吳冰鑫 丘美燕 曾慶凱 詹勛慶 張 曦 曾海森

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東廣州 510642)

0 引言

盾構(gòu)隧道作為地鐵得以暢通穿梭于各站點(diǎn)間的通道，其安全狀況需要引起足夠重視。然而，在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中管片結(jié)構(gòu)難免會(huì)產(chǎn)生裂縫，從而影響到其外觀、使用功能，甚至于安全和壽命［1，2］。大量研究將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于裂縫識(shí)別與檢測(cè)中，然而如何優(yōu)化裂縫寬度計(jì)算方法，進(jìn)一步提高裂縫寬度計(jì)算精度還有待解決。本文提出了一種利用霍夫變換理論提高裂縫寬度計(jì)算精度的優(yōu)化方法。

1 圖像預(yù)處理

本文以上海地鐵某區(qū)間盾構(gòu)隧道的管片結(jié)構(gòu)邊角裂縫為例［2］，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像增強(qiáng)、圖像分割、裂縫識(shí)別、邊緣提取等，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行裂縫寬度計(jì)算。

1.1 圖像增強(qiáng)

運(yùn)用Matlab軟件中rgb2gray函數(shù)將原始裂縫圖轉(zhuǎn)換為灰度圖，并使用Histeq函數(shù)進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

圖1 圖像增強(qiáng)過程

1.2 圖像分割與裂縫識(shí)別

首先，對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，可使裂縫部分與周圍非裂縫部分區(qū)別開來，如圖2a)所示。

然后，對(duì)二值化圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和裁剪，僅保留有裂縫部分，并采用Belabel函數(shù)尋找出二值圖像中的最大連通區(qū)域而將其他小連通區(qū)域清除，最后得到僅保留有所需裂縫的圖像，如圖2b)所示。

1.3 邊緣提取

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用Canny和Sobel等邊緣檢測(cè)算子得出的裂縫邊緣更為平滑，如圖3所示。

2 裂縫寬度計(jì)算

裂縫一般為不規(guī)則曲線。在常用的裂縫寬度計(jì)算方法中，直接計(jì)算裂縫上下邊緣的垂直像素寬。然而，與水平線成一定角度的兩條線的像素豎向坐標(biāo)相減得到的差值與兩直線之間的垂直距離并不相等，即旋轉(zhuǎn)后的裂縫邊緣豎向坐標(biāo)差值與裂縫真實(shí)寬度存在一定誤差。因此，本文提出采用霍夫(Hough)變換的方法，對(duì)裂縫曲線進(jìn)行擬合，再計(jì)算裂縫寬度。

圖2 圖像分割和裂縫識(shí)別

圖3 不同邊緣檢測(cè)算子的裂縫邊緣提取效果

2.1 霍夫(Hough)變換的原理

霍夫(Hough)變換是一個(gè)非常重要的檢測(cè)間斷點(diǎn)邊界形狀的方法。它通過將圖像坐標(biāo)空間變換到參數(shù)空間，來實(shí)現(xiàn)直線與曲線的擬合。

在圖像x-y坐標(biāo)空間中，經(jīng)過點(diǎn)(xi，yi)的直線表示為:

其中，a為斜率;b為截矩。通過點(diǎn)(xi，yi)的直線有無數(shù)條，且對(duì)應(yīng)于不同的a和b值。如果將xi和yi視為常數(shù)，而將原本的參數(shù)a和b看作變量，則式(1)可以表示為:

這樣就變換到了參數(shù)平面a-b。這個(gè)變換就是直角坐標(biāo)中對(duì)于(xi，yi)點(diǎn)的Hough變換。該直線是圖像坐標(biāo)空間中的點(diǎn)(xi，yi)在參數(shù)空間的唯一方程。考慮到圖像坐標(biāo)空間中的另一點(diǎn)(xj，yj)，它在參數(shù)空間中也有相應(yīng)的一條直線b=－axj+yj，這條直線與點(diǎn)(xi，yi)在參數(shù)空間的直線相交于一點(diǎn)(a0，b0)，如圖4所示。

2.2 霍夫(Hough)變換的應(yīng)用

首先對(duì)裂縫進(jìn)行骨架提取，得到以單個(gè)像素排列而成的裂縫骨架線，如圖5a)所示。隨后利用霍夫(Hough)變換的原理進(jìn)行直線擬合，圖5b)即為與骨架線擬合程度較高的直線線段。叉點(diǎn)代表原部分骨架線沒有直線線段擬合，原因在于其豎向坐標(biāo)變化較大無法擬合，需采用其他方法處理。然后以每?jī)蓷l線段相交的點(diǎn)作為分段點(diǎn)，將原始裂縫圖像進(jìn)行分段并首尾依次連接，即可形成一條完整的骨架線，如圖5c)所示。由圖可知，各擬合線段較好地在原裂縫曲線角度轉(zhuǎn)折較大的點(diǎn)將裂縫進(jìn)行分段，并表示出各分段的傾斜程度。

圖4 霍夫變換的原理

圖5 骨架線的形成

圖6 是利用霍夫(Hough)變換，將原始裂縫曲線分成九段，再將各段按與水平線形成的確定角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，分別計(jì)算各分段的像素豎向坐標(biāo)差值，統(tǒng)計(jì)獲得代表原始裂縫最大和最小寬度的像素值，最后計(jì)算得到代表原始裂縫平均寬度的像素值。與曲線擬合的直線長(zhǎng)度越小，數(shù)量越多，曲線的分段就越多，旋轉(zhuǎn)后越接近于水平線，像素差值的計(jì)算精度就越高。

圖6 裂縫的分段和旋轉(zhuǎn)

3 結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)、圖像分割、裂縫識(shí)別、邊緣提取等預(yù)處理的基礎(chǔ)上，提出一種提高裂縫寬度計(jì)算精度的改進(jìn)方法。該方法適用于任何裂縫曲線，尤其是對(duì)寬度精度要求較高的裂縫，并且可批量處理裂縫圖像。但由于原始數(shù)據(jù)的缺乏，本文并未對(duì)該方法進(jìn)行實(shí)際裂縫寬度的驗(yàn)證，這是下一步需要進(jìn)行研究的問題。