科學出版社的博文：通過圖像處理檢測到裂縫，靠譜么

通過圖像處理檢測到裂縫，靠譜么

近幾年，我國公路、鐵路、橋梁及隧道等交通基礎設施建設飛速發展，據交通運輸部統計，截至2015年，公路總里程達到450萬公里，國家高速公路網基本建成，高速公路總里程達到10.8萬公里，覆蓋90%以上城鎮人口超20萬的城市；二級及以上公路里程達到65萬公里，國、省道總體技術狀況達到良好水平；農村公路總里程達到390萬公里。截至2014年，我國橋梁已有73.5萬座，共4萬多公里；截至2012年年底，我國（不含香港、澳門和臺灣地區）公路隧道有10022處，總長8052.7公里。

交通基礎設施的快速發展為人們的社會活動和日常生活提供便利，同時也給交通運輸服務保障及安全監管帶來了前所未有的挑戰。

在公路、橋梁及隧道等交通基礎設施的建設中，混凝土發揮著重要作用，而在混凝土結構表面的維護中，裂縫是最常見、最嚴重的病害之一，因此裂縫是評價混凝土結構表面質量的重要參數之一，同時也是大部分病害的早期表現，對交通基礎設施，如公路、橋梁、隧道等的使用壽命及行車安全會產生嚴重影響。

目前，世界各國都在不斷探索和研究混凝土建筑維護問題，以提高建筑水平。早期的檢測和維護主要依靠人工檢測方式，當時的攝像技術還不成熟，需要維護人員進行現場勘查、測量，并手工記錄檢測結果。

人工檢測方式不僅耗時，而且花費大量的人力、物力和財力，同時存在檢測精度低、檢測結果受人為影響較大等缺點。而在隧道等半封閉場所人工檢測還會影響正常的交通通行，嚴重時甚至會造成交通事故。隨著科學技術的不斷發展，各種新技術和新算法都逐漸運用于裂縫檢測技術中。

目前主流的裂縫檢測技術包括基于數字圖像處理的裂縫檢測技術、基于計算機斷層掃描(computed tomography, CT)技術的裂縫檢測技術、基于結構光的裂縫檢測技術和基于超聲波的裂縫檢測技術等。

基于數字圖像處理的裂縫檢測技術

基于數字圖像處理的裂縫檢測首先需要通過電荷耦合元件(charge coupled device，CCD)采集裂縫圖像，然后通過裂縫檢測算法對采集到的圖像進行檢測分析，最終得到混凝土表面裂縫檢測結果。該技術原理簡單，性價比高，操作容易，近幾年得到了長足發展。該技術的核心是裂縫檢測算法，目前比較成熟的算法有基于閾值分割和邊緣檢測的裂縫檢測算法、基于數學形態學的裂縫檢測算法和基于滲流模型的裂縫檢測算法等。

圖像裂縫檢測的目的是使用某種裂縫檢測技術對輸入的混凝土表面圖像進行實時處理，最終獲取精確的裂縫圖像，用于后續的裂縫分析，為進一步獲取裂縫相關參數奠定基礎。因此，圖像裂縫檢測算法的研究是混凝土圖像裂縫檢測系統中至關重要的一步，圖像裂縫檢測的精確性將直接影響獲取的裂縫信息的準確性。

隨著計算機信息產業技術的迅猛發展，自動化、智能化已經成為行業間發展、競相突破的主要研究方向。與此同時,科技也推動著裂縫檢測技術發展到了自動化的時代，智能路面圖像裂縫檢測車應運而生，在公路、橋梁、隧道等交通運輸基礎設施的自動監控與維護領域有著廣泛的應用。對在復雜背景下拍攝的混凝土表面圖像，采用圖像裂縫檢測技術提取裂縫，通過研究分析獲得裂縫信息用于后期維護，是當前智能路面圖像裂縫檢測車開發領域中研究的熱點。

在復雜背景下，利用圖像裂縫檢測技術實現裂縫的自動化檢測，具有重大的理論意義和廣泛的應用前景。圖像裂縫檢測的第一步是混凝土表面圖像的采集，常用的多功能道路檢測車。多功能道路測試車是一套模塊化的數據采集平臺，由一輛特別改裝的汽車底盤和各種數據采集子系統組成。具體包括：道路幾何參數測量系統、全球定位系統、激光線掃描車轍測量系統、縱向斷面平整度測量系統、計算機定標錄像及測量平臺、高精度道路幾何系數測量系統、路面紋理測量系統、道路全景路況掃描系統、路面病害分類評級軟件、凈空高度測量系統和路面攝像全自動的裂縫探測機識別系統。

路面圖像裂縫檢測系統主要分為兩個部分，一是檢測系統的硬件部分，通過車載攝像頭、信號處理器等裝置，在一定的車速下獲得路面或隧道表面圖像；二是裂縫檢測系統的軟件部分，對采集的圖像進行處理，獲得裂縫圖像。

利用智能檢測車進行裂縫檢測是未來交通設施維護的主要發展方向，裂縫檢測技術在公路路面病害裂縫檢測、公路隧道裂縫檢測、鐵路隧道裂縫及橋梁裂縫檢測中都具有重要的使用價值，并且具有廣闊的發展前景和巨大的經濟價值。

基于圖像的自動化裂縫檢測技術屬于無損檢測技術，不僅能夠快速、精確地檢測裂縫，而且還能克服傳統人工裂縫檢測費力、耗時、檢測不精確等不足，是國內外裂縫檢測技術的研究熱點。

自動化裂縫檢測技術的研究始于20世紀60年代末，到20世紀90年代，國外已開發了一系列裂縫檢測系統，比較典型的有日本的Komatsu系統、法國的GERPHO系統、加拿大的ARAN系統和美國的DHDV（digital highway data vehicle）系統等。參照國外相關智能裂縫檢測系統的研究，國內也研發了相應的車載裂縫檢測系統，主要有武漢大學研發的SINC-RTM車載智能裂縫檢測系統、南京理工大學研發的JG-1型系統，同濟大學研發的隧道襯砌病害檢測系統。

基于計算機斷層掃描的裂縫檢測技術

CT技術在醫療領域大放異彩之后，很多國內外學者開始研究CT技術在混凝土裂縫檢測方面的應用。CT技術的工作原理是將X線從不同角度射向被檢測物體，然后利用專用的探測儀器記錄衰減后的X線，并將探測到的信號傳輸到計算機，然后通過計算機分析檢測數據，三維重建混凝土表面，并最終通過二維或三維灰度圖像來輸出檢測結果，方便檢測人員直觀檢測。

CT技術具有以下優點：

(1)    檢測精度高，通過對混凝土表面圖像的三維重建，能夠直觀地檢測混凝土內部結構，并且能夠分層檢測，精確定位病害位置；

(2)    檢測范圍廣，不但能夠檢測混凝土表面裂縫，而且能夠檢測混凝土內部裂縫及其他混凝土病害；

(3)    不需要接觸混凝土表面，對混凝土沒有損傷。

CT檢測的缺點是：設備龐大，需要在混凝土兩側都安放檢測儀器，因此無法檢測路面或隧道內的混凝土裂縫，使用條件具有較大的局限性。

基于結構光的裂縫檢測技術

基于結構光的非接觸測量技術是一種常用的裂縫檢測技術。該技術的工作原理是將線狀的結構光投射到被測物體的表面上，由于物體表面高低不平或者存在裂縫，投射到物體上的光條會在凹陷或凸起處發生一定的變形，并產生陰影，然后利用電子光學傳感器采集圖像，通過計算機對光條圖像進行分析，就能獲得物體表面的三維信息，最后對提取到的三維信息進行分析，獲得物體表面裂縫所在的位置。

由于結構光裂縫檢測技術具有原理簡單、檢測精度高、受環境光影響較小、能夠實時檢測等優點，最近幾年獲得快速發展。結構光檢測法的缺點是：需要緩慢地在混凝土表面平行掃描，因此一般都需要車載檢測設備。

基于超聲波的裂縫檢測技術

超聲脈沖技術運用在檢測混凝土表面裂縫的歷史雖然不長，但經過近幾年的發展，已經取得了相當大的進步。超聲波裂縫檢測的基本原理是利用帶波形顯示功能的超聲波檢測儀和頻率固定的聲波轉換器，通過測量并分析聲波在混凝土中的傳播速度、波幅和信號主頻等數據，來判斷混凝土中是否存在裂縫并判斷裂縫的位置。

該技術根據超聲波在介質中傳播時受分層界面的影響，造成超聲波的反射、折射和衰減等現象，通過分析得到這些變化的規律，判斷混凝土中是否存在裂縫及裂縫的深度。對于深度較淺的裂縫，可以通過平測法和雙面斜測法來進行檢測。

通常，當存在裂縫的區域只有一個可測平面時，需要采用平測法，采用平測法時，需要在裂縫區域以不同的測距進行測試，并根據檢測結果判斷裂縫深度；當裂縫區域包含兩個相互平行的可測平面時，需要使用雙面斜測法進行檢測。通過判斷超聲波頻率和振幅的變化，可以判斷待檢測區域的裂縫是否連通，并且能夠判斷裂縫深度。對于深度較大的裂縫，可以通過鉆孔來檢測裂縫深度。首先需要在裂縫兩側打眼，同時要保證眼孔的軸線平行，然后將超聲波換能器插入孔洞中，并以相同深度緩慢向孔底移動，最后通過測試數據來分析裂縫的深度。

超聲波檢測的缺點是：超聲波會受到混凝土中其他物體的干擾，例如混凝土中存在充水現象或者混凝土中的鋼筋等都會對檢測結果產生影響，同時混凝土本身材質密度不均勻，也會導致超聲波檢測的檢測結果準確率不高。