杜玉紅，張松奇

(河南理工大學(xué) 鶴壁工程技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

0 引 言

船舶耐腐蝕材料大多數(shù)為金屬材料，該類(lèi)材料主要用在船舶內(nèi)部管道、驅(qū)動(dòng)軸以及螺旋槳等位置，其受到海水長(zhǎng)時(shí)間浸泡以及海水內(nèi)鹽分侵蝕，金屬類(lèi)耐腐蝕材料表面容易出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)[1,2]，當(dāng)腐蝕點(diǎn)不斷擴(kuò)大后影響船舶耐腐蝕材料受力性能，容易出現(xiàn)斷裂情況。為保障船舶航行安全以及方便船舶耐腐蝕材料保養(yǎng)維護(hù)，對(duì)船舶耐腐蝕材料表面缺陷進(jìn)行識(shí)別意義較大。目前也有很多學(xué)者研究船舶耐腐蝕材料表面缺陷識(shí)別方法，如劉佳琪等[3]提出的激光熱成像金屬表面缺陷識(shí)別方法，該方法通過(guò)采集船舶耐腐蝕材料表面激光熱成像圖像，然后使用差動(dòng)法對(duì)船舶耐腐蝕材料表面激光熱成像圖像內(nèi)缺陷進(jìn)行深度量化，實(shí)現(xiàn)其缺陷識(shí)別。但該方法受采集的船舶腐蝕材料表面激光熱成像內(nèi)干擾噪聲影響，其缺陷識(shí)別效果不佳。王祿祥等[4]提出紅外圖像缺陷檢測(cè)方法，該方法采集船舶腐蝕材料紅外圖像后，利用直覺(jué)模糊C 均值聚類(lèi)方法實(shí)現(xiàn)船舶腐蝕材料表面缺陷檢測(cè)。但該方法在應(yīng)用過(guò)程中受直覺(jué)模糊C 均值聚類(lèi)方法參數(shù)選擇主觀性影響，導(dǎo)致其識(shí)別船舶腐蝕材料表面缺陷精度不足。紅外圖像是利用紅外熱像儀采集的目標(biāo)反射或者自身發(fā)射紅外線形成的圖像，該圖像可獲取目標(biāo)紅外輻射差異，用于目標(biāo)識(shí)別、缺陷檢測(cè)、故障檢測(cè)等，目前在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛[5]。本文在此以紅外圖像為基礎(chǔ)，研究基于紅外圖像的耐腐蝕船舶材料表面缺陷識(shí)別方法，為耐腐蝕船舶材料應(yīng)用以及維護(hù)提供有力手段。

1 耐腐蝕船舶材料表面缺陷識(shí)別

1.1 耐腐蝕船舶材料紅外圖像采集

利用超聲紅外圖像檢測(cè)裝置采集耐腐蝕船舶材料表面紅外圖像，設(shè)計(jì)超聲紅外圖像檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。超聲紅外圖像檢測(cè)裝置由超聲槍、紅外熱像儀以及預(yù)緊單元組成，利用電源為超聲槍和紅外熱像儀提供穩(wěn)定電壓供應(yīng)，超聲槍將高頻直流脈沖轉(zhuǎn)換為高頻振動(dòng)脈沖發(fā)射到耐腐蝕船舶材料表面，利用紅外攝像儀擦劑耐腐蝕船舶材料表面紅外圖像，為后續(xù)耐腐蝕船舶材料缺陷識(shí)別提供圖像數(shù)據(jù)。

圖1 超聲紅外圖像檢測(cè)裝置Fig. 1 Ultrasonic infrared image detection device

1.2 雙邊濾波器與自適應(yīng)邊緣補(bǔ)償?shù)募t外圖像增強(qiáng)方法

由于采集耐腐蝕船舶材料紅外圖像環(huán)境以及超聲紅外圖像檢測(cè)裝置自身性能制約影響，采集到的耐腐蝕船舶材料紅外圖像內(nèi)含有干擾噪聲，導(dǎo)致其分辨率和對(duì)比度均較低，圖像內(nèi)缺陷紋理信息較為模糊[6]，影響耐腐蝕船舶材料缺陷識(shí)別精度，為此需對(duì)采集到的耐腐蝕船舶材料紅外圖像進(jìn)行去噪和邊緣補(bǔ)償處理，提升耐腐蝕船舶材料紅外圖像的分辨率和對(duì)比度。先使用雙邊濾波器對(duì)耐腐蝕船舶材料紅外圖像進(jìn)行去噪處理，令Q(x,y) 表示耐腐蝕船舶材料紅外圖像，該圖像濾波去噪表達(dá)式如下：

式中：Qout(x,y)表示濾波去噪后的耐腐蝕船舶材料紅外圖像，其中x、y表示像素點(diǎn)坐標(biāo)；i、j均表示像素點(diǎn)；Mx,y表示耐腐蝕船舶材料紅外圖像像素點(diǎn)集合；ws(i,j)、wr(i,j)分別表示空間鄰近度因子和空間灰度相似度因子。

利用式(1)對(duì)耐腐蝕船舶材料紅外圖像進(jìn)行濾波處理后，去除圖像內(nèi)部含有的干擾噪聲后，使用自適應(yīng)邊緣補(bǔ)償方法對(duì)耐腐蝕船舶材料紅外圖像進(jìn)行邊緣增強(qiáng)處理。?Q(x,y)表示去除濾波后耐腐蝕船舶材料紅外圖像與原始圖像之間的偏差，其計(jì)算式如下：

式(2)結(jié)果描述了耐腐蝕船舶材料紅外圖像經(jīng)過(guò)濾波后的差異，當(dāng)雙邊濾波窗口在耐腐蝕船舶材料紅外圖像邊緣位置時(shí)，其空間灰度相似度因子數(shù)值越小，反之則空間灰度相似度因子數(shù)值較大。因此可通過(guò)調(diào)整耐腐蝕船舶材料紅外圖像空間灰度相似度因子之和的方式描述耐腐蝕船舶材料紅外圖像邊緣，則耐腐蝕船舶材料紅外圖像空間灰度相似度因子之和表達(dá)式如下：

式中：wsum(x,y)表示耐腐蝕船舶材料紅外圖像空間灰度相似度因子之和；w(i,j)表示空間灰度相似度因子系數(shù)。

以式(3)結(jié)果為基礎(chǔ)，計(jì)算腐蝕船舶材料紅外圖像邊緣補(bǔ)償因子，其表達(dá)式如下：

式中：C(x,y)表示腐蝕船舶材料紅外圖像邊緣補(bǔ)償因子；hi、hj分別表示邊緣增強(qiáng)窗口行數(shù)和列數(shù)；ε表示補(bǔ)償調(diào)節(jié)因子。

利用式(4)結(jié)果對(duì)耐腐蝕船舶材料紅外圖像進(jìn)行補(bǔ)償，則補(bǔ)償后的耐腐蝕船舶材料紅外圖像表達(dá)式如下：

式中：R(x,y)表示邊緣補(bǔ)償后的耐腐蝕船舶材料紅外圖像。

由式(5)可知，利用該式對(duì)耐腐蝕船舶材料紅外圖像進(jìn)行邊緣補(bǔ)償時(shí)，邊緣增強(qiáng)區(qū)域的補(bǔ)償量數(shù)值越高，而邊緣較為平坦區(qū)域補(bǔ)償量數(shù)值越小，當(dāng)耐腐蝕船舶材料紅外圖像存在過(guò)度平滑或者過(guò)度銳化現(xiàn)象時(shí)，會(huì)導(dǎo)致該圖像邊緣增強(qiáng)過(guò)沖或者灰度翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，為避免該種現(xiàn)，可按照耐腐蝕船舶材料紅外圖像邊緣特性對(duì)其進(jìn)行自適應(yīng)邊緣補(bǔ)償。利用式(5)結(jié)果對(duì)濾波處理后的圖像進(jìn)行修正處理，則得到自適應(yīng)補(bǔ)償后的耐腐蝕船舶材料紅外圖像表達(dá)式如下：

式中，Qcm(x.y)表示修正后的耐腐蝕船舶材料紅外圖像。

經(jīng)過(guò)上述步驟，實(shí)現(xiàn)耐腐蝕船舶材料紅外圖像噪聲去除和邊緣增強(qiáng)，使耐腐蝕船舶材料紅外圖像呈現(xiàn)的缺陷更加清晰。

1.3 基于小波變換的耐腐蝕船舶材料表面缺陷識(shí)別

以去噪和邊緣增強(qiáng)處理后的耐腐蝕船舶材料紅外圖像作為輸入，使用小波變換實(shí)現(xiàn)耐腐蝕船舶材料表面缺陷識(shí)別。小波變換可聚焦信號(hào)任意細(xì)節(jié)，在缺陷識(shí)別、故障診斷領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。利用小波變換方式識(shí)別耐腐蝕船舶材料表面缺陷。Y(x,y)表示耐腐蝕船舶材料表面缺陷紅外圖像信號(hào)函數(shù)，該紅外圖像的平滑函數(shù)由O(x,y)表示，計(jì)算函數(shù)O(x,y)每個(gè)方向的偏導(dǎo)數(shù)，即

式中：θ1(x,y)、θ2(x,y)分別表示平滑函數(shù)的2 個(gè)方向的偏導(dǎo)數(shù)；O1(x,y)、O2(x,y)分別表示平滑函數(shù)的2 個(gè)方向；?表示偏導(dǎo)數(shù)函數(shù)。

將θ1(x,y)和θ2(x,y)分別看作二維小波函數(shù)，以其為基礎(chǔ)對(duì)耐腐蝕船舶材料表面缺陷紅外圖像進(jìn)行小波變換，其表達(dá)式如下：

式中，ζ1(x,y) 、ζ2(x,y)分別表示耐腐蝕船舶材料表面缺陷紅外圖像平滑函數(shù)2 個(gè)方向小波變換結(jié)果。

在小波變換分量與梯度分量為正相關(guān)關(guān)系時(shí)，耐腐蝕船舶材料表面缺陷紅外圖像在任意尺度上的，小波變換梯度矢量和幅角表達(dá)式如下：

式中：M(x,y)表示耐腐蝕船舶材料表面缺陷紅外圖像在任意尺度上小波變換梯度矢量；N(x,y)表示幅角。

由式(10)可知，當(dāng)耐腐蝕船舶材料表面缺陷紅外圖像在任意尺度上小波變換梯度矢量達(dá)到極大值時(shí)，該梯度矢量對(duì)應(yīng)的位置為紅外圖像突變位置，此時(shí)可利用該位置處的幅角獲得耐腐蝕船舶材料表面缺陷邊緣集合點(diǎn)，得到耐腐蝕船舶材料表面缺陷位置，實(shí)現(xiàn)耐腐蝕船舶材料表面缺陷識(shí)別。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以某貨運(yùn)船舶作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該船舶為中型集裝箱船，全長(zhǎng)280 m，寬度為39 m，動(dòng)力可達(dá)到4.3×104kW，標(biāo)準(zhǔn)載貨量為5 446 t。超聲紅外圖像檢測(cè)裝置的超聲槍型號(hào)為HI-TOO，紅外熱像儀型號(hào)為FLIR-E76，利用超聲紅外圖像檢測(cè)裝置采集該船舶耐腐蝕性材料紅外圖像，并以該紅外圖像為基礎(chǔ)，對(duì)其缺陷進(jìn)行識(shí)別。

以一幅耐腐蝕船舶材料表面缺陷紅外圖像作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用本文方法對(duì)其進(jìn)行降噪處理，處理結(jié)果如圖2 所示。分析可知，利用本文方法對(duì)耐腐蝕船舶材料表面缺陷紅外圖像進(jìn)行去噪處理后，其紅外圖像內(nèi)分布的噪聲點(diǎn)均被去除，其說(shuō)明本文方法具備較好的耐腐蝕船舶材料表面缺陷紅外圖像去噪能力。

圖2 紅外圖像去噪效果Fig. 2 Infrared image denoising effect

以螺旋槳耐腐蝕船舶材料表面缺陷紅外圖像作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用本文方法對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)處理，測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。分析圖3 可知，原始的耐腐蝕船舶材料表面紅外圖像的螺旋槳邊緣不夠清晰，而利用本方法對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)處理后，螺旋槳邊緣較為清晰，右上方不夠明顯的焊接點(diǎn)經(jīng)過(guò)增強(qiáng)處理后在視覺(jué)上較為明顯。該結(jié)果說(shuō)明本文方法可有效對(duì)耐腐蝕船舶材料表面紅外圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。

圖3 紅外圖像邊緣增強(qiáng)效果Fig. 3 Infrared Image Edge Enhancement Effect

進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法對(duì)耐腐蝕船舶材料表面缺陷紅外圖像增強(qiáng)效果，以某幅耐腐蝕船舶材料表面缺陷紅外圖像作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用本文方法對(duì)其進(jìn)行邊緣增強(qiáng)處理，并以直方圖形式呈現(xiàn)該圖像邊緣增強(qiáng)處理前后灰度值，測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。分析可知，應(yīng)用本文方法對(duì)耐腐蝕船舶材料表面紅外圖像進(jìn)行增強(qiáng)后，在相同像素點(diǎn)情況下，像素點(diǎn)灰度值得到有效提升，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文方法對(duì)耐腐蝕船舶材料表面紅外圖像增強(qiáng)效果。

圖4 紅外圖像邊緣增強(qiáng)測(cè)試結(jié)果Fig. 4 Infrared Image Edge Enhancement Test Results

驗(yàn)證本文方法識(shí)別耐腐蝕船舶材料表面缺陷能力，分別以一幅存在較大缺陷的耐腐蝕船舶材料表面紅外圖像和存在微小耐腐蝕船舶材料表面紅外圖像作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用本文方法時(shí)缺陷進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別結(jié)果如圖5 所示。分析圖5 可知，存在微小缺陷的耐腐蝕船舶材料表面紅外圖像內(nèi)共存在2 處微小缺陷，本文方法均可有效識(shí)別，而存在較大缺陷的耐腐蝕船舶材料表面紅外圖像內(nèi)共有3 處腐蝕點(diǎn)，本文也可有效識(shí)別。上述結(jié)果說(shuō)明：本文方法可有效識(shí)別耐腐蝕船舶材料表面缺陷，不受缺陷大小影響，識(shí)別結(jié)果較為精準(zhǔn)，具備較好應(yīng)用效果。

圖5 不同缺陷識(shí)別結(jié)果Fig. 5 Different Defect Identification Results

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究基于紅外圖像的耐腐蝕船舶材料表面缺陷識(shí)別方法，通過(guò)采集耐腐蝕船舶材料表面紅外圖像，經(jīng)過(guò)對(duì)該紅外圖像進(jìn)行預(yù)處理后，使用小波變換方法實(shí)現(xiàn)耐腐蝕船舶材料表面缺陷識(shí)別。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文方法在紅外圖像增強(qiáng)和缺陷識(shí)別方面均具備較好的應(yīng)用效果。