一种基于机器视觉的便携式可定位裂缝测宽仪的探究

刘佳璇 王睿 刘煜捷 马安泉 刘懿涵

摘要：裂缝宽度是评估混凝土耐久性、安全性的一项重要指标，裂缝宽度检测是房屋、建筑、桥梁等众多建筑物评估和检修的重要依据，对于保障建筑物安全、延长建筑物使用寿命具有重要意义。传统的测量方式精确度低、误差较大，市面上现有的裂缝测宽仪大都无定点拍照功能，且具有体积较大、携带不便、数据不便存储等缺点。基于现有裂缝测宽仪的局限之处，对其进行创新改造，减少人力物力资源的耗费，在实际工程中拥有广阔的应用前景。

关键词：裂缝宽度测量； 机器视觉； 计算机数字图像处理技术； GPS定位系统； 加密数据库

中图分类号：P204文献标志码：A

1研究背景及仪器设计思路

1.1研究背景

现有的裂缝检测方法有很多，传统的人工读尺测量或卡尺标记测距，现在不断发展的超声波测宽技术、位移传感器以及基于图像分析技术的裂缝检测仪等，不同程度上满足了人工测量的要求。针对现有的裂缝测宽方式，展开调研分析。

传统的人工读尺或卡尺标记法虽然工具便于获取和携带，但由于裂缝宽度微小，人的主客观因素影响较大，测量结果将具有很大的主观性，存在较大误差，同时人工读数速度较慢，效率低下；超声波技术现被广泛使用，利用超声波在介质中沿直线传播并在界面上产生反射、折射和波形转换［1］的特性，可以获得从缺陷界面反射回来的反射波，从而实现钢管混凝土裂缝宽度等内部结构检测。但由于此技术工序复杂、检测成本高、检测结果准确率低，且只适用于小范围的抽样检测［2］，不具备工程检修的实用性；对于需要连续检测的裂缝，基本采用位移传感器实现。将其安装于被检测体表面，测量结构随着裂缝的开合度变化来测量裂缝的平均大小，再通过外接设备实现裂缝宽度的连续测量。但在实际测量中其零位误差较大、环境因素影响较大、设备带电缆，不便于自动化数据采集；产品体积较大，结构安装复杂等等［3］。

最后一种目前市场上较多的裂缝宽度检测仪，在实际工程中也有一定的应用。包括探头和显示器两部分，基于图像分析技术，经过图像采集、图像处理和图像分析以及裂缝计算等步骤实现裂缝宽度测量［4］。检测仪器精度普遍较高，但经过市场调研后发现，现有的裂缝测宽仪多数不具备裂缝定点功能、图像存储功能、安全评价功能，同时从外观来说，仪器主体部分数据线缠绕操作不便，同时体积和重量较大，工程中携带不便。

1.2设计思路

因此，一种结构简单、体积较小、方便携带的基于照相和图像技术的裂缝宽度测宽仪，成为探索方向。该仪器包括探头和接收终端，接受终端为个人的移动设备，如手机。基于机器视角和计算机图像处理技术，对在一定条件下采集的混凝土裂缝图片进行处理，得到裂缝宽度值，采用无线局域网传输至手机APP终端，数据和图片加密存储在数据库中，方便后续实施裂缝监测。

2仪器的组成与特点

2.1装置特点

相比于传统的裂缝宽度测量仪器，本测量仪器便捷性、数据处理与储存保管等方面进行创新，主要优势有：

（1）体积小，易携带：仪器端部可连接挂绳，将其挂在脖子上，方便使用者携带。本仪器小型镜筒内含有小型镜头和内置光源，仪器内置光源亮度及其裂缝表面的距离通过亮度距离试验均已设置完成，各影响因素已达最佳条件。

（2）数据自动处理并传输：利用计算机图像处理技术进行灰度化［5］、二值化、去噪点、裂缝宽度计算，得出的裂缝宽度数值通过WIFI传输到手机APP终端［6］，并在本施工项目共享加密数据库中自动保存，体积小、便于携带，操作简便、效率高，节省时间和人力物力资源。

（3）增加定位系统：在测量裂缝宽度时可根据GPS定位系统［7］在APP地图准确标定裂缝的位置，同时在程序中可手动输入楼层号或相对标高、实时记录现场照片加以辅助，提高工作效率，极大避免了工作失误，为工程检测带来巨大的方便。

（4）增加裂缝安全性评价：仪器测量裂缝宽度得到具体数值后，自动评估该裂缝的安全性，判断是否会产生安全隐患。

2.2装置组成

2.2.1处理器部分

开始—采集视频—Wifi无线传输视频—移动端接收视频流—移动端处理视频—视频显示—其他操作—结束。

无线WIFI摄像原理就是无线传输视频信号用电磁波代替电线。现在市面上的无线监控基本都是P2P技术，也就是点对点的，穿透连接快，流畅。其具有以下优点：

（1）标准H.264 视频压缩算法，满足在狭窄的带宽网络里传输高清晰度视频.高画质、低码流、本地高清录像，观看更流畅，无拖影。

（2）百万高清像素，画质清晰。

（3）支持多种移动设备连接使用，支持多平台，多终端，多网络。

（4）支持多用户访问，多设备管理。

（5）支持WIFI，灵活组建无线工作环境，让多台设备同时工作。

2.2.2接收终端部分

（1）当接收到来自于无线摄像头的视频数据后显示原视频图像，按下拍照键后将截取当前视频帧为图像处理基础并将图像停止在该帧。

（2）通过现有的OPENCV的图像处理库，先将图像二值化，再去掉图像噪点，后使用OPENCV现有的函数功能找到最大连通域，算出面积。

（3）再使用计算出最大连通域的近似长度，后用宽度=面积/2×长度计算出宽度。并显示出来。后选择是否保存

（4）保存数据后，使用GPS定位功能将当前数据与GPS定位数据绑定。

2.2.3仪器本体部分及使用方法

本产品由被测裂缝、采集系统、控制系统三大部分组成，使用内置光源的仪器摄像头对裂缝表面进行图像采集，利用无线局域网传输至手机或电脑终端，由此获得裂缝的图片和宽度信息并对其进行控制和管理（图1、图2）。

仪器具体使用方法，操作步驟：

（1）测量者找到所需测量的裂缝后，长按筒壁上方开机按钮启动。

（2）将仪器摄像头对准裂缝表面。

（3）按下筒壁光源按钮开启内置光源。

（4）按下拍照按钮进行裂缝图像采集。

（5）在相应的手机APP或电脑网页终端可查看裂缝图片（包括灰度化后图像）、具体数值和对裂缝的评价。

（6）APP定位系统自带地图，可准确标定裂缝的位置，在APP中可自主手动输入楼层号或相对标高进行分组，实时记录现场照片加以辅助。

3实施方案

3.1工作原理

3.1.1采集裂缝图像

采用数码相机作为图像采集系统，镜筒内含小型镜头和内置光源，长按开机按钮，将镜筒对准并紧贴裂缝位置，开启光源，按下拍照键将裂缝图像上传终端设备，对其进行下一步分析处理。

3.1.2裂缝图像处理

3.1.2.1图片灰度化

RGB=（R，G，B）;R，G，B∈x|x≤255，x∈N，其是由红蓝绿三个颜色的对应值来决定颜色的。当RGB为（0，0，0）时为黑色，为（255，255，255）时为白色。因此为了达到较好的灰度效果需要设定一个合适的比例。给出一个函数：

F（x，y）=aR+bG+cB

x，y为图片中对应的像素点的坐标。a，b，c为红绿蓝的占比。R，G，B为RGB值。F（x，y）为灰度值（0～255）。

以上方法是采用加权平均计算的灰度值，如何进行（a，b，c）的配比我们还需要进一步进行实验。但是很明确的一点是由于绿色最亮，红色其次，蓝色最暗。蓝色的占比应较大才能让灰度化后的图片有较暗的效果。

3.1.2.2二值化处理

二值的取值只能是0和1，即黑色和白色，而灰度值为0-225，因此我们可以通过局部自适应阈值和边缘检测的方法来确定阈值。在阈值以下的设置成黑色，阈值以上的设置为白色。

3.1.2.3连通域去噪点

在二值图像中，裂缝区域一般具有连续性且呈线状区域，而噪声区域根据分割算法的结果表现为连通域面积大小不一的块状区域，根据裂缝与噪声的不同特征，设计算法去除噪声区域。

3.1.3裂缝宽度计算

经过一系列机器视觉分析，所采集的图片只剩下裂缝部分，采用膨胀圆的裂缝检测方法，得出最大膨胀圆的直径，即为所测裂缝宽度。

3.1.4裂缝定位及数据存储

手机自带GPS定位，在APP的地图中准确标定裂缝的位置，手动输入楼层，若在同一豎直平面上存在多条裂缝，根据人工测量，在系统中输入相对标高，据此对每一条裂缝进行标号，避免裂缝位置混淆不清、导致重复测量的问题，同时方便之后对裂缝宽度进行监测。数据处理完毕后放入加密数据库，使用同一系统的同一项目相关人员可查看有关数据，实现数据共享。

3.2实施过程

测量者首先长按筒壁上方开机按钮启动，找到所需测量的裂缝后，将测宽仪放置裂缝表面，按下光源按钮开启内置光源，光源自动匹配合适的亮度后按下拍照键，通过光圈大小为32F的内窥200w摄像头进行图片采集记录，通过计算机图像处理后，在相应的手机APP终端查看裂缝具体数值。得到数值后，软件自动评估该裂缝是否会对工程项目造成安全隐患，进行安全性评价。在测量裂缝宽度时，可根据GPS定位系统在APP地图准确标定裂缝的位置，同时在程序中可手动输入楼层号或相对标高、实时记录现场照片加以辅助，提高工作效率，极大避免了工作失误，为工程检测带来巨大的方便。

3.3工程应用

混凝土因其强度高、造价低、耐久性和耐火性好、抗压强度高、原材料来源广、养护费用低，已广泛应用在房屋、道路、桥梁等各种建筑中，但由于其抗拉强度低故易形成裂缝。建筑物表面裂缝是建筑物混凝土内部使用过程中的损伤积累、是建筑物达到一定危险程度的外部集中表现，其所包含的信息量对于预示和征兆建筑物险情具有关键性意义［5］。几乎所有的混凝土构件均处于带裂缝工作状态，一旦裂缝发展到一定程度将造成重大安全事故的发生，所以在工程中需要通过监测工作及时了解裂缝特征、发展阶段并加以跟踪、检测，据此及时对裂缝进行维护和补修，可降低建筑成本，保障公共财产和人生性命的安全。

建筑工程项目所需测量的裂缝数量较多，考虑到手机具有私密性且储存空间有限，本仪器通过网络传输到网络平台，电脑手机都可以实时进行监测、储存和查看。本仪器作为一种创新型便携式可定位裂缝测宽仪，根据计算机编程图像处理技术计算宽度数值并通过WiFi传输到手机终端自动保存图片和数据，可以缩小仪器体积，方便工程监测现场工作携带，减少劳动精力成本的增加，同时可降低仪器外壳、显示屏等材料制作的费用，减少工程监测中仪器购置的成本。不仅如此，考虑到某些施工现场环境黑暗（如隧道检测工程）或多个监测人员同时进行测量的情况，本装置可根据GPS定位系统在APP地图准确标定裂缝的位置，手动输入楼层号或相对标高，同时记录现场照片作为辅助，以此避免工程监测工作中裂缝数量多、位置混淆不清、重复测量等问题，极大提高工程检测的效率，降低时间成本。

4结束语

本文基于裂缝自动测宽仪在工程监测及维修工作中的应用，对市面上现有的裂缝宽度测量仪不足之处进行改良并结合工程现状不断创新，研究出一种基于计算机数字图像处理的可定位小型便携式混凝土测宽仪。本装置增加了定点拍照功能，拍下裂缝图片后通过Andriod Studio对图片进行灰度化处理、二值化处理、去噪点、裂缝宽度计算一系列处理算法得到裂缝宽度数值，数据将通过WiFi直接传导至手机APP终端并进行保存，从而实现数据的有效记录与存储，此方法同时将现有仪器“显示屏”实体部分转移到手机，大大减小了仪器的体积。配合APP内GPS定位功能，可实现测量裂缝位置定位标记功能，在各类混凝土工程检修工程中都能得到实际应用，极大提高工作效率，前景广阔。

参考文献

［1］李春亮，施同飞，房丽云，等.超声波检测技术的现状［J］.中国建材科技，2016，25（5）：133+135.

［2］卜德双.铁路桥梁混凝土超声波检测技术在桩基检测中应用探析［J］.工程机械与维修，2022（3）：79-81.

［3］高顺喜，王喜超.新型裂缝宽度检测方法与一体式无线裂缝检测仪［J］.建筑科技，2019，3（6）：96-98.

［4］方志，彭海涛.基于图像分析技术的混凝土桥梁结构表面裂缝宽度检测［J］.湖南大学学报（自然科学版），2012，39（1）：7-12.

［5］崔磊．基于图像处理技术的建筑物表面裂缝测量方法的应用研究［D］.北京：北京工业大学，2013.

［6］李嘉欣.基于WiFi环境下的实时数据传输系统研究［D］.沈阳：沈阳工业大学，2020.

［7］刘明阳.一种GPS定位解算算法的研究［J］.现代导航，2022，13（2）：114-117.

［作者简介］刘佳璇（2003—），女，在读本科，研究方向为工程造价；王睿（1988—），女，博士，工程师，研究方向为地下工程及隧道病害自动检测系统；刘煜捷（2002—），女，在读本科，研究方向为工程造价；马安泉（2002—），女，在读本科，研究方向为工程造价；刘懿涵（2002—），女，在读本科，研究方向为工程造价。