水中结构物表面缺陷摄像检测与识别技术
时间：2020-04-10 08:03:25 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘 要：文章介绍了水中机器视觉检测常用方法，分析比较了表面缺陷摄像检测中双目视方法的特点及不足，提出了单目视辅以定位射线的检测方法方法，结合工程实际，对现有的双目视方法的检测装置进行了改进，提高了其工作稳定性和工作效果。
关键词：双目视觉 水下检测 摄像检测
1.引言
水中结构物表面缺陷的几何特征识别，关系到水中结构物的状态评估、维修加固设计等方面。我国东南沿海省份有多条高速公路处于江河入海口附近流域。受常年较大潮差水流的影响，桥梁水中结构物部分可能存在病害，为及时掌握桥梁水中结构物的状况，亟需采取有效方法对水中结构物进行快速、有效检测。
2.水中桥梁桩基病害类型
我国现有桥梁水中结构物多数为混凝土结构。水中结构物病害调查结果表明，桥梁水中混凝土材质基础的主要病害形式为混凝土开裂、剥落、表面缺损（蜂窝麻面等）、冲蚀等表观病害，以及钢筋锈胀等材料性质变化引起的病害。根据调查资料，水中桥梁桩基病害类型主要有以下几种：
（1）施工质量缺陷。主要有混凝土表观质量差等。施工质量缺陷易导致混凝土质量差而形成冲蚀和钢筋的锈蚀等病害。
（2）钢筋锈蚀。主要表现为锈斑、锈胀。位于冲刷区域的桩身段，钢筋锈蚀后由于水流作用混凝土迅速脱落，形成钢筋外露。
（3）混凝土冲蚀。长期受水流、漂浮物等的冲刷磨损，混凝土逐渐被消磨，造成混凝护层变薄。
水中结构物位于水下，发生病害后不易观测。因此需要针对不同病害类型，采用适宜的检测方法，以保证及时有效地对水中结构物进行检测。目前，水中结构物表面缺陷的几何特征的获取还是以目视或摄像的方式为主，主要包括潜水员摸测和目测、静水摄像、遥控电视和动态摄像等。
3.双目视觉检测概述
计算机视觉的研究目标是使计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力。立体视觉（Stereo Vision）是计算机被动测距方法中最重要的距离感知技术，而在实际应用中，双目视觉是应用较多的检测方式，现有的基于机器视觉的水下结构物检测技术研究均采用双目视觉法。双目立体视觉系统主要是基于三角法原理进行测量的，即两个摄像机的图像平面和被测物体之间构成一个三角形。已知两摄像机之间的位置关系，便可测量两摄像机公共视场内物体的三维尺寸及空间物体特征点的三维坐标。
4.双目视觉检测原理
典型的双目传感器基于立体视差原理进行测量，如图1所示为简单的平视双目成像原理图。
具体方法如下：
交叉摆放两个摄像机，从不同角度观测同一被测物体，只要能从不同位置或角度获取同一特征点的图像坐标，都可以由双目立体视觉测量的原理求取三维空间坐标。
首先要确定单个摄像机的视角，然后针对工程应用的实际情况，设计两个摄像机之间的基线距离与夹角，以获取最佳的公共视场。为获得实际检测中CCD相机的视角，使CCD相机与一平面垂直。根据实际的摄像机能抵近结构物表面的距离，设置CCD相机与平面的距离，并且让CCD相机的光轴指向平面上的十字中心，根据图像中的所能拍摄到的标尺的距离，则可计算出CCD相机在水平方向和竖直方向上的视角。
由三角关系可以计算出CCD摄像机的水平视角和竖直视角。根据两个摄像机的基线距离、摄像机与基线的夹角和摄像机的视角，则可以计算出双目立体视觉传感器的公共视场。但在实际应用中，双目视觉法需要采用多台或多组摄像机进行拍摄，存在需要设备较多、应用不便的问题。为此，也可考虑采用单目视觉法辅以定位射线的方法进行检测。
5.单目视觉检测辅以定位射线的检测方法
在实际工作中，如果需要将两个摄像机同时置入水中进行检测，将增加潜水员或水下机器人的负载，不便于操作。而传统的仅采用单一摄像头的方式，又存在不便于识别几何特征的缺点。为此，可采用以下方法进行解决：
在单摄像头外径两端各安装一个激光发射装置，其发射的射线均与摄像机的视觉轴线平行。检测时，将激光发射装置开启，在被检物表面形成靶点，且靶点均在摄像机的视场范围内，将靶点与周边物体一起摄录。
分析时，可在计算机屏幕上读取两靶点的像素数量，记为A，根据两激光发射装置的间距B，可得到比例系数C=B/A。在读取表观病害，如裂缝，确定其两端点之间的像素数量D，再乘以C，即可得裂缝两端点的距离。
对于剥落等缺陷，则可先确定其分布区域的端点，在根据上述方法确定两两端点之间的间距，进而可算得剥落等面积。
从上述分析可见，采用单摄像头法时，可测得表观缺陷的二维几何特征。而现有的双目视法研究成果表明，双目视法不仅可测得表观缺陷的二维几何特征，还可测得其三维几何特征（如裂缝深度，缺陷深度等）。
因此，在实际工作中，应根据检测需求和工作条件，合理采用视觉检测方法。
6.双目视觉检测装置的改进
在现有的研究中，虽然研发了双目视觉的检测装置，但仍存在以下问题：图像获取的清晰度不高；工作稳定性不佳。
造成这种现象的原因如下：
（1）图像获取的清晰度不高的成因。经分析，原有研究中的水下摄像装置采用封闭式框架，摄像机直接浸没于原状水体中。由于摄像机距被检物表面存在一定距离，当原状水体较为浑浊时，摄像机即被浑浊水体阻隔而无法摄录。
（2）工作稳定性不佳的成因。经分析，原有研究中的水下摄像装置采用无动力的框架，仅在框架上端设置扶手。当框架置于水中时，框架受水流冲击，导致扶手变形，从而引起框架摆动等，导致框架不稳定，影响摄录。
为解决这些问题，对原有框架进行了改进，具体如下：
（1）图像获取的清晰度的改进。为使摄像头获取清晰度高的照片，将框架改进为封闭式框架。框架内部事先注满清水。框架同时加装辅助推进装置，使框架外壁能紧贴被检物表面。这样使摄像机可在较为透明的环境中工作，从而可以获取清晰度高的图像。
（2）工作稳定性不佳的改进。在原装置的基础上，在装置侧壁安装有多个推进装置。形成带推进装置的新型封闭框架。由水下摄像机装载框架、框架扶杆等构成。框架扶杆为空心杆件，水下摄像机的电源线等通过扶杆内的空腔延展到操作平台。
使用时，将待检测的水中结构物表面分成若干竖向检测条带。条带宽度稍小于摄像机的摄像视场宽度。沿检测条带中心线位置下方框架。
作业时，操作人员手握扶杆，根据扶杆受水流冲击的变形，调节不同推进装置的推进方向和功率，使扶杆基本保持竖直状态。在这种状态下，徐徐下方扶杆，即可带动框架下沉，并进行检测条带内的摄录。
图2为该装置在赣江南昌段水中结构物检测的图像。可见，采用上述装置拍摄的照片清晰，水中结构物表观情况层次分明，说明该装置在水中稳定性较好。赣江是我国内陆较大的河流，其水流流速等在我國内陆河流具有一定代表性，因此该装置可在我国多数河流中使用。
7.结束语
综上所述，文章结合桥梁水中结构物的特点，介绍了可用的摄像检测方法并进行了适宜性分析，结合工程现状，改进了现有检测装置，提高其工作性能，可为工程实际应用提供参考。
参考文献：
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