CN101706259A - 基于波前编码技术的混凝土裂缝宽度检测方法和手持式检测仪 - Google Patents

Abstract

基于波前编码技术的混凝土裂缝宽度检测方法和手持式检测仪。先将被检测裂缝表面通过光学***编码成像在图像传感器上，再采用相应的恢复算法解码出清晰图像，以传感器像素为标尺测得裂缝像宽度后，根据***定标所得放大率，求出裂缝的实际宽度。检测仪包括光学编码成像、图像采集与处理和结果显示与交互三个部分。光学编码成像部分能对测量面提供均匀照明并实现编码成像；图像采集与处理部分能完成图像缓存、解码恢复、裂缝宽度计算、存储结果或图像等功能；处理结果由LCD直接显示，恢复图像或数据可存储并通过USB口输出，设置按键作为人机交互接口，接受操作指令。本发明使混凝土裂缝宽度测量过程简便、客观，且对各种混凝土表面具有较好的适用性。

Description

基于波前编码技术的混凝土裂缝宽度检测方法和手持式检测仪

【技术领域】：本发明涉及建筑混凝土结构质量的检测技术领域，特别是对混凝土裂缝宽度的测量。

【背景技术】：由于混凝土的组成材料、结构体系、受力状态和外界环境等诸多因素的影响，致使混凝土结构裂缝产生的原因十分复杂。归结起来可分为荷载造成的裂缝、结构变形造成的裂缝、施工不当或使用不当造成的裂缝等几类。

目前建筑设计、施工和监理部门所使用的裂缝宽度测量方法还比较落后，主要有目测法、检验规比对法和读数放大镜法。测量时，靠人工读取数据并手工描绘记录裂缝形态和走向，因此测量结果人为影响因素较大，缺乏客观性和权威性，而且效率低、劳动强度大。

本申请人曾与天津市建筑科学研究院联合立项开展裂缝宽度测量***研究，设计了基于传统光学成像方法的手持式检测***样机，基本实现了混凝土结构裂缝宽度的自动测量。但该***样机存在焦深小，准确调焦困难，且在对应小景深内由于存在像差和混凝土表面凹凸过大致使视场内图像无法完全清晰等缺陷。在此研究基础上设计开发的基于波前编码技术的混凝土裂缝宽度检测***能有效扩展检测***的焦深，从而克服了原检测***样机焦深小而导致的缺陷，提高了***的实用性。

【发明内容】：本发明目的是克服基于传统光学成像设计的检测***焦深小准确调焦困难，且在对应小景深内由于存在像差和混凝土表面凹凸过大致使视场内图像无法完全清晰等缺陷，提高***的实用性和适应性，提供一种基于波前编码技术的混凝土裂缝宽度检测方法和手持式检测仪。

本发明提出一种采用波前编码图像来提高***对检测焦深要求的方法，并研制出实现该方法的嵌入式检测仪。

该方法采用环形LED分布且亮度可调式照明，既保证了照明的均匀性要求，又能够适应不同检测表面反射性质的要求，扩展了检测仪器的适用范围；采用波前编码成像技术有效扩展了***的景深，大大降低了对成像在像差方面的要求和***调整的复杂性；采用以灰度梯度向量模方和为判据的等增量旋转调整方法确定***点扩散函数方位，并用于维纳滤波进行中间像解码，大大提高了编码图像的恢复质量；数据的采集和处理均由嵌入式***来完成，并直接由LCD显示结果，同时可以实现数据的USB口存取，使得测量过程简便、快捷、可操作性强，降低了对检测人员的技能要求，更有利于产品及技术的推广。

本发明测量的基本原理是波前编码成像测量方法，先将被检测的裂缝表面通过光学编码成像***编码成像在图像传感器像面上，采用相应的图像恢复算法恢复出清晰图像，以图像传感器像素大小为标尺可测得裂缝像的宽度，再根据***定标后得到的***垂轴放大率，可求得裂缝的实际宽度。其中波前编码技术的采用有效地扩展了检测***的焦深，从而克服了基于传统光学成像方法设计的检测***焦深小准确调焦困难，且在对应小景深内由于存在像差和混凝土表面凹凸过大致使视场内图像无法完全清晰等缺陷。

本发明提供的基于波前编码技术的混凝土裂缝宽度检测方法依次包括：

第一、采用白光LED环形分布照明方式实现被检测面的照明，该环形分布光源安装在成像物镜之前，通过电路设计分级调控LED的亮度，保证测量***适合的照明亮度及均匀性；

第二、被检混凝土表面通过光学编码成像***成像：光学编码成像***由传统光学成像***和相位板组成，相位板置于传统光学成像***的孔径光阑处以实现对物光波前的相位进行调制编码，获得编码图像；光学编码成像***结构如附图2所示。

其中所述的光学编码成像***中的光学成像元件为单透镜或双胶合透镜，焦距f′＝15mm，无特别像差校正要求；相位板为立方型式，即：一面为平面，另一面为立方形式，经过CODE V软件优化设计获得参数，其立方面形归一化参数可表示为：z＝α(x³+y³)，式中x²+y²≤1，α为归一化系数，α＝4.7μm。相位板外形轮廓示意如附图3所示。

第三、第二步得到的编码图像由CMOS图像传感器单元接收，在嵌入式处理单元(DSP)的控制下完成图像的缓存、解码恢复、存储裂缝宽度计算结果或按要求存储需要的裂缝恢复图像；

第四、设置人机交互界面，接收现场操作指令；

第五、基于相位板的编码非对称旋转性质，采用以灰度梯度向量模方和为判据的等增量旋转调整方法确定***点扩散函数(PSF)方位，并用于维纳滤波进行中间像解码，以获得清晰的检测图像；对清晰图像进行边缘提取、最大联通域计算等处理，获得以传感器像素大小为标尺度量的裂缝像宽度y′；

第六、通过标准检验规编码恢复图像定标得到检测***的实际垂轴放大率β，根据公式

β＝y′/y                            (1)

即可求出裂缝的实际宽度y。

第七、输出检测结果：可以采用LCD现场显示和USB传输两种方式输出检测结果。

一种实现以上所述检测方法的手持式检测仪，该检测仪包括：

(1)照明光源：使用白光LED环形分布光源，安装在光学编码成像***的成像物镜之前，用于产生被检测面上的均匀照明光；并通过软件控制实现4级亮度调控；

(2)光学编码成像部分：由单透镜或双胶合透镜以及用于波前编码的相位板共同组成，用于被检测面的编码成像；

(3)CMOS图像传感器：用于实时获取由光学编码成像***传来的被检测表面波前编码中间图像。其连接图如附图4所示，CMOS图像传感器的工作时序由CPLD提供：包括帧同步，行同步及时钟同步信号；输出数字图像信号经CPLD设置的通道，由DSP控制存入SDRAM。

(4)复杂可编程逻辑阵列CPLD：用于产生CMOS工作时序、各种分频或延时信号、存储器地址选通信号、提供***数据流切换通道和实现数据组合。通过软件设计CPLD内部逻辑将主时钟分频、延时、组合，产生CMOS工作时序及SDRAM存储时序，并由DSP提供启动信号，连接方式如附图4所示；

(5)存储器模块：包括SDRAM和FLASH，分别用于实时缓存波前编码中间图像、各种中间处理结果，和按指令存储恢复图像及裂缝宽度处理最终结果。SDRAM和FLASH的控制、地址和数据信号均来自DSP，连接方式如附图4所示；

(6)数字信号处理器DSP：用于接收人机界面指令，控制CMOS的工作方式和工作状态，接收CMOS图像数据，采用维纳滤波方法进行中间图像恢复并根据定标后的β值和公式β＝y′/y计算裂缝宽度，按要求存储恢复图像和计算结果，控制LCD液晶显示并支持USB接口工作.数字信号处理器是图像采集与处理部分和显示与交互部分的核心，可实现CMOS和CPLD启动、数据缓存、处理、显示、用户键入数据处理等功能，具体连接方式如附图4所示；

(7)显示模块LCD：与数字信号处理器连接，对检测状态和结果进行实时显示；

(8)USB接口模块：与数字信号处理器连接，将检测结果直接存储到U盘或以USB方式传输。

由于嵌入式***具有内核小，专用性强，***精简，数据处理能力强，功耗低等优点，越来越受到人们的关注。本发明便是基于嵌入式***来实现检测数据的获取、分析和处理的。将编码图像采集、图像缓存、图像恢复、裂缝宽度计算、中央控制模块，显示模块，USB通信接口等集成在一套嵌入式***中，使整个***体积小，重量轻，同时使测量过程简便、快捷。

本发明的优点和积极效果：

本发明提出了一种基于波前编码技术的混凝土裂缝宽度检测方法，并研制出实现该方法的嵌入式检测仪器。该方法由于运用了波前编码技术，从而使基于传统光学成像设计的检测***有效地克服了焦深小准确调焦困难，且在对应小景深内由于存在像差和混凝土表面凹凸过大致使视场内图像无法完全清晰等缺陷，大大提高了此类仪器的实用性和适用性。由于采用LED环形分布照明和亮度分级控制的方法，可有效地满足***照明亮度的要求，很好地适应了图像传感器的动态响应范围，提高了***对检测对象种类的适应性。将编码图像采集、图像缓存、图像恢复、裂缝宽度计算、中央控制模块，显示模块，USB通信接口等集成到一套嵌入式***中，将整套仪器小型化、简便化，增强了仪器的可操作性，更便于推广使用。

【附图说明】：

图1是***整体框图；

图2是光学编码成像***结构图；图中1是立方型相位板、2是孔径光阑、3是双凸透镜、4是编码图像面；

图3是相位板外形轮廓图：其中上表面为立方形面型示意；

图4是***电路连接框图：其中包括数字信号处理器DSP、图像传感器CMOS、复杂可编程逻辑阵列CPLD及存储器模块(SDRAM和FLASH)的电路连接；

图5是***点扩散函数调整流程图；

图6是被检测混凝土裂缝图像：其中(A)是传统光学***获得的图像、(B)是光学编码成像***获得的编码图像、(C)是解码后的恢复图像；

图7是裂缝宽度图像预处理过程：其中(A)是中值滤波后图像、(B)是二值化后图像、(C)是边缘提取后图像、(D)是最大联通域计算结果；

图8是裂缝图像局部放大后宽度搜索计算过程；

图9是裂缝宽度图像定标过程：其中(A)是***定标所用检验规编码图像、(B)是检验规解码恢复图像、图(C)是宽度提取拟合曲线；

图10是***主程序框图；

图11是波前编码混凝土裂缝宽度手持式检测仪整体结构示意图，对应附图1中各个部分：5是图像传感器、6是电池供电部分、7是LCD显示、8是小键盘、9是USB接口、10是图像采集与处理部分、11是光学编码成像部分、12是LED照明部分。

【具体实施方式】：

一、裂缝仪的具体实施方式

如附图1所示的裂缝仪***框图中，采用三部分实施(1)裂缝仪照明部分；(2)光学编码成像部分：包括了图2所示的1立方型相位板、2孔径光阑、3双凸透镜、4编码图像面四个部分；(3)裂缝仪电路部分：包括了图1中所示的图像采集与处理和结果显示与交互两部分。

(1)裂缝仪照明部分

使用白光LED环形分布光源，6个白光毛面LED均匀分布在镜筒内壁并安装在光学编码成像***的成像物镜之前，其供电受DSP控制实现4级调整，并将亮度级别显示于LCD屏幕供用户更改操作。白光LED环形分布光源的结构分布如附图11所示。

(2)裂缝仪光学编码成像部分

***的光学编码成像部分括：镜筒，连接器，座板、镜头以及相位板。镜筒用于保证***的物距，从而确定***的放大率。座板主要用来安装镜头和相位板。相位板实现裂缝图像编码，其面型如附图3所示。裂缝仪光学编码成像部分结构位置如附图11所示。

(3)裂缝仪电路部分

采用DSP作为电路核心控制器，DSP可按照按键输入指令分别执行图像采集和恢复、图像处理(计算和结果显示)、图像存储和查看FLASH空间四种操作。其主程序框图如附图10所示。

***上电后，DSP进行初始化操作，通过SCCB总线设置CMOS工作参数，在液晶屏上显示操作菜单，并等待按键指示。

接到图像采集指令后，DSP启动CMOS芯片，开启SDRAM通道，CPLD通过组合CMOS的同步信号，将图像的8位数据组合成16位数据，顺序写入SDRAM中缓存，一帧图像采集完成后，停止CMOS，执行图像恢复子程序，完成后缓存于指定存储空间，显示后续操作指令提示，并按指令转入不同程序。

接到图像处理或图像存储指令后，DSP首先查询SDRAM数据区是否为空，若为空则显示操作错误提示后，重新等待有效操作指令；若不空，则进行相应处理。图像处理时，由于DSP内存有限，只能将SDRAM中的数据分块读入，处理后再放入SDRAM的另外区域中，直到整个图像处理完毕，显示、存储裂缝宽度计算结果并询问是否存储恢复图像，进入相应处理程序；图像存储时，DSP控制将SDRAM中的16位数据按高8位和低8位数据形式对应写入2片FLASH中，操作完成后，将图像存储序数加1，显示处理完成，返回主操作菜单。

接到FLASH查询命令，DSP即读取FLASH中指定单元内的图像存储序数，显示在液晶屏上。FLASH中的存储数据都可以通过USB接口输出。LCD显示与USB接口的结构位置如附图11所示。

二、裂缝仪的定标方法

测量仪器在使用前必须进行定标。定标采用标准方格模板或混凝土裂缝检测标准检验规进行。定标过程包括编码图像的恢复、图像预处理、裂缝宽度计算和获得***β值几个主要步骤。

(1)编码图像的恢复

波前编码***中由于相位板的调制作用，使得***的点扩散函数对离焦不再敏感，因此可以在很大的焦深范围内用一个相同的点扩散函数进行图像恢复。针对立方相位板对光瞳调制具有非旋转对称性，而相位板方位测试困难导致实际波前编码***后续图像不能准确恢复的问题，采用以灰度梯度向量模方和为判据的等增量旋转调整***PSF的维纳滤波方法进行图像恢复。对于基于波前编码技术的手持式裂缝检测***，以ZEMAX软件设计得到的点扩散函数为基础，等增量旋转其角度，进行维纳滤波图像恢复，并计算比较不同对应角度下恢复图像的灰度梯度向量模方和，寻找出最大的恢复梯度模方和所对应的点扩散函数方位，即为该实际***的点扩散函数，用于后续图像恢复，调整过程如附图5所示。同时使用循环边界的方法消除截断振铃效应，从而得到满足使用要求的恢复图像。被检混凝土裂缝编码图像和恢复图像分别如附图6(B)和附图6(C)所示。

(2)图像预处理和裂缝像宽度计算

恢复后的图像需经过图像预处理(包括中值滤波、二值化、边缘提取、最大联通域判断与提取)和裂缝宽度搜索与计算等过程得到裂缝像宽度y′。预处理中的中值滤波可有效消除恢复图像中的高频噪声，中值滤波后的图像如附图7(A)所示，再进行二值化处理，得到二值化裂缝图像如附图7(B)所示。然后针对二值化图像进行边缘提取运算，结果如附图7(C)所示。为消除边缘提取图像中的‘孤岛’边缘，采用最大联通域处理计算出裂缝宽度边缘连续曲线，如附图7(D)所示。

裂缝像宽度计算可分为裂缝像平均宽度计算和裂缝像上指定位置处宽度计算两种。若计算平均宽度，可在两条连续边界图中，选定其中一条为基准边界，在该边界上等间隔取n个点Ai(i＝1，2...n)，其中n可通过键盘输入确定或根据裂缝总长等比例缺省设置。分别求出Ai到对面边界的最短距离后取平均值即为所求裂缝像平均像素宽度y′。在求Ai(i＝1，2...n)点到对面边界的最短离时，与最大联通域计算得到的裂缝像素号对应，按照裂缝的大致走向，利用Ai点的斜率进行搜索，求出基准边界上Ai点分别与其前向和后向的第j个边界点的斜率(j的值由***规定或者用户输入更改)，利用计算得到的平均斜率和Ai点作直线。然后过Ai点作此直线的垂线，交对面边界为Bi0，在该点前后以等像素间距取5个点。分别求Ai与这些点的距离，在附图8中Ai与Bi0，Bi1的距离最短，所以再次搜索时，只比较Bi0，Bi1之间的点与Ai距离即可确定Ai处的裂缝宽度。若计算指定位置处宽度只需按要求在两条连续边界图中，计算基准边界上确定Ai点到对面边界的最短距离即可。

(3)***β值的获得

采用混凝土裂缝标准检验规进行***的定标，混凝土裂缝标准检验规编码图像和根据本节(1)所述图像恢复方法处理后的恢复图像分别如附图9(A)、9(B)所示.可采用本节(2)中裂缝像宽度计算方法，也可由检验规宽度分布一致性在恢复图像预处理的基础上截取一维信号，得到附图9(C)所示的宽度曲线，由多峰拟合所得的线宽测量出实际检验规已知各线条宽度y所对应的像素宽度y′，根据公式(1)即可得到***垂轴放大率β.由表1的定标数据可以计算出***的β平均值为0.130，平均方差为0.003.

表1定标测量结果

三、裂缝仪测量结果

实际测量时先将裂缝编码图像依照定标(1)所述图像恢复算法得到解码后裂缝图像，再根据定标(2)所述方法求得指定位置裂缝宽度，将部分测量结果与使用“混凝土裂缝宽度检验规”得到的对比结果列于表2中，可以看出：***的测试结果与混凝土裂缝宽度检验规的测量结果基本一致，测量最大偏差为0.055mm，平均偏差为0.035，平均运算速度为2.6s。大量实验测量满足检验偏差0.050mm以内的要求。

表2宽度检测结果(单位mm)

Claims (7)

1.一种基于波前编码技术的混凝土裂缝宽度检测方法，其特征是该方法依次包括：

第一、采用白光LED环形分布光源实现被检测面的照明，该白光LED环形分布光源安装在成像物镜之前，通过电路设计分级调控LED的亮度，保证测量***适合的照明亮度及均匀性；

第二、被检混凝土表面通过光学编码成像***成像：光学编码成像***由传统光学成像***和相位板组成，相位板置于传统光学成像***的孔径光阑处以实现对物光波前的相位进行调制编码，获得编码图像；

第三、第二步得到的编码图像由CMOS图像传感器单元接收，在嵌入式处理单元的控制下完成图像的缓存、解码恢复、存储裂缝宽度计算结果或按要求存储需要的裂缝恢复图像；

第四、设置人机交互界面，接收现场操作指令；

第五、基于相位板的编码非对称旋转性质，采用以灰度梯度向量模方和为判据的等增量旋转调整方法确定***点扩散函数方位，并用于维纳滤波进行中间像解码，以获得清晰的检测图像；对清晰图像进行边缘提取、最大联通域计算处理，获得以传感器像素大小为标尺度量的裂缝像宽度y′；

第六、通过标准检验规编码恢复图像定标得到检测***的实际垂轴放大率β，根据公式

β＝y′/y                    (1)

即可求出裂缝的实际宽度y；

第七、输出检测结果：可以采用LCD现场显示和USB传输两种方式输出检测结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第一步中所述的白光LED环形分布光源由4-6个毛面LED均布构成，通过电路设计和软件调节实现4级亮度变换，以适应被检面反射率不同的要求。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第二步中所述的光学编码成像***中的光学成像元件为单透镜或双胶合透镜，焦距f′＝15mm，无特别像差校正要求；相位板为立方型式，即：一面为平面，另一面为立方形式，经过CODE V软件优化设计获得参数，其立方面形归一化参数可表示为：z＝α(x³+y³)，其中x²+y²≤1，α为归一化系数，α＝4.7μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第三步中所述的嵌入式处理单元为DSP。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第五步中明确提出将立方相位板的编码非对称旋转性质应用于***PSF的修正，并采用灰度梯度向量模方和为判据的等增量旋转调整方法确定实际检测***的PSF方位。

6.一种实现权利要求1所述检测方法的手持式检测仪，其特征是该检测仪包括：

(1)照明光源：安装在光学编码成像***的成像物镜之前，用于产生被检测面上的均匀照明光；并通过软件控制实现4级亮度调控；

(2)光学编码成像***：由单透镜或双胶合透镜以及用于波前编码的相位板共同组成，用于被检测面的编码成像；

(3)CMOS图像传感器：用于实时获取由光学编码成像***所得到的被检测表面波前编码中间图像；CMOS图像传感器的工作时序由CPLD提供：包括帧同步，行同步及时钟同步信号；输出数字图像信号经CPLD设置的通道，由DSP控制存入SDRAM；

(4)复杂可编程逻辑阵列CPLD：用于产生CMOS工作时序、各种分频或延时信号、存储器地址选通信号、提供***数据流切换通道和实现数据组合；并由数字信号处理器DSP提供启动信号；

(5)存储器模块：包括SDRAM和FLASH，用于实时缓存波前编码中间图像、各种中间处理结果，并按指令存储恢复图像和裂缝宽度处理结果；SDRAM和FLASH的控制、地址和数据信号均来自DSP；

(6)数字信号处理器DSP：用于接收人机界面指令，控制CMOS的工作方式和工作状态，接收CMOS图像数据，采用维纳滤波方法进行中间图像恢复并根据定标后的β值和公式β＝y′/y计算裂缝宽度，按要求存储恢复图像和计算结果，控制LCD液晶显示并支持USB接口工作；

(7)显示模块：与数字信号处理器连接，对检测状态和结果进行实时显示；

(8)USB接口模块：与数字信号处理器连接，将检测结果直接存储到U盘或以USB方式传输。

7.根据权利要求6所述的检测仪，其具体组成部分主要是包括：图像传感器为分辨率一百万像素CMOS传感器、电池供电采用5V供电、显示模块为LCD显示屏幕、小键盘由四按键组成、USB接口采用USB 2.0mini型接口、图像采集与处理部分核心控制器为DSP5509、光学编码成像部分由单透镜与相位板实现裂缝图像编码、LED照明光源采用环形照明。

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