劉 浩，舒小娟，孫 華，施 政

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201)

基于圖像處理技術(shù)的線形識(shí)別的實(shí)驗(yàn)研究*

劉 浩，舒小娟，孫 華，施 政

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201)

對(duì)于懸索橋，斜拉橋和拱橋來(lái)說(shuō)，索或拱軸線的線形對(duì)整個(gè)橋梁的運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要.通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)拉索進(jìn)行模擬研究，采用基于圖像處理技術(shù)對(duì)拍攝獲得的圖像進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)換、圖像增強(qiáng)以及邊緣檢測(cè)處理，從而拉索的邊緣圖像坐標(biāo)，再根據(jù)人工標(biāo)志獲取的圖像轉(zhuǎn)換系數(shù)實(shí)現(xiàn)線形識(shí)別的目的.通過(guò)多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，獲得了正確的拍攝方法，運(yùn)用該方法可以得到很高的線形識(shí)別的精度.

圖像處理；拉索；拱軸線；線形識(shí)別

橋梁使用過(guò)程中，需要不定期的對(duì)橋梁的線形進(jìn)行檢測(cè).傳統(tǒng)的橋梁變形測(cè)量方法，主要采用全站儀、水準(zhǔn)儀和百分表等測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量.該方法雖然具有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在許多缺點(diǎn).外業(yè)工作時(shí)間長(zhǎng)，大多情況下，檢測(cè)過(guò)程中需要封閉交通，嚴(yán)重的影響正常的交通通行，使橋梁周圍的交通壓力增大.隨著非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)的不斷普及，許多專家學(xué)者研究將非量測(cè)相機(jī)應(yīng)用于橋梁檢測(cè)中并取得了許多的成果.本文將拍攝的像片進(jìn)行圖像灰度轉(zhuǎn)換、直方圖均衡化、濾波以及基于Canny算子的邊緣檢測(cè)獲取邊緣信息[1～6]，從而實(shí)現(xiàn)橋梁的線形識(shí)別.本文通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行模擬研究，探討采用這樣的方法進(jìn)行拍攝獲得的精度越高.

1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

本次實(shí)驗(yàn)采用搭載EF 24 mm f/1.4L II USM廣角定焦鏡頭的佳能5D MarkⅢ相機(jī)作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

實(shí)驗(yàn)中采用12 mm塑料包裹的紅色鋼絲繩模擬拉索，其中拉索長(zhǎng)4.5 m，并將鋼絲繩懸掛于兩滑輪上，鋼絲繩兩端吊掛重量相等的5.5 kg砝碼.在拉索的背景墻上用白色的墻紙作為背景.在布置多個(gè)控制點(diǎn)且控制點(diǎn)不都在同一個(gè)平面內(nèi)，并在繩上布置多個(gè)待測(cè)點(diǎn).由于拉索存在一定的橫向剛度，其穿過(guò)滑輪會(huì)影響拉索兩端的變形，本次實(shí)驗(yàn)的有效的拉索長(zhǎng)度取4 m.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

因?yàn)槔髟谧陨碇亓ψ饔孟缕渚€形為懸鏈線，所以對(duì)拉索中心線采用懸鏈線方程進(jìn)行曲線擬合，得到懸鏈線方程.不同的應(yīng)用領(lǐng)域，所采用的懸鏈線的標(biāo)準(zhǔn)方程的形式有所差異，本文采用的工程應(yīng)用中常用的形式，即：

(1)

式中：a為懸鏈系數(shù).

采用全站儀對(duì)拉索的待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量獲得各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，再將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到拉索的二維平面坐標(biāo)，最終對(duì)拉索進(jìn)行曲線擬合得到拉索的曲線方程，如圖2所示.

圖2 拉索線形識(shí)別圖

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，可知拉索的懸鏈線的系數(shù)a為21.869，垂度為0.0915 m.

2 基于圖像處理技術(shù)的拉索線形識(shí)別

基于圖像處理原理的拉索的線形識(shí)別采用的是單張像片，對(duì)于單張像片來(lái)說(shuō)，其受到多種外界因素的影響，所以其可靠性需要論證.其可能受到距離、圓形人工標(biāo)志直徑大小、拍攝角度等等的影響.

2.1 圖像距離的轉(zhuǎn)換

因圖像中的某一線段的長(zhǎng)度跟空間實(shí)際長(zhǎng)度一般是不一樣的，存在的比例關(guān)系，即圖像轉(zhuǎn)換系數(shù).圖像轉(zhuǎn)換系數(shù)一般是通過(guò)貼標(biāo)志物的方法獲取，各種標(biāo)志物各有各的特點(diǎn).在拉索線形識(shí)別平面內(nèi)布置的不論是哪一種人工標(biāo)志物，其目的都是為了獲得拉索在豎向和水平方向的轉(zhuǎn)換系數(shù).最直接的方法是在拉索所在的平面內(nèi)布置點(diǎn)陣人工標(biāo)志，如圖3所示.

圖3 點(diǎn)陣人工標(biāo)志示意圖

如圖3所示，不如設(shè)水平距離和豎向距離分別為Dx、Dy，圖像中的點(diǎn)陣人工標(biāo)志的各相鄰點(diǎn)之間的水平距離的平均值和豎向距離的平均值分別為L(zhǎng)x、Ly.通過(guò)對(duì)標(biāo)志中各相鄰點(diǎn)之間的水平距離和豎向距離取平均值，可以減小誤差，提高精度.因此，水平方向和豎向的轉(zhuǎn)換系數(shù)vx、vy為:

(2)

采用點(diǎn)陣人工標(biāo)志的方法簡(jiǎn)單方便，但是也存在一定的不足之處，點(diǎn)陣人工標(biāo)志需要保證標(biāo)志中水平方向的點(diǎn)是水平的并且豎直方向的點(diǎn)是豎直的.這種采用點(diǎn)陣人工標(biāo)志求解轉(zhuǎn)換系數(shù)的方法很難精確的求解出轉(zhuǎn)換系數(shù).

本文在考慮多種因素影響的情況下，采用圓形人工標(biāo)志物的方法獲取圖像的轉(zhuǎn)換系數(shù).圓形標(biāo)志物在圖像中的形狀一般是橢圓，而且大多是斜橢圓，這就是選擇圓作為標(biāo)志的主要原因.圓形人工標(biāo)志如圖4所示.

圖4 圓形人工標(biāo)志示意圖

如圖5所示，以C(x0，y0)為中心，長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度為a，短長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度為b，長(zhǎng)軸與x軸的夾角為θ橢圓，其一般方程為：

(3)

圖5 橢圓參數(shù)示意圖

在已知圓直徑大小的前提下，分別令x=x0和y=y0可以得出水平X方向和豎直Y方向的轉(zhuǎn)換系數(shù)vx、vy：

(4)

2.2 邊緣曲線擬合

為了實(shí)現(xiàn)拉索的線形識(shí)別，我們可采取邊緣檢測(cè)的方法獲取拉索的邊緣，而經(jīng)邊緣檢測(cè)后得到的圖像中存在上下兩個(gè)邊緣，而我們需要獲取的是拉索中心的線形，所以需要對(duì)拉索的上、下邊緣分別取平均值，再由上、下邊緣的平均值獲得拉索中心線的坐標(biāo)，這才是進(jìn)行拉索線形識(shí)別的所需的坐標(biāo).

2.3 不同人工標(biāo)志對(duì)線形識(shí)別結(jié)果的影響

人工標(biāo)志可以用來(lái)獲取像片的轉(zhuǎn)換系數(shù)，采用哪一種形式的人工標(biāo)志也是非常重要的.每一種人工標(biāo)志都有其特點(diǎn)，不同的人工標(biāo)志得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果也存在差異.本次實(shí)驗(yàn)只采用點(diǎn)陣人工標(biāo)志和圓形人工標(biāo)志兩種標(biāo)志進(jìn)行比較，在其他試驗(yàn)條件相同的前提下得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

表1 不同人工標(biāo)志獲得的線形識(shí)別結(jié)果

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用點(diǎn)陣標(biāo)志得到的精度比圓形標(biāo)志的低，主要是因?yàn)辄c(diǎn)陣人工標(biāo)志參與求取轉(zhuǎn)換系數(shù)的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)較少，偶然誤差對(duì)其的影響較大.對(duì)于采用點(diǎn)陣標(biāo)志來(lái)說(shuō)，若想提高線形識(shí)別的精度就不得不增加點(diǎn)陣中點(diǎn)的數(shù)量，但是點(diǎn)的數(shù)量越多，獲取點(diǎn)陣中所有點(diǎn)的坐標(biāo)工作量也相應(yīng)的大大增加.

因?yàn)閳A形人工標(biāo)志讀取圖像中的標(biāo)志對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)更加的容易.綜上，采用圓形人工標(biāo)志具有更多的優(yōu)勢(shì).

2.4 拍攝距離對(duì)線形識(shí)別結(jié)果的影響

本實(shí)驗(yàn)采用圓形人工標(biāo)志獲取圖像距離與實(shí)際距離的轉(zhuǎn)換系數(shù).當(dāng)圓形人工標(biāo)志的直徑一定時(shí)，拉索在像片中所占的像素點(diǎn)數(shù)量隨著拍攝距離的增大而減小.采用正直或近似正直拍攝方式進(jìn)行拍攝，不同拍攝距離獲得的拉索線形結(jié)果如表2所示.

表2 不同拍攝距離獲得的線形識(shí)別結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在其他條件相同的情況下，隨著拍攝距離的增加，懸鏈線方程的系數(shù)a的誤差越來(lái)越大，這主要是因?yàn)殡S著拍攝距離的增大，同樣大小的圓形標(biāo)志在像片中所占的像素點(diǎn)的數(shù)量越少，參與橢圓擬合的點(diǎn)數(shù)越少，得到轉(zhuǎn)換系數(shù)的精度越低.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)拍攝距離為4～6 m時(shí)，其線形識(shí)別的精度很高，與實(shí)際值相差小于1%，當(dāng)拍攝距離大于10 m時(shí)，其線形識(shí)別的精度一般，與實(shí)際值相差大于1%.綜上，在滿足拍攝條件的情況下，拍攝距離越小得到的線形識(shí)別精度越高.

2.5 圓形人工標(biāo)志直徑大小對(duì)線形識(shí)別結(jié)果的影響

本實(shí)驗(yàn)采用圓形人工標(biāo)志獲取圖像距離與實(shí)際距離的轉(zhuǎn)換系數(shù).不同直徑的圓形標(biāo)志經(jīng)邊緣檢測(cè)后得到的邊緣像素點(diǎn)數(shù)量存在差異，進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)換系數(shù)產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致拉索的線形識(shí)別產(chǎn)生差異.采用正直或近似正直拍攝方式，不同的圓形標(biāo)志直徑大小獲得的拉索線形結(jié)果如表3所示.

表3 不同大小的標(biāo)志直徑獲得的線形識(shí)別結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不難得出，當(dāng)拍攝距離不變的情況下，索的線形識(shí)別精度隨著人工標(biāo)志的直徑大小的增加而提高.當(dāng)人工標(biāo)志半徑為2 cm時(shí)，拉索的線形識(shí)別曲線方程與拉索的實(shí)際相差很大，是因?yàn)楫?dāng)人工標(biāo)志半徑過(guò)小時(shí)，進(jìn)行邊緣檢測(cè)得到的邊緣像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)過(guò)小，其擬合出的橢圓的的長(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng)度精度過(guò)低，使得最后的拉索線形識(shí)別的精度過(guò)低.當(dāng)人工標(biāo)志的半徑達(dá)到一定的大小以后，拉索的線形識(shí)別精度與提高很小.綜上，在滿足條件的情況下，圓形標(biāo)志的半徑越大越有利.

2.6 拍攝角度對(duì)線形識(shí)別結(jié)果的影響

正直或近似正直的拍攝方式能獲得較好的效果，能使得拍攝傾角很小，大大降低了由于傾斜拍攝造成的影響，從而使得像片的上下左右能夠均勻分布.當(dāng)傾斜拍攝時(shí)，像片中的拉索所在的像平面的橫向和縱向跟物方坐標(biāo)的Y軸、Z軸存在一個(gè)轉(zhuǎn)角，對(duì)拉索的線形識(shí)別會(huì)產(chǎn)生影響.由于不同拍攝角度的影響造成的拉索線形識(shí)別的結(jié)果如表4所示.

表4 不同拍攝角度獲得的線形識(shí)別結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不難得到，不論是豎直方向還是水平方向的旋轉(zhuǎn)拍攝，索的線形曲線的精度隨著拍攝角度的增大而降低.當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度控制在5°以內(nèi)時(shí)，其對(duì)結(jié)果的影響非常小，可以滿足測(cè)量要求.

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用多組室內(nèi)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究不同的人工標(biāo)志、拍攝距離、標(biāo)志的大小、拍攝角度對(duì)線形識(shí)別精度的影響.通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可以得到采用盡可能大的圓形人工標(biāo)志并采用垂直或近似垂直的拍攝方式進(jìn)行拍攝，獲得的線形識(shí)別的精度非常高.

[1] 王漢章. 近景攝影測(cè)量方法在橋梁動(dòng)靜載檢測(cè)上的應(yīng)用研究[D]. 吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[2] 尹 蘭. 基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的混凝土表面裂縫特征測(cè)量和分析[D]. 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

[3] 盧曉霞. 基于圖像處理的混凝土裂縫寬度檢測(cè)技術(shù)的研究[J]. 電子科技大學(xué)信號(hào)與信息處理，2010.

[4] 楊美玲. 基于圖像處理的混凝土橋梁裂縫測(cè)量與分析[D]. 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[5] 基于圖像處理的混凝土橋梁底面裂縫檢測(cè)方法的研究[D]. 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

[6] 葉貴如. 基于數(shù)字圖像處理的表面裂縫寬度測(cè)量[J]. 公路交通科技，2010.

ExperimentalResearchofLineRecognitionBasedonImageProcessingTechnology

LIU Hao, SHU Xiao-juan, SUN Hua, SHI Zheng

(School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

For the suspension bridge, cable-stayed bridge and arch bridge, the cable or cable axis of the entire line of the operation of the bridge is essential. Through the simulation of the cable of the indoor experiment, this paper uses image processing technology to obtain the image conversion, image enhancement and edge detection to get the edge coordinates of cables for the image of the captured image. According to the image conversion coefficient obtained by manual marking, the purpose of line recognition is achieved. In this paper, the correct shooting method is obtained by multi group contrast experiment, and the accuracy of line recognition can be obtained by this method.

image processing; cable; arch axis; linear recognition

2017-05-09

劉 浩(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：基于非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)的橋梁的線形識(shí)別.舒小娟(1975-)，女，博士，碩士生導(dǎo)師，副教授，研究方向：箱梁橋的設(shè)計(jì)與分析.

TB8

A

1671-119X(2017)04-0077-04