基于改进边缘检测的钢箱梁疲劳裂纹识别及量化方法研究.pdf
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1、收稿日期:基金项目:国家科技部重点研发计划资助项目(Y F E );江苏省自然科学基金青年基金资助项目(B K );江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KY C X )通信作者:吉伯海(),男,教授,博士,主要从事钢桥疲劳与维护研究 E m a i l:b h j i h h u e d u c nD O I:/j c n k i i s s n X 引用格式:荣飞亚,吉伯海,高天,等基于改进边缘检测的钢箱梁疲劳裂纹识别及量化方法研究J三峡大学学报(自然科学版),():,基于改进边缘检测的钢箱梁疲劳裂纹识别及量化方法研究荣飞亚吉伯海高天袁周致远(河海大学 土木与交通学院,南京 )摘要:钢箱梁内
2、部场景复杂,疲劳裂纹图像识别容易受到背景干扰针对传统图像处理方法的识别局限性,提出了一种基于改进边缘检测算法的疲劳裂纹识别与量化方法首先,通过边缘检测算法识别出裂纹特征点,并通过形态学处理提取出裂纹骨架线其次,采用单目视觉方法进行裂纹的特征量化通过张氏标定法,建立了相机成像模型,从而将裂纹特征点由像素坐标映射至空间坐标最终,开展了疲劳裂纹识别与量化试验,将改进边缘检测算法与传统图像处理方法进行比较,并评估裂纹特征量化精度研究结果表明:改进边缘检测算法通过引入双边滤波函数,可以在抑制焊缝噪声干扰的同时保留裂纹边缘特征,相比于传统边缘检测和自适应阈值分割算法,更适用于钢箱梁识别场景在试验条件下,疲
3、劳裂纹长度测量误差控制在以内关键词:钢箱梁;疲劳裂纹;双边滤波;边缘检测;特征量化中图分类号:U 文献标志码:A文章编号:X()F a t i g u eC r a c k so fS t e e lB o xG i r d e r I d e n t i f i c a t i o na n dQ u a n t i f i c a t i o nB a s e do nI m p r o v e dE d g eD e t e c t i o nM e t h o dR ON GF e i y a J IB o h a i GAOT i a n YUANZ h o u z h i y u
4、a n(C o l l e g eo fC i v i l&T r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g,H o h a iU n i v,N a n j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t T h e i n t e r n a ls c e n eo ft h es t e e lb o xg i r d e r i sc o m p l e x,a n dt h ef a t i g u ec r a c ki m a g er e c o g n i t i o ni se a s i l yd i s
5、t u r b e db yt h eb a c k g r o u n d A i m i n ga tt h er e c o g n i t i o nl i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a li m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d s,a f a t i g u ec r a c k i d e n t i f i c a t i o na n dq u a n t i f i c a t i o nm e t h o db a s e do n i m p r o v e de d g ed e
6、t e c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d F i r s t l y,t h ec r a c kf e a t u r ep o i n t sa r ei d e n t i f i e db yt h ee d g ed e t e c t i o na l g o r i t h m,a n dt h ec r a c ks k e l e t o nl i n ei se x t r a c t e db y m o r p h o l o g i c a lp r o c e s s i n g S e c o n d l y
7、,t h em o n o c u l a rv i s u a lm e t h o di su s e dt oq u a n t i f yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc r a c k s T h r o u g hZ h a n g sc a l i b r a t i o n m e t h o d,ac a m e r ai m a g i n g m o d e li se s t a b l i s h e d,s o t h a t t h e c r a c k f e a t u r ep o i n t s a r em
8、a p p e d f r o mp i x e l c o o r d i n a t e s t o s p a t i a l c o o r d i n a t e s F i n a l l y,f a t i g u ec r a c ki d e n t i f i c a t i o na n dq u a n t i f i c a t i o ne x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t,t h ei m p r o v e de d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mi sc o m p
9、 a r e d w i t ht r a d i t i o n a li m a g e p r o c e s s i n g m e t h o d s,a n dt h ea c c u r a c y o fc r a c kf e a t u r eq u a n t i f i c a t i o n i se v a l u a t e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e de d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mc a ns u p p r e s st h ew
10、 e l dn o i s ei n t e r f e r e n c ew h i l er e t a i n i n gt h ec r a c ke d g ef e a t u r eb yi n t r o d u c i n gt h eb i l a t e r a lf i l t e rf u n c t i o n C o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a le d g ed e t e c t i o na n da d a p t i v et h r e s h o l ds e g m e n t a t i
11、o na l g o r i t h m s,i ti s m o r es u i t a b l ef o rs t e e lb o xg i r d e rr e c o g n i t i o ns c e n a r i o s U n d e rt h et e s tc o n d i t i o n s,t h ef a t i g u ec r a c kl e n g t hm e a s u r e m e n t e r r o r i sc o n t r o l l e dw i t h i n第 卷第期 年 月三峡大学学报(自然科学版)Jo fC h i n a
12、T h r e eG o r g e sU n i v(N a t u r a lS c i e n c e s)V o l N o D e c K e y w o r d s s t e e lb o xg i r d e r;f a t i g u ec r a c k;b i l a t e r a l f i l t e r;e d g ed e t e c t i o n;f e a t u r eq u a n t i f i c a t i o n钢箱梁凭借其优越的受力性能,被广泛应用于各类大跨径桥梁中然而随着服役年限的增加,在复杂交通荷载作用下,钢箱梁出现了不同程度的疲劳开裂现
13、象 若不对钢箱梁进行定期检测以监测裂纹扩展动态,就无法及时采取有效的维修加固措施一旦发生疲劳断裂,将严重危害人民生命财产安全然而由于钢箱梁疲劳裂纹数量众多,目前人工目视检测仍然是钢箱梁病害检测的主要方法检测人员通过肉眼观察,使用相机采集疲劳裂纹图像并记录裂纹位置、长短及扩展情况为提高裂纹检测效率,检测人员往往凭借经验对裂纹的长度进行估计,仅选择部分裂纹进行钢尺测量,缺乏定量分析随着数字图像识别技术的不断发展,其凭借检测速度快、精度高等优点,被广泛运用于各类裂纹的检测中孟兆新等基于边缘检测算法对扫描电镜下疲劳裂纹图像进行数据提取;张维峰等基于图像处理技术,研发了一套远距离裂纹几何尺寸图像识别系统
14、,实现了对混凝土桥梁腹板裂纹检测;黄心畏等基于边缘检测和数字图像相关法,实现了疲劳裂纹长度的高精度动态测量这些研究中选取的测试图像都有着背景单一的特点,而钢箱梁构造复杂,焊缝众多,裂纹识别往往会受到复杂背景的干扰,难以准确识别近年来,随着卷积神经网络的不断发展,王丽苹等提出了基于卷积神经网络的裂缝检测方法,实现了路面缺陷的自动化检测分类并提高了裂缝检测效率与精度不同于传统的图像处理方法,基于卷积神经网络的裂缝检测精度对训练样本有较高的依赖性与混凝土、路面结构不同,钢箱梁疲劳裂纹缺乏独特的视觉特征,且缺少足够的训练样本,难以保证钢箱梁疲劳裂纹的高效识别 为识别出疲劳裂纹同时避免焊缝等噪声点边缘的
15、干扰,本文引入双边滤波算法,对传统C a n n y边缘检测算法进行改进,抑制焊缝细节和噪声点的干扰,同时实现了对疲劳裂纹边缘特征点的提取;然后通过张氏标定法 进行相机标定,获取相机成像模型参数,建立图像坐标与空间坐标的转化关系,实现了利用二维图像对三维空间中疲劳裂纹真实长度的测量 识别算法及特征量化原理 改进边缘检测算法钢箱梁疲劳裂纹部位与其周围有着较大的像素差,具有典型的边缘特征边缘检测的目标是实现图像的最优边缘提取,即抑制干扰信息并尽可能多地标示出图像中的实际边缘经典的边缘检测算法是由J o h nF C a n n y提出的,其采用高斯滤波对图像进行平滑,并基于S o b e l算子对
16、边缘像素进行提取 本文改用双边滤波对待检测图像进行平滑处理,通过在卷积的过程中组合空域函数和值域核函数来实现边缘特征信息的保护,再计算像素梯度幅值,然后对非极大值点进行抑制,最后对所提取边缘点进行连接,具体原理如下:)图像平滑处理为了降低对伪边缘的误检概率,在边缘检测前需要对图像进行平滑处理图像中噪声点附近像素值变化较大,易被误检为图像边缘,造成误检现象传统C a n n y边缘检测算法采用高斯滤波平滑图像,该算法能较好地抑制服从正态分布的噪声点,二维高斯分布函数如式()所示:G(x,y)e x p xy()式中:为标准差;x为点的横坐标;y为点的纵坐标以模板中心为原点(,),向右为x正方向,
17、向上为y正方向,将各位置的坐标(x,y)代入公式(),所得值即为高斯滤波器模板系数G(x,y)通过该模板遍历图像中的每个像素,将该像素邻域内各个像素值与模板对应位置的像素值进行卷积求和,用所得的加权平均灰度值代替滤波器中心像素值,所有加权平均灰度值所组成的图像即为高斯滤波后的图像 通过标准差控制周围像素对中心像素的影响程度,越大,远处像素对中心像素的影响程度越高,滤波效果越平滑然而,经过高斯滤波平滑后的图像边缘变得模糊,可能会造成部分边缘特征信息损失,为此本文引入双边滤波,在降噪平滑的同时保持边缘特征双边滤波同时考虑像素点的空域信息和值域信息,利用边缘两侧点的像素值差异较大这一特征,根据像素值
18、的大小对滤波区域进行分割,可以达到保持边缘、降噪平滑的效果双边滤波通过在卷积的过程中组合空域函数和值域核函数来实现边缘特征信息的保护,具体函数如式()()所示:Ib fPWb fpqSGs(pq)Gr(|IpIq|)I()Wb fpqSGs(pq)Gr(|IpIq|)()三 峡 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年 月式中:Wb fp为归一化函数;S为定义域;Gs为空域标准差;Gr为值域标准差;I为输入图像;p、q为图像中两像素点的位置;Ip、Iq分别为p、q两点的像素值;Gs(pq)为空间权重;Gr(|IpIq|)为值域权重在图像的平坦区域,(IpIq)的值变化很小,对应的值域权重接近于,
19、此时空域权重起主要作用,相当于直接对此区域进行高斯模糊;在边缘区域,(IpIq)会有较大的差异,此时值域权重会有所下降,导致此处整个核函数的分布的下降,从而保持边缘的细节信息)梯度幅值与方向量化图像边缘具有图像像素值变化剧烈的特性,灰度值变化越大,其梯度值越大,因此在检测边缘前,需要对图像的梯度进行计算图像中像素点(x,y)的梯度方向和数值大小可由图像与S o b e l算子经卷积操作确定,S o b e l算子是两个的矩阵,分别为Sx、Sy设经过双边滤波后的图像为I,S o b e l算子在计算中心位置的梯度时除了考虑前后像素的差分,还赋予邻域在所求方向上额外的两对像素一定的权重,具体计算如
20、式()所示:FxSxI IFySyI I()则每个像素点的梯度幅值F与梯度方向分别如式()()所示:FFxFy()a r c t a nFyFx()式中:Fx为该像素在x方向上的变化率;Fy为该像素在y方向上的变化率;Sx、Sy为S o b e l算子卷积核;I为经过双边滤波后的图像)非极大值抑制通过寻找图像梯度的极大值,将非极大值点所对应的像素值置为,从而可以剔除图像中部分非边缘的点 C a n n y的论文中非极大值抑制只在、四个梯度上进行,实际图像中的像素点是离散的二维矩阵,中心点的梯度方向不一定只沿着这四个方向,难以达到较好的抑制效果处于中心像素点梯度方向的两侧的点不一定存在,本研究将
21、该类不存在点定义为亚像素点,可通过对亚像素两侧像素点的梯度值进行插值计算,从而得到两侧亚像素点的梯度值若中心像素点的梯度值大于两侧亚像素点的梯度值,则保留中心像素点的梯度值,否则将其置为,完成部分非边缘点的剔除)双阈值检测与边缘连接通过非极大值抑制,完成了部分非边缘点的剔除,一些非边缘点仍然存在因此人为设置高、低两个阈值,对非边缘点进行抑制 遍历整幅图像的梯度值,将所有梯度值低于低阈值的点视为非边缘点,将其像素值置为,踢除此类非边缘点;将所有梯度值高于 高 阈 值 的 视 为 强 边 缘 点,将 其 像 素 值 置 为 ;对梯度值介于高、低阈值之间的点进行进一步判断:若中心像素点的八邻域点内存
22、在梯度值高于高阈值的点,则判定该中心点为真实边缘,将像素值置为 实现边缘连接,否则将该点像素点像素值置为,完成非边缘点的剔除 量化原理二维图像将空间中三维物体以像素点集的形式呈现,但像素点不能反映各三维物体的实际物理尺寸参数想要通过二维图像实现三维物体的尺寸测量,必须求解三维物体表面点空间位置与其在二维图像中坐标之间的相互关系,实现坐标转化,才能完成对空间中物体的尺寸参数量化为确定坐标转化关系,必须建立相机成像模型,通过求解模型获得模型参数,该过程也被称为相机标定相机成像模型涉及四大坐标系,分别设像素坐标系(u,v),图像坐标系为(x,y),相机坐标系为(Xc,Yc,Zc),世界坐标系为(Xw
23、,Yw,Zw),其中图像坐标系以图像的中心为原点,像素坐标系以图像左上角为原点,相机坐标系以相机透镜光心为原点,这三大坐标系的坐标轴都分别沿着图片的水平、竖直方向由于从相机坐标系到世界坐标系属于刚体变化,物体不会发生形变,只进行旋转和平移当不必描述裂纹空间绝对位置时,在相机坐标系下即可完成裂纹真实长度测量,故简化为三大坐标系之间的转化,三大坐标系关系示意图如图所示?xyuvOcXcYcZcOoOi?图三大坐标系关系示意图第 卷第期荣飞亚,等基于改进边缘检测的钢箱梁疲劳裂纹识别及量化方法研究设图片中心点坐标为(u,v),则图像坐标系与系数坐标系之间关系如式()所示:uv/dxu/dyvxy()由
24、三角形相似得空间点与图像坐标点之间关系如式()所示:Zcxyfuf vXcYcZc()式中:Zc为相机光心到拍摄对象的距离;f为相机焦距联立两矩阵形式等式得像素坐标系与相机坐标系之间的转化关系如式()()所示:uvZcfxufyvXcYcZc()XcYcZcZcfxufyv uv()式中:Zc为相机光心到拍摄对象的距离;fx为x方向上焦距,单位为像素;fy为y方向上焦距,单位为像素 实验与分析 钢箱梁疲劳裂纹识别试验为了验证改进C a n n y边缘检测算法在钢箱梁疲劳裂纹识别中的实际效果,分别采用传统C a n n y边缘检测算法与改进C a n n y边缘检测算法对实桥疲劳裂纹图像进行识别
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