鐘永元

摘 要：文章介紹了水中機器視覺檢測常用方法，分析比較了表面缺陷攝像檢測中雙目視方法的特點及不足，提出了單目視輔以定位射線的檢測方法方法，結(jié)合工程實際，對現(xiàn)有的雙目視方法的檢測裝置進行了改進，提高了其工作穩(wěn)定性和工作效果。

關(guān)鍵詞：雙目視覺 水下檢測 攝像檢測

1.引言

水中結(jié)構(gòu)物表面缺陷的幾何特征識別，關(guān)系到水中結(jié)構(gòu)物的狀態(tài)評估、維修加固設(shè)計等方面。我國東南沿海省份有多條高速公路處于江河入?？诟浇饔?。受常年較大潮差水流的影響，橋梁水中結(jié)構(gòu)物部分可能存在病害，為及時掌握橋梁水中結(jié)構(gòu)物的狀況，亟需采取有效方法對水中結(jié)構(gòu)物進行快速、有效檢測。

2.水中橋梁樁基病害類型

我國現(xiàn)有橋梁水中結(jié)構(gòu)物多數(shù)為混凝土結(jié)構(gòu)。水中結(jié)構(gòu)物病害調(diào)查結(jié)果表明，橋梁水中混凝土材質(zhì)基礎(chǔ)的主要病害形式為混凝土開裂、剝落、表面缺損（蜂窩麻面等）、沖蝕等表觀病害，以及鋼筋銹脹等材料性質(zhì)變化引起的病害。根據(jù)調(diào)查資料，水中橋梁樁基病害類型主要有以下幾種：

（1）施工質(zhì)量缺陷。主要有混凝土表觀質(zhì)量差等。施工質(zhì)量缺陷易導(dǎo)致混凝土質(zhì)量差而形成沖蝕和鋼筋的銹蝕等病害。

（2）鋼筋銹蝕。主要表現(xiàn)為銹斑、銹脹。位于沖刷區(qū)域的樁身段，鋼筋銹蝕后由于水流作用混凝土迅速脫落，形成鋼筋外露。

（3）混凝土沖蝕。長期受水流、漂浮物等的沖刷磨損，混凝土逐漸被消磨，造成混凝護層變薄。

水中結(jié)構(gòu)物位于水下，發(fā)生病害后不易觀測。因此需要針對不同病害類型，采用適宜的檢測方法，以保證及時有效地對水中結(jié)構(gòu)物進行檢測。目前，水中結(jié)構(gòu)物表面缺陷的幾何特征的獲取還是以目視或攝像的方式為主，主要包括潛水員摸測和目測、靜水攝像、遙控電視和動態(tài)攝像等。

3.雙目視覺檢測概述

計算機視覺的研究目標是使計算機具有通過二維圖像認知三維環(huán)境信息的能力。立體視覺（Stereo Vision）是計算機被動測距方法中最重要的距離感知技術(shù)，而在實際應(yīng)用中，雙目視覺是應(yīng)用較多的檢測方式，現(xiàn)有的基于機器視覺的水下結(jié)構(gòu)物檢測技術(shù)研究均采用雙目視覺法。雙目立體視覺系統(tǒng)主要是基于三角法原理進行測量的，即兩個攝像機的圖像平面和被測物體之間構(gòu)成一個三角形。已知兩攝像機之間的位置關(guān)系，便可測量兩攝像機公共視場內(nèi)物體的三維尺寸及空間物體特征點的三維坐標。

4.雙目視覺檢測原理

典型的雙目傳感器基于立體視差原理進行測量，如圖1所示為簡單的平視雙目成像原理圖。

具體方法如下：

交叉擺放兩個攝像機，從不同角度觀測同一被測物體，只要能從不同位置或角度獲取同一特征點的圖像坐標，都可以由雙目立體視覺測量的原理求取三維空間坐標。

首先要確定單個攝像機的視角，然后針對工程應(yīng)用的實際情況，設(shè)計兩個攝像機之間的基線距離與夾角，以獲取最佳的公共視場。為獲得實際檢測中CCD相機的視角，使CCD相機與一平面垂直。根據(jù)實際的攝像機能抵近結(jié)構(gòu)物表面的距離，設(shè)置CCD相機與平面的距離，并且讓CCD相機的光軸指向平面上的十字中心，根據(jù)圖像中的所能拍攝到的標尺的距離，則可計算出CCD相機在水平方向和豎直方向上的視角。

由三角關(guān)系可以計算出CCD攝像機的水平視角和豎直視角。根據(jù)兩個攝像機的基線距離、攝像機與基線的夾角和攝像機的視角，則可以計算出雙目立體視覺傳感器的公共視場。但在實際應(yīng)用中，雙目視覺法需要采用多臺或多組攝像機進行拍攝，存在需要設(shè)備較多、應(yīng)用不便的問題。為此，也可考慮采用單目視覺法輔以定位射線的方法進行檢測。

5.單目視覺檢測輔以定位射線的檢測方法

在實際工作中，如果需要將兩個攝像機同時置入水中進行檢測，將增加潛水員或水下機器人的負載，不便于操作。而傳統(tǒng)的僅采用單一攝像頭的方式，又存在不便于識別幾何特征的缺點。為此，可采用以下方法進行解決：

在單攝像頭外徑兩端各安裝一個激光發(fā)射裝置，其發(fā)射的射線均與攝像機的視覺軸線平行。檢測時，將激光發(fā)射裝置開啟，在被檢物表面形成靶點，且靶點均在攝像機的視場范圍內(nèi)，將靶點與周邊物體一起攝錄。

分析時，可在計算機屏幕上讀取兩靶點的像素數(shù)量，記為A，根據(jù)兩激光發(fā)射裝置的間距B，可得到比例系數(shù)C=B/A。在讀取表觀病害，如裂縫，確定其兩端點之間的像素數(shù)量D，再乘以C，即可得裂縫兩端點的距離。

對于剝落等缺陷，則可先確定其分布區(qū)域的端點，在根據(jù)上述方法確定兩兩端點之間的間距，進而可算得剝落等面積。

從上述分析可見，采用單攝像頭法時，可測得表觀缺陷的二維幾何特征。而現(xiàn)有的雙目視法研究成果表明，雙目視法不僅可測得表觀缺陷的二維幾何特征，還可測得其三維幾何特征（如裂縫深度，缺陷深度等）。

因此，在實際工作中，應(yīng)根據(jù)檢測需求和工作條件，合理采用視覺檢測方法。

6.雙目視覺檢測裝置的改進

在現(xiàn)有的研究中，雖然研發(fā)了雙目視覺的檢測裝置，但仍存在以下問題：圖像獲取的清晰度不高；工作穩(wěn)定性不佳。

造成這種現(xiàn)象的原因如下：

（1）圖像獲取的清晰度不高的成因。經(jīng)分析，原有研究中的水下攝像裝置采用封閉式框架，攝像機直接浸沒于原狀水體中。由于攝像機距被檢物表面存在一定距離，當原狀水體較為渾濁時，攝像機即被渾濁水體阻隔而無法攝錄。

（2）工作穩(wěn)定性不佳的成因。經(jīng)分析，原有研究中的水下攝像裝置采用無動力的框架，僅在框架上端設(shè)置扶手。當框架置于水中時，框架受水流沖擊，導(dǎo)致扶手變形，從而引起框架擺動等，導(dǎo)致框架不穩(wěn)定，影響攝錄。

為解決這些問題，對原有框架進行了改進，具體如下：

（1）圖像獲取的清晰度的改進。為使攝像頭獲取清晰度高的照片，將框架改進為封閉式框架。框架內(nèi)部事先注滿清水?？蚣芡瑫r加裝輔助推進裝置，使框架外壁能緊貼被檢物表面。這樣使攝像機可在較為透明的環(huán)境中工作，從而可以獲取清晰度高的圖像。

（2）工作穩(wěn)定性不佳的改進。在原裝置的基礎(chǔ)上，在裝置側(cè)壁安裝有多個推進裝置。形成帶推進裝置的新型封閉框架。由水下攝像機裝載框架、框架扶桿等構(gòu)成?？蚣芊鰲U為空心桿件，水下攝像機的電源線等通過扶桿內(nèi)的空腔延展到操作平臺。

使用時，將待檢測的水中結(jié)構(gòu)物表面分成若干豎向檢測條帶。條帶寬度稍小于攝像機的攝像視場寬度。沿檢測條帶中心線位置下方框架。

作業(yè)時，操作人員手握扶桿，根據(jù)扶桿受水流沖擊的變形，調(diào)節(jié)不同推進裝置的推進方向和功率，使扶桿基本保持豎直狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，徐徐下方扶桿，即可帶動框架下沉，并進行檢測條帶內(nèi)的攝錄。

圖2為該裝置在贛江南昌段水中結(jié)構(gòu)物檢測的圖像?？梢?，采用上述裝置拍攝的照片清晰，水中結(jié)構(gòu)物表觀情況層次分明，說明該裝置在水中穩(wěn)定性較好。贛江是我國內(nèi)陸較大的河流，其水流流速等在我國內(nèi)陸河流具有一定代表性，因此該裝置可在我國多數(shù)河流中使用。

7.結(jié)束語

綜上所述，文章結(jié)合橋梁水中結(jié)構(gòu)物的特點，介紹了可用的攝像檢測方法并進行了適宜性分析，結(jié)合工程現(xiàn)狀，改進了現(xiàn)有檢測裝置，提高其工作性能，可為工程實際應(yīng)用提供參考。

參考文獻：

[1]馬頌德，張正友.計算機視覺—計算理論與算法基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，1998.

[2]陳勛.水下結(jié)構(gòu)表觀缺陷檢測技術(shù)及系統(tǒng)集成研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[3]蔣安之，程志虎.第二專題 水下目視檢測技術(shù)——（二）水下攝影與電視攝象技術(shù)[J].無損檢測，1998（01）：20-23.