一束平行光線照射在粗糙的物體表面上時(shí)，反射回來(lái)的將不再是一束平行光線，通常稱之為漫反射。此時(shí)，反射到相機(jī)傳感器上各點(diǎn)光線的強(qiáng)度是不同的，凸起來(lái)的點(diǎn)反射了更多的光線到相機(jī)取景器，灰度值也就更大；反之，凹下去的點(diǎn)灰度值更小。這樣就可以根據(jù)灰度值的大小來(lái)評(píng)價(jià)所測(cè)區(qū)域的凹凸情況。

經(jīng)過(guò)處理后的圖像，每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值記為h(x,y)，利用reshape函數(shù)將n×m個(gè)矩陣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一行或一列數(shù)據(jù)并進(jìn)行排序，排序后的數(shù)據(jù)如圖4中線B。

圖4 各點(diǎn)灰度值排序后線性擬合Fig. 4 Linear fitting chart of gray value of each point

從圖4可以看出，線B兩端的灰度值有較大的突變。這是因?yàn)榛叶戎档拇笮∨c混凝土表面的反射特性有直接關(guān)系。由于被測(cè)混凝土表面部分區(qū)域會(huì)有露石或污染，導(dǎo)致其反射特性與正常區(qū)域有較大差異，體現(xiàn)在灰度值上即為灰度值發(fā)生突變。

在進(jìn)行混凝土表面灰度值計(jì)算時(shí)，為了消除上述混凝土表面部分區(qū)域反射特性突變帶來(lái)的影響，將排序后的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，如圖4線A。擬合線A最小值和最大值分別記為hmin和hmax，剔除n×m個(gè)矩陣中小于hmin和大于hmax的數(shù)據(jù)后，每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值記為h′(x,y)，則被測(cè)混凝土表面的灰度值HD定義為

(1)

將按照?qǐng)D像處理流程現(xiàn)場(chǎng)獲取的水泥混凝土表面進(jìn)行數(shù)字圖像計(jì)算分析，并在現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)位置測(cè)量其構(gòu)造深度(TD)和摩擦系數(shù)(BPN)，結(jié)果如圖5。

圖5 混凝土表面構(gòu)造特征測(cè)量結(jié)果Fig. 5 Measurement results of characteristics of concrete surface structure

從圖5可以看出，混凝土表面的灰度值與混凝土表面的整體粗糙度呈正相關(guān)，混凝土表面越平滑，灰度值越小；反之，越大。

2.2 露骨率指標(biāo)圖像解釋

露骨率這一概念在近幾年被工程人士提出，其測(cè)量方法并沒(méi)有明確的規(guī)范規(guī)定，以往都采用現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)法，測(cè)量結(jié)果受人為因素影響較大，非常不穩(wěn)定。筆者采用圖像處理技術(shù)對(duì)露骨率進(jìn)行了定量的分析計(jì)算。

混凝土表面露石區(qū)域的顏色與正常區(qū)域的顏色有較大差異，在數(shù)字圖像中則表現(xiàn)為露石區(qū)域像素點(diǎn)灰度值的突變。從圖4可看出，比hmax大或者比hmin小的點(diǎn)即為混凝土表面露石的區(qū)域，則拋丸后混凝土表面的露骨率E可用式(2)計(jì)算：

(2)

式中：w為灰度值大于hmax或小于hmin的點(diǎn)數(shù)，個(gè)。

根據(jù)式(2)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所采集圖像進(jìn)行混凝土表面露骨率計(jì)算，并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員主觀觀察所得結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6。

圖6 混凝土表面露骨率測(cè)量結(jié)果Fig. 6 Measurement results of exposed aggregate ratio of concrete surface

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，利用圖像處理技術(shù)可以定量計(jì)算混凝土表面露骨率。由于測(cè)量結(jié)果由統(tǒng)一的計(jì)算方法分析得出，所以試驗(yàn)結(jié)果更加穩(wěn)定。

3 測(cè)量結(jié)果影響因素分析

3.1 光照強(qiáng)度

在進(jìn)行圖像采集時(shí)，不同光照強(qiáng)度得到的圖像灰度值也不同，若光線過(guò)暗或過(guò)亮，場(chǎng)景中亮度的變化過(guò)大，不可避免地導(dǎo)致圖像中的不同部分產(chǎn)生過(guò)曝光或欠曝光[6]，所以需要在試驗(yàn)之前通過(guò)測(cè)試來(lái)選擇合適的光照強(qiáng)度。

隨機(jī)選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行圖像采集，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的光照強(qiáng)度為100～1 100 Lux，每間隔100 Lux進(jìn)行一次圖像采集。圖7為光照強(qiáng)度為500 Lux時(shí)在4個(gè)測(cè)點(diǎn)所采集的圖像。

圖7 光照強(qiáng)度為500 Lux時(shí)在4個(gè)測(cè)點(diǎn)相機(jī)所采集圖像Fig. 7 Images collected at 4 measuring points at 500 Lux illumination

對(duì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)不同光照強(qiáng)度下的灰度值進(jìn)行曲線擬合，如圖8。從圖8可以看出，混凝土灰度值隨著光照強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)。因此，對(duì)于某一選定的路面、某一范圍內(nèi)，灰度值與拍攝時(shí)所選擇的光照強(qiáng)度有顯著的關(guān)系，且在某一光照強(qiáng)度時(shí)灰度值達(dá)到最大值。為了保證所選指標(biāo)的有效性及差異性，筆者選擇灰度最大值對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度進(jìn)行拍攝。

圖8 不同光照強(qiáng)度下灰度值變化曲線Fig. 8 Curves of gray value under different illumination

分別對(duì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的灰度值隨光照強(qiáng)度變化的擬合方程求極值，可得到對(duì)應(yīng)于灰度值最大時(shí)，測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4的光照強(qiáng)度x1～x4分別為489.3、546.9、523.5、508.8 Lux，平均為517.1 Lux。為了方便后續(xù)不同光照強(qiáng)度間灰度值換算的研究，以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)光照強(qiáng)度儀快速方便的讀數(shù)，將本次拍攝所用光照強(qiáng)度取整為500 Lux。

3.2 拍攝角度和距離

對(duì)于特定的一個(gè)圖像采集區(qū)域，只有從正面進(jìn)行圖像采集才能全面地反映其表面構(gòu)造信息。圖9為正面拍攝時(shí)所測(cè)得圖像灰度值隨拍攝距離變化的情況。

圖9 圖像灰度值隨拍攝距離變化情況Fig. 9 Image gray value changes with shooting distance

從圖9可見，在拍攝距離100～150 cm變化范圍，灰度值計(jì)算結(jié)果的相對(duì)極差R為

(3)

由式(3)計(jì)算得，拍攝距離由100 cm變化到150 cm時(shí)，灰度值的相對(duì)變化量為0.97%。可見，在100～150 cm距離范圍內(nèi)，拍攝距離對(duì)灰度值的影響較小，即在相機(jī)分辨率足夠高的情況下，拍攝距離小范圍內(nèi)的變化對(duì)灰度值計(jì)算結(jié)果影響可以忽略。

圖10 沾有瀝青的混凝土表面相機(jī)拍攝圖像及三維重構(gòu)數(shù)字圖像Fig. 10 Initial image and its reconstruction 3D digital image of concrete surface with asphalt

3.3 圖像預(yù)處理和計(jì)算法則的選擇

在測(cè)試過(guò)程中，由于拍攝器材、外界環(huán)境等的影響，使得在獲得的圖像中會(huì)疊加有復(fù)雜的背景噪聲，所以在進(jìn)行混凝土表面構(gòu)造特征識(shí)別之前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行濾波去噪。去噪方法主要分為線性濾波和非線性濾波。線性濾波的低通特性會(huì)導(dǎo)致圖像的細(xì)節(jié)和邊緣失真； 非線性濾波的典型代表為中值濾波[9]。中值

濾波在圖像去噪中被廣泛應(yīng)用，筆者利用medfilt2函數(shù)在MATLAB中對(duì)圖像進(jìn)行濾波去噪。

3.4 被測(cè)路面的整潔度

測(cè)量時(shí)必須保證被測(cè)路面干凈整潔，如果路面雜物較多，也會(huì)反映在所拍攝圖片上，與路面真正的構(gòu)造特征相混淆。圖10為沾有瀝青的混凝土表面相機(jī)所拍攝的圖像及三維重構(gòu)數(shù)字圖像。可以明顯看出，三維重構(gòu)數(shù)字圖像中沾有瀝青區(qū)域的像素點(diǎn)灰度值比其它區(qū)域的低。

4 結(jié) 論

1)基于圖像處理技術(shù)的灰度值可以有效表征水泥混凝土表面的粗糙度，且測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單、快速，測(cè)量結(jié)果受人為干擾因素較小。

2)利用圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了混凝土表面露骨率的定量測(cè)量，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，可靠性較高。

3)在利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行混凝土表面構(gòu)造特征分析時(shí)，應(yīng)先對(duì)圖像采集區(qū)域進(jìn)行不同光照強(qiáng)度條件下灰度值計(jì)算分析，以此來(lái)確定拍攝所用的最佳光照強(qiáng)度；圖像采集時(shí)采用正面拍攝角度，拍攝距離在小范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)對(duì)灰度值計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響；進(jìn)行圖像采集時(shí)應(yīng)保證被測(cè)路面干凈整潔，如果路面雜物較多，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成較大的影響。

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