[发明专利]混凝土表面裂缝远距离光电式数字检测系统

说明书

本发明涉及一种基于计算机图像处理技术对混凝土表面裂缝进行远距离、自动检测的新型技术。

一系统背景综述：

混凝土表面裂缝是结构的一项主要病害，裂缝的开展一方面导致结构刚度下降脆性增加，使结构使用性能下降。另一方面有可能加速环境对结构的老化作用，导致钢筋锈蚀膨胀，表面保护层剥落，影响结构耐久性。当前工程领域对桥梁结构裂缝的检测主要采用桥梁检测车搭载专业人员逐梁段进行升降作业，以人工测量法手工进行检测。不仅耗时耗工，安全性差，而且测量范围受检测车吊臂长度限制，测量精度受操作人员主观条件(如技术、情绪)以及测量条件(如天气，光照条件，风力等)影响较大。

本装置采用全新思路，摒弃了上述纯手工的测量方法，而采用了独立工作的远距离的、光学式的裂缝检测外业处理平台获取裂缝图像，并利用图像处理技术和神经网络算法实现裂缝图样长度和宽度的自动检测。从而在确保检测精度的同时，大大节省检测成本和人工消耗，缩短检测时间。

二系统的主要功能模块构成情况说明：

混凝土表面裂缝检测系统由以下组成：一光学部分；二光电部分；三程序部分；四伺服部分。图(1)为系统主要功能模块构成图，对系统基本架构和系统四个主要部分的功能分别作了说明。以下依次陈述本系统各功能单位的详细构成：

<1>光学部分  光学部分的主体结构是一台高精度光学经纬仪，用来进行裂缝的手工对准，进行精密测角以及为光电部分提供成像。如附图(2)，其主要组成部分有：1望远镜物镜；2望远镜制动螺旋；3望远镜微动螺旋；4水平微动螺旋；5轴座固定螺旋；6脚螺旋；7复测器扳手；8水准管；9读数显微镜；10望远镜目镜；11对光螺旋；12竖盘指标水准管；13反光镜；14测微轮；15水平制动螺旋；16竖盘指标水准管微动螺旋；17竖盘外壳。

<2>光电部分  光电部分的主要构件为一块高分辨率面阵CCD图像传感器芯片，以及配套的高速图像数据实时存储器。其功能是从光学经纬仪目镜一侧获取高分辨率图像并进行实时存储。现有已实现量产的高速能数字信号处理芯片及外接存储器组合即可实现预期要求。另外，光电部分还包括光电水平角测量装置和光电竖直角测量装置。

<3>伺服部分  伺服部分包括独立电池和数据传输接线及其接口等组成部分。独立电池能够稳定持久地为外业平台的光电器件提供电源；数据传输接线和接口能够提供外业平台和程序部分数据连接的硬件支持。

光电部分，光学部分和伺服部分为本系统的硬件部分，它们共同构成了本系统外业操作的功能平台，即能够不依赖于其它外部软硬件而独立完成裂缝图像以及裂缝视角等数据的采集过程。

<4>程序部分  程序部分包括了数据接口，数据库系统，图像预处理模块，裂缝定位模块，裂缝检测核心算法模块以及人机交互界面等六个主要模块。图(3)为程序部分主要模块构成图。

1数据接口提供程序对硬件的识别，并利用USB设备实现图像、数据的传输。

2数据库系统对获取的数字图像和视角测量值进行编码，将他们按照标准化格式存入数据库。并且，数据库提供了对图像处理模块的功能接口，等待图像模块随时进行资源调用。

3图像预处理模块能够完成图像灰度化，图像加强，消除噪声，明暗立方图生成等等的功能，把原始图像逐步改造成为适合裂缝自动识别算法计算的以二值矩阵表示的待处理图像。

4裂缝定位模块采用了大津法进行初分割。粗略地划分出图像中裂缝所在的大致区域。

5裂缝检测核心算法模块建立在神经网络进行阈值自动选择的二次分割算法基础上。含裂缝子区域中包含的真实裂缝区域究竟采用多大的阈值进行分割是一个受多种因素综合影响的复杂病态问题。一方面很难找到契合实际的数学模型，另一方面也很难采用对大量数据进行经验分析的方法。而在这种情况下神经网络恰好可以发挥独特的优势。

6人机交互界面构筑在WINDOWS操作系统之上，采用标准WINDOWS风格的窗口，用户只需利用鼠标和键盘完成数据输入操作，而不需要了解任何系统工作的任何内在原理。

三系统的工作原理说明及主要观测流程概述：

<1>裂缝图像宽度和真实宽度的映射关系：