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复杂背景的桥梁下部结构裂缝图像分割.rar

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    编号:20180913212648410    类型:共享资源    大小:3.91MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-13
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    复杂 背景 桥梁 下部结构 裂缝 图像 分割
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    二 ○ 一三 届 毕 业 设 计复杂背景的桥梁下部结构裂缝图像分割学 院:电子与控制工程学院专 业:工业自动化姓 名:郭 菲学 号:3201090333指导教师:李 刚完成时间:2013 年 6 月 13 日毕业设计报告纸┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊摘 要传统的桥梁裂缝检测费时、耗力又影响交通,专业人士通过不断地实验研究提出了一种基于人工视觉的桥梁裂缝检测技术,图像分割作为该技术中一种重要的操作技术备受关注。图像分割有很多种算法,基于数学形态的分水岭算法具有能够对微弱边缘产生良好的响应的优点,因此被广泛的应用。但由于图像具有一定的噪声和图像梯度的局部不规则形,使传统的分水岭算法在分割的过程中存在严重的过分割现象。本论文着重研究分水岭的改进算法。控制标记符的分水岭算法是一种现存的改进算法,在经过简单的实验分析后发现,该算法由于单阈值调节,对桥梁裂缝图像的分割普遍存在误分割和漏分割现象。针对克服以上两种分水岭算法的缺点,本论文提出了基于双阈值的控制标记符分水岭算法。此算法通过一个总阈值来控制图像的外部标记的提取,另外一个阈值和总阈值共同控制内部标记的提取,最后对经过内外部标记的重构图进行分水岭分割。这种算法对于桥梁裂缝图像分割具有比较普遍的适用性。关键字:桥梁裂缝 图像分割 分水岭 控制标记符 双阈值 毕业设计报告纸┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊IABSTRACT The traditional crack detection of bridge is time-consuming, consumptive, and it often encumbers the traffic. In order to overcome these disadvantages, some researchers came up with a technology, based on artificial vision to detect the cracks of a bridge. In this intelligent technique, the image segmentation is a certain important operating procedures,and at present it has attracted researchers’ much attention. As one of the image segmentation algorithms, mathematical morphology watershed algorithm is widely used for its advantages to having a good response to weak edges. However it exists serious over-segmentation phenomenon in the process of segmentation, which results from image's noise and the image's part irregular gradient.This paper emphasizes to study the improved watershed algorithm.Marker controlled watershed algorithm is an improved algorithms based on the traditional watershed algorithm. After the experiment and simple analysis, we find this algorithm exists error and leakage segmentation phenomenon resulting from the single threshold adjustment .In order to overcome the weakness above two kinds of watershed algorithm, this paper raises a marker controlled watershed algorithm based on double threshold. we extract the external markers of the image through a total threshold, and internal markers of the image is extracted through a total threshold combined with another threshold . As to the image segmentation of a bridge crack, this algorithm for is widely applicative. In this paper, several crack image are simulated by MATLAB. At the same time, I analyze and compare each segmentation algorithm’s result, and find the marker controlled watershed algorithm based on double threshold has the superiority among all the watershed algorithms referred in the paper, and it is the most ideal algorithm in image segmentations.Keywords: bridge cracks , Image segmentation , watershed , marker-control , double Threshold .毕业设计报告纸┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊II目录摘 要 ...................................................................IABSTRACT ............................................................II第一章 绪论 .............................................................11.1 引言 ............................................................11.2 本课题研究的背景和意义 ..........................................11.3 国内外研究现状分析 ..............................................31.4 本文研究的内容 ..................................................7第二章 图像分割概述 .....................................................82.1 图像分割的概念 ..................................................82.2 传统的图像分割的方法 ............................................92.2.1 阈值法 ....................................................92.2.2 基于边缘检测的分割方法 ...................................142.3 基于数学形态学分水岭的图像分割算法 .............................222.4 实验结果对比及分析 .............................................24第三章 基于桥梁裂缝的改进型分水岭图像分割 ............................273.1 桥梁裂缝图像分割方法的分析 ....................................273.2 传统的分水岭图像分割方法 .......................................283.3 对于分水岭算法的探索 ...........................................303.4 改进型的分水岭图像分割方法 .....................................333.4.1 基于单阈值的控制标记符的分水岭图像分割 ...................333.4.2 基于双阈值控制标记控制标记符的分水岭分割方法 .............403.5 桥梁裂缝图像分割实验与结果分析 .................................473.6 小结 ...........................................................49第四章 总结与展望 ......................................................504.1 本文的主要工作总结 .............................................504.2 工作展望 .......................................................50参考文献 ...............................................................52毕业设计报告纸┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊III致 谢 ..................................................................55毕业设计报告纸┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊0第一章 绪论1.1 引言随着桥梁建筑业的发展,桥梁的安全检测显得尤为重要。传统人工检测方法存在危险性大、速度慢、影响交通等缺陷。近年来,通过计算机采集图像进行裂缝检测的方法已经表现出越来越大的优势,并且在国内外取得了大量的研究成果。桥梁的不损伤安全检测也是现代工程工作中的一个热点问题。目前,已经有很多种无伤检测的方法。对桥梁裂缝图片进行图像分割是众多方法中比较有研究价值和潜力的方法。本文主要从图像分割定义、图像分割的方法、各类方法对裂缝图片进行试验比较找最优等几个方面来阐述关于桥梁裂缝图像分割的问题。主要是针对控制标记符在桥梁裂缝分割过程中出现的误分割和漏分割现象进行了增加了一个控制内外部约束的总阈值,使得其更加适合桥梁裂缝图像的分割。此算法通过一个总阈值来控制图像的外部标记的提取,另外一个阈值和总阈值共同控制内部标记的提取,最后对经过内外部标记的重构图进行分水岭分割。具体说来,一次是通过标记提取技术滤除图像的噪声,完成图像的重构来实现外部标记;另外一次,使用提取标记技术滤除图像的尖峰噪然后在进行内外部约束的梯度重构,最后完成图像分割。1.2 本课题研究的背景和意义 随着我国公路、铁路建设朝高等级化发展,低等级路加宽和旧桥加固改造任务不断增加。据统计,2001 年底,全国共有公路桥梁 28.4 万座、特大桥梁 1580 座;至2003 年,我国各种桥梁总和约 31 万座。2008 年 4 月 18 日开工建设的京沪高速铁路全程总长 1318 公里,其中 80%以上的路线使用高架桥路面,包括济南黄河大桥,南京大胜关长江大桥、苏锡常特大桥等大型桥梁。2008 年,8 月 1 日投入运营的京津城际专线全长 120 公里,途径北京环线特大桥,凉水河特大桥,杨村特大桥,永定新河特大桥和新开河特大桥等 5 座特大桥,高架桥梁总长 100.171 公里,占总线长的 86%。其他国家和地区的铁路,公路建设工程中,桥梁都占了很大的比重 [1]。美国联邦公路管理局的统计数据表明,美国现有近 60 万座桥梁,约有 1/3 的桥梁毕业设计报告纸┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1功能陈旧或有结构缺陷,需要修复,大概需要投资 700 亿美元,且估计每年有 150~200座桥会倒塌;在英国,据报道也有 1/3 的桥梁需要修复;在加拿大,为修复桥梁损坏的全部基础设施工程估计需耗费 5000 亿美元;在我国,交通量与日俱增,车辆载重不断提升,缺乏例行维修,不少桥梁处于带病超负荷工作状态,尽管新桥不断建成投入使用,但同时更多的旧有桥梁到达或即将到达设计服役期,交通部提供的数据表明,我国通车公路上现有各种桥梁 32 万座,已普查出的危桥达 10 万余座,如何对公路旧桥进行检测和加固,是一个迫切需要解决的问题。钢筋混凝土桥梁下部结构中最普遍的早期病害是出现可见裂缝,其他桥梁病害最终的不利表现也往往归结于出现不允许的裂缝,因此及时检测混凝土桥梁下部结构的裂缝是否发生、扩展,是有效减少桥梁病害状况及其影响的重要手段。按照《公路桥梁养护规范》要求,桥梁下部结构中大于 0.1mm 的裂缝必须进行封缝修补,否则将导致内部钢筋的锈蚀,严重危害桥梁安全。由于桥梁下部结构距离地面普遍达到 5 米以上,传统的接触式检测手段,需要检测人员利用脚手架或桥梁检测车,在桥梁下部结构表面利用 80 倍读数显微镜进行人工读数计量,其危险性极高、劳动强度巨大、检测的客观性严重不足。而目前先进的无损检测方法如弹性波法、电磁波法及传感仪器检测法存在着仪器昂贵、测量范围小、无法完全实现非接触测量等缺点。 传统的常规检测由于检测精度不够,检测过程中造成的损害大,使得检测工作无法真正有效完成,也就无法及时有效的实现对路桥的维护修缮,因此造成的事故也屡见不鲜。例如,2009 年黑龙江省铁力市西大桥发生垮塌,导致 7 台车坠入呼兰河,事故共造成 6 人死亡,4 人受伤;2009 年湖南省株洲市市区红旗路高架桥发生坍塌事故,死亡人数达 9 人,伤者达 26 人,被埋车辆 27 台;2010 年南京在建高架桥发生垮塌事故 7 死 3 伤;2011 浙江上虞立交桥桥面坍塌,事故桥梁通车不到 5 年。因此,选择合理的检测方法对桥梁结构进行全面检查评估十分的重要。本课题在符合工程实践的条件下,以桥梁下部结构裂缝检测效率为目标,以适应于桥梁病害的定期检测的任务,为现在正在使用的桥梁的维护、大中修作业等提供快速、高效、简单、经济的检测技术和手段,设计出一套精度符合应用要求能够自适应调节的图像处理算法。具体通过理论分析,仿真实验和比较所设计的系统与算法的性能。毕业设计报告纸┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊2此课题研究成果不仅适用于现役桥梁的养护、检修任务,而且也为以后针对高墩高塔结构桥梁的检修以及检测机器人的开发等打下坚实的基础。1.3 国内外研究现状分析传统的检测方法以检测人员直接检查为主,并辅助检测车辆,测量工具来检测桥梁中的病害信息。这种检测人员直接检测的方法不仅检测成本高昂,检测时间长,而且在检测过程中当地的交通会因为检测作业而受到影响。图 1.1 传统桥梁裂缝检测随着现代传感与通信技术的发展,无损检测技术更是出现了前所未有的发展势态,先后涌现出一大批新的检测方法和检测手段,使无损检测技术向着智能化、快速化、系统化的方向发展。这种检测技术使得桥梁检测在一定程度上变得更加容易。裂缝的探测是桥梁检测中一个重要的方面,常用的方法有:液体渗透、磁分子、涡流仪、超声波和声发射等。探测钢桥体积缺陷一般用 X 射线摄像法,检测混凝土桥的总体技术是荷载试验和模态分析,其局部检测技术有超声波、冲击反射、磁电阻抗、锈蚀势能、远红外热像、地面渗透雷达、X 射线摄像和声发射等。 我国自 20 世纪 90 年代中期开始桥梁健康监测的研究,在国家科委攀登计划B“重大水利和土木工程安全性和耐久性基础研究”项目 [2]、国家自然科学基金赞助的“桥梁结构健康检测与状态评估”有关专业人士在传感器布点,结构损伤识别,系统识别,理论模型的修正,结构可靠度评定等方面进行了深入的研究。综合国内已建立的桥梁检测系统,具有以下共同特点:1) 通过采用传感测量装置获取结构行为的直接记录,同时强调对结构环境的检测和记毕业设计报告纸┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊3录分析;2) 采用在通车运营后连续或间断检测结构状态,力求获得结构信息连续,完整。并结合桥梁施工统一考虑传感器的布设;3) 许多新的设备如光栅传感器,MEMS 和 GPS 等逐渐被广泛采用;4) 建立许多结构响应的损伤识别方法,大多数方法已被数据模拟和实验室验证;国外桥梁结构检测发展是建立在混凝土无损检测技术和对钢筋混凝土桥梁结构模拟技术的基础上的。在诸多的现场检测方法中普遍使用的是无损伤检测。因为作为运营中的桥梁结构,除非万不得以,不可能中断交通来进行结构检测,也决不允许检测过程中造成结构的额外受损。历史上土木结构的无损伤检测技术不外乎下述五种:涡流仪,磁试验,透入试验,X 射线和超声试验。目前该技术被用来探测已投入运营结构的宏观缺陷(多是裂纹) ,但在扩大包括材料生产和结构制作的无损伤检测作用方面,无论是实际还是成本效益,无损伤检测都已渐渐为人们所接受。目前钢筋混凝土结构 [3]模拟技术已经成为桥梁安全检测热点。人们不但开发大量有限元应用软件,如 ANSYS、LS-DYNA、ABAQUS、MSC 系列等,而且已经成功用于解决实际工程问题。美国 Kentucky 大学土木工程系的 E.Harik 和 Cincinnati 大学土木与环境工程系的M.Lent 与 T.Baseheart 使用 ANSYS 软件成功地完成了对美国 JohnA.Robeling 悬索桥的数值仿真分析。JohnA.Robeling 悬索桥横跨俄亥俄河,连结科文顿和辛辛那提。在对该桥的建模时,将其简化为主要由索、吊杆、刚性桁架、桥面甲板和塔组成,而这些结构分别用 3-D弹性梁单元 BEAM4,3-D 线单元 LINK8、LINK10 和薄壳单元 SHELL141 来模拟。经过上述模拟后,JohnA.Robeling 悬索桥有限元模型共有 3,482 个单元和 1,756 个结点,其中 BEAM4 单元 2,186 个,LINK8 单元 560 个,LINK10 单元 692 个,SHELL141 单元 44 个,模型的总自由度数为 7,515,通过上述等效模拟,对 JohnA.Robeling 悬索桥进行理想的静力分析和模态分析,从而对结构的力学性能进行了仿真分析。此外,A.EminAktan,Daniel N.Farhey,Arthur J.Helmicki,Wei-Xin Ren 等学者也都利用有限元理论及有限元分析软件对桥梁结构进行了损伤状况评估。毕业设计报告纸┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊4近年来,CCD-Charge Coupled Device,即电荷耦合元件 [4]图像传感器技术取得了惊人的发展。CCD 摄像机具有较高的动态范围、分辨率和灵敏度,能够有效地实现逆光的背景补偿,能够自动跟踪白平衡,并以数字化图像再现原始图像,因此人们开始采用 CCD 摄像机获取结构表面图像,并通过对图像的分析获得可用信息。 基于图像分析的远距离桥梁下部结构裂缝检测方法研究是个很困难的过程,尚有很多问题亟待解决,根据目前的研究成果,主要有以下几个方面: 1) 图像质量的不确定性。基于 CCD 光学成像装置的桥梁裂缝图像采集系统受非均匀光照成像环境和成像系统辐射角度影响,采集到的桥梁裂缝图像大都呈现为中间亮、两边暗,桥梁裂缝敏感区域受水渍、油污、划痕等噪声影响较严重、裂缝边缘模糊且断裂点多、裂缝与图像背景对比度低,存在大量阴影区域,同时存在多次拍摄图像灰度不同的问题,设计一套稳定的、自适应阈值的裂缝目标识别算法特别困难,该问题也是大多数裂缝检测系统目前难以解决的。这将是本项目需要首先取得突破的技术要点和难点之一。2) 裂缝敏感区域的多变性。项目组分别对十座在役桥梁墩柱部分,利用 80 倍带光源读数显微镜实际肉眼观测裂缝得知,混凝土裂缝形态非常复杂,裂缝边缘呈现大量的毛刺、孔隙等噪声点,使得裂缝宽度变化范围较大,裂缝形态极不规则,裂缝位置无规律,给裂缝定量检测带来了很大的困难;这将是本研究需要着力解决的另一个关键问题。该算法对方向不敏感,能较好的识别出各个方向上存在的裂缝边缘。但是提取出的裂缝边缘存在着边缘不连续、定位精度低、对噪声敏感以及边缘是多像素宽等问题。汤敏采用传统数学形态学方法对含有噪声的图像不经预处理,在有效进行边缘检测的同时滤除了噪声。但传统形态学算法只选择单一的结构元素进行腐蚀操作,这就不能有效地对各个方向上的裂缝边缘进行提取,只能使与该结构元素同方向的边缘得到有效的保留,而与其方向不同的边缘就被腐蚀掉了。桥梁裂缝检测精度要求高。按照《公路桥梁养护规范》要求,桥梁裂缝检测精度应达到 0.1mm,对于远距离图像采集设备要求很高,另外,由于拍摄角度的限制,需要对计算得到的裂缝宽度进行误差校正。这是本项目需解决的关键问题之一。给出的裂缝类破损参数提取方法不够完善,缺少必要的参数。利用数字图像处理算法对颗粒材料类的二维形状参数进行定量表示已成为当前研究热点之一,并在金属夹杂、岩石、
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