CN110057290B - 混凝土试块特定显色区域几何参数的图像获取装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

混凝土试块特定显色区域几何参数的图像获取装置及其测量方法，该图像获取装置的数码相机安装在相机支架上，相机支架安装有丝杠轴承，丝杠轴承通过第一联轴器与第一步进电机相连，相机支架安装在丝杠滑轨上，丝杠滑轨通过第二联轴器与第二步进电机相连，丝杠滑轨与第一步进电机和第二步进电机安装在L型底座后端平台上，水平仪和控制器分别安装在L型底座后端平台的两侧，基准玻璃板安装在L型底座前端凸起平台上。采用本发明能够快速清晰拍摄长方体和圆柱体混凝土试块断面的图像，准确测量试块断面上特定显色区域的几何参数。

Description

混凝土试块特定显色区域几何参数的图像获取装置及其测量 方法
技术领域
本发明涉及混凝土研究领域，具体为一种混凝土试块特定显色区域几何参数的图像获取装置及其测量方法。
背景技术
混凝土RCM试验需要测量半圆柱体混凝土试块断面上显示为白色的特定区域的深度，而混凝土碳化试验需要测量正方体或长方体混凝土试块横截面上没有显示为红色的特定区域的深度。传统做法是沿混凝土试块断面底边均匀布置多个测点，并用卡尺人工测量各测点上特定显色区域的深度，取其平均值作为该特定显色区域的深度。但是该方法的测量结果与测点分布的稀疏程度有关，且人工量取各测点的深度容易受测量者个体主观行为的影响，因而造成结果存在一定误差，影响测量精度。随着计算机科学和技术的发展，利用计算机软件和图像处理技术可以更好地测量混凝土试块中特定区域的几何参数，克服传统人工测量方法带来的缺陷。陈正等发表了“混凝土断面浆体和骨料面积的图像分析方法研究”(《混凝土》2012年，第269卷第3期，25-27页)，利用图像处理技术分析混凝土断面的骨料和水泥浆体分布情况。中国专利号201410202959.3公开了一种综合评定混凝土碳化速率系数的图像分析方法，该方法通过调整色阶获取显色图像计算混凝土试块碳化深度。以上两种方法都存在以下缺陷：1)利用混凝土试块的预定尺寸(150mm×150mm×150mm)作为参照物，根据图像像素值与参照物几何参数的比例关系计算混凝土试块上特定显色区域的几何参数，但未提供用于比例换算、且独立于试块的参照物，由于参照物的实际尺寸与预定尺寸之间存在误差，从而导致该方法计算结果精度受损；2)上述方法均未提供图像获取装置，而通过手持数码相机拍摄混凝土断面，难以保持相机位置稳定，无法保证相机镜头轴线与试块断面相垂直，镜头与试块断面之间也难以始终保持最佳拍摄距离，导致所获取图像的像素值不足，影响图像处理结果的精度。
徐港等发表了“基于图像处理技术的混凝土碳化深度测量”(《水利水运工程学报》，2013卷第3期，21-24页)，利用扫描仪扫描设备箱内混凝土试块获取碳化断面图像，适用于获取颜色差异较大的图像区域，该发明要求混凝土试件底面平整，且未提供获取碳化区域几何参数的方法。中国专利201820471379.8公布了一种图像获取装置，通过将目标物平稳放置于水平台面上，并拍摄目标物的上平面得到需要的图像。但上述两种装置都不适应拍摄于半圆柱体试块的轴向截面，因为装置没有提供适用于平稳放置圆弧型柱面的设施。同时以上这两种装置也没有提供量测试块上特定显色区域几何尺寸的方法。
在利用图像处理技术处理混凝土试块断面图像的过程中，图像成像装置感测到的图像质量直接影响着处理结果的准确性，图像处理方法也影响着图像处理的效率和精度。鉴于此，有必要提供一种感测精度较高的混凝土试块特定显色区域的成像装置以及图像获取方法，并便于准确测量试块特定显色区域的几何参数。
发明内容
本发明提供了一种混凝土试块特定显色区域几何参数的图像获取装置及其测量方法，它通过电动操作平台获取数码图像，适用于正方体、长方体和半圆柱体等混凝土试块断面的拍摄成像，然后利用图像处理技术精确测量并计算得到混凝土试块特定显色区域的几何参数。
本发明的技术方案如下：一种混凝土试块特定显色区域几何参数的图像获取装置，该图像获取装置的数码相机安装在相机支架上，相机支架安装有丝杠轴承，丝杠轴承通过第一联轴器与第一步进电机相连，相机支架安装在丝杠滑轨上，丝杠滑轨通过第二联轴器与第二步进电机相连，丝杠滑轨与第一步进电机和第二步进电机安装在L型底座后端平台上，水平仪和控制器分别安装在L型底座后端平台的两侧，基准玻璃板安装在L型底座前端凸起平台上，
所述控制器上有“上”、“下”、“前”、“后”四个按钮，其中“上”、“下”按钮通过电缆与第一步进电机相连，且能够分别驱动相机支架向上或向下移动；“前”、“后”按钮通过电缆与第二步进电机相连，且能够分别驱动相机支架向前或向后移动。
所述基准玻璃板为矩形透明玻璃板且带有标志物。
所述的标志物为牢固着色于玻璃板上的边长为L0＝10mm、面积S0＝100mm2的半透明黄色正方形，紧邻该正方形的左边为一个竖向标尺。
所述的L型底座的前面部分为凸起的平台，带有可安装基准玻璃板的条状槽，后面部分平台在丝杠滑轨旁边带有水平刻度，平台前后两部分的平面相平行，底座下面安装有可调节高度的四个支座。
所述相机支架的台面与L型底座平台的台面相平行，且可以通过“上”“下”控制按钮调节其高度，相机支架平台侧面安装有激光指示器，能够根据激光指示器判断数码相机镜头是否与试块断面处于同一水平面上。
一种适用于所述的混凝土试块特定显色区域几何参数的图像获取装置的测量方法，包括以下步骤：
(1)调节L型底座的台面至水平：根据水平仪调节L型底座下面四个支座的高度，使L型底座的台面保持水平；
(2)放置混凝土试块：将试块的底面放置在基准玻璃板前端，并使试块轴向断面与基准玻璃板平面相平行，试块轴向断面紧靠在基准玻璃板平面上；
(3)调整相机位置：将数码相机水平安装在相机支架上，按下控制器上的“上”或“下”按钮，根据激光指示器驱动相机支架上下移动，使数码相机镜头与试块断面保持在同一水平线上，参照丝杠滑轨旁的水平刻度，按下控制器上的“前”、“后”按钮，驱动相机支架前后移动，使数码相机与试块断面之间的距离位于50倍与150倍的镜头焦距之间，使得相机能够获取清晰的混凝土试块断面图像；
(4)获取试块断面及标志物图像：使用数码相机拍摄试块断面及基准玻璃板上标志物的图像；
(5)获取试块特定显色区域和标志物区域的像素值：使用图像处理软件打开数码相机拍摄的数码图像，分别选取数码图像中特定显色区域和标志物区域，并读取这两个区域的几何参数像素值；
(6)计算试块特定显色区域几何参数：根据数码图像中特定显色区域和标志物区域的几何参数像素值、标志物的实际几何参数，利用像素值与几何参数的比例关系计算混凝土试块特定显色区域的几何参数，
计算试块断面上特定显色区域的宽度R：根据数码图像中标志物边长的图像像素值P1和特定显色区域宽度的图像像素值P2、以及标志物实际边长L0，可利用像素值与几何参数的比例关系计算特定显色区域的宽度R(单位：mm)：
计算特定显色区域的面积S：根据数码图像中标志物面积的图像像素值P3和特定显色区域面积的图像像素值P4、以及标志物的实际面积S0，利用像素值与几何参数的比例计算关系计算混凝土试块上特定显色区域的面积S(单位：mm2)：
本发明的有益效果是：
(1)该装置可由控制相机支架的高度和前后位置，使数码相机镜头与试块断面处于同一水平高度上，且保证试块断面能够通过数码相机清晰成像。
(2)该方法可通过图像像素与几何参数的比例关系快速、准确计算混凝土试块特定显色区域的几何参数。
(3)该装置与方法适用于正方体、长方体和半圆柱体混凝土试块，且可以测量包括长度和面积在内的特定显色区域几何参数。
附图说明
图1和2是本发明所述的混凝土试块特定显色区域几何参数的图像获取装置的结构示意图。
图3是本发明所述的混凝土试块特定显色区域几何参数的图像获取装置的底面图。
图4是本发明所述的混凝土试块特定显色区域几何参数的图像获取装置的局部放大图。
图5是本发明所述的混凝土试块特定显色区域示意图。
图6为本发明所述方法处理前的混凝土试块断面及标志物的数码图。
图7为本发明所述方法处理后的混凝土试块断面及标志物的数码图。
图中标记为：水平仪1、数码相机2、相机支架3、丝杠滑轨4、丝杠轴承5、第一联轴器6.1、第二联轴器6.2、控制器7、第一步进电机8.1、第二步进电机8.2、基准玻璃板9、L型底座10、水平刻度11、混凝土12、标志物13、支座14、激光指示器15、竖向标尺16。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明所述的混凝土试块特定显色区域几何参数的图像获取装置，由水平仪1、数码相机2、相机支架3、丝杠滑轨4、丝杠轴承5、第一联轴器6.1、第二联轴器6.2、控制器7、第一步进电机8.1、第二步进电机8.2、基准玻璃板9以及L型底座10构成。具体结构和连接关系为：
所述数码相机2安装在相机支架3上，相机支架3安装有丝杠轴承5，丝杠轴承5通过第一联轴器6.1与第一步进电机8.1相连，相机支架3安装在丝杠滑轨4上，丝杠滑轨4通过第二联轴器6.2与第二步进电机8.2相连，丝杠滑轨4与第一步进电机8.1和第二步进电机8.2安装在L型底座10后端平台上，水平仪1和控制器7分别安装在L型底座10后端平台的两侧，基准玻璃板9安装在L型底座10前端凸起平台上。
所述控制器7上有“前”7.1、“后”7.2、“上”7.3、“下”7.4四个按钮，其中“上”7.3、“下”7.4按钮通过电缆与第一步进电机8.1相连，且能够分别驱动相机支架向上或向下移动；“前”7.1、“后”7.2按钮通过电缆与第二步进电机8.2相连，且能够分别驱动相机支架向左或向右移动。
其中，L型底座10上刻有水平刻度11，混凝土12放置在L型底座10前端凸起平台部分，标志物13放在基准玻璃板9上，竖向标尺16紧邻标志物13，四个可调节高度的支座14安装在L型底座10的底面，激光指示器15安装在相机支架3一侧。
适用于所述的混凝土试块特定显色区域几何参数的图像获取装置的测量方法，以测量RCM试验后的混凝土试块为例，测量混凝土试块的氯离子扩散深度，包括以下步骤：
(1)调节L型底座的台面至水平：根据水平仪调节L型底座下面的四个支座的高度，使L型底座的台面保持水平；
(2)放置混凝土试块：RCM试验后，将试块沿直径劈裂，并在断面上喷洒硝酸银溶液，15min后，将试块的底面放置在基准玻璃板前端，并使试块轴向断面与基准玻璃板平面相平行，试块轴向断面紧靠在基准玻璃板平面上；
(3)调整相机位置：将数码相机水平安装在相机支架上；本实施例所使用数码相机镜头焦距为6mm，参照丝杠滑轨旁的水平刻度，按下控制器上的“前”或“后”按钮，驱动相机支架前后移动，使数码相机与试块断面之间的距离为30cm即50倍镜头焦距；按下控制器上的“上”或“下”按钮，参照激光指示器投射在基准玻璃板上的高度，驱动相机支架上下移动，使数码相机镜头与试块断面保持在同一水平线上；
(4)获取试块断面及标志物图像：使用数码相机拍摄试块断面及基准玻璃板上的标志物的图像，并使用Adobe Photoshop CS6(简称PS软件)打开；
(5)获取试块断面氯离子扩散区域和标志物区域的像素值：使用PS软件的“快速选择工具”选取氯离子扩散区域，并使用快捷键“Ctrl+Shift+N”设置该区域为图层1，使用快捷键“Ctrl+Delete”将其填充为背景色红色，打开“直方图”窗口，设置“源”为“选中的图层”，读取其像素值P4为33677，使用“矩形选择工具”选择标志物图像并使用快捷键“Ctrl+Shift+N”设置该区域为图层2，使用快捷键“Ctrl+Delete”将其填充为红色，打开“直方图”窗口，设置“源”为“选中的图层”，读取其像素值P3为1722；
(6)计算试块特定显色区域的几何参数。
根据数码图像中特定显色区域和标志物区域的几何参数像素值、标志物的实际几何参数，利用像素值与几何参数的比例关系计算混凝土试块特定显色区域的几何参数。
计算试块直径R：使用PS软件的“标尺工具”读出数码图像中标志物边长的图像像素值P1为2.90，然后使用PS软件的“标尺工具”读出数码图像中试块直径的图像像素值P2为28.97，其中标志物边长L0为10，最后根据像素值与几何参数的比例关系计算试块直径R(单位：mm)：
计算氯离子扩散区域面积S：根据数码图像中试块断面的氯离子扩散区域图像的像素值P4、标志物面积的图像像素值P3和标志物的实际面积S0，代入下述公式计算氯离子扩散区域面积S(单位：mm2)：
计算氯离子扩散深度xd：根据数码图像中试块断面的氯离子扩散区域图像的像素值P4、标志物面积图像的像素值P3、标志物的面积S0和试块直径R，代入下述公式计算氯离子平均扩散深度xd(单位：mm)；

Claims (4)

1.一种混凝土试块特定显色区域几何参数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)调节L型底座的台面至水平：根据水平仪调节L型底座下面四个支座的高度，使L型底座的台面保持水平；
(2)放置混凝土试块：将试块的底面放置在基准玻璃板前端，并使试块轴向断面与基准玻璃板平面相平行，试块轴向断面紧靠在基准玻璃板平面上；
(3)调整相机位置：将数码相机水平安装在相机支架上，按下控制器上的“上”或“下”按钮，根据激光指示器驱动相机支架上下移动，使数码相机镜头与试块断面保持在同一水平线上，参照丝杠滑轨旁的水平刻度，按下控制器上的“前”、“后”按钮，驱动相机支架前后移动，使数码相机与试块断面之间的距离位于50倍与150倍的镜头焦距之间，使得相机能够获取清晰的混凝土试块断面图像；
(4)获取试块断面及标志物图像：使用数码相机拍摄试块断面及基准玻璃板上标志物的图像；
(5)获取试块特定显色区域和标志物区域的像素值：使用图像处理软件打开数码相机拍摄的数码图像，分别选取数码图像中特定显色区域和标志物区域，并读取这两个区域的几何参数像素值；
(6)计算试块特定显色区域几何参数：根据数码图像中特定显色区域和标志物区域的几何参数像素值、标志物的实际几何参数，利用像素值与几何参数的比例关系计算混凝土试块特定显色区域的几何参数，
计算试块断面上特定显色区域的宽度R：根据数码图像中标志物边长的图像像素值P1和特定显色区域宽度的图像像素值P2、以及标志物实际边长L0，可利用像素值与几何参数的比例关系计算特定显色区域的宽度R，单位：mm：
计算特定显色区域的面积S：根据数码图像中标志物面积的图像像素值P3和特定显色区域面积的图像像素值P4、以及标志物的实际面积S0，利用像素值与几何参数的比例计算关系计算混凝土试块上特定显色区域的面积S，单位：mm2：
所述混凝土试块特定显色区域几何参数的测量方法采用的图像获取装置，
该图像获取装置的数码相机安装在相机支架上，相机支架安装有丝杠轴承，丝杠轴承通过第一联轴器与第一步进电机相连，相机支架安装在丝杠滑轨上，丝杠滑轨通过第二联轴器与第二步进电机相连，丝杠滑轨与第一步进电机和第二步进电机安装在L型底座后端平台上，水平仪和控制器分别安装在L型底座后端平台的两侧，基准玻璃板安装在L型底座前端凸起平台上，
所述控制器上有“上”、“下”、“前”、“后”四个按钮，其中“上”、“下”按钮通过电缆与第一步进电机相连，且能够分别驱动相机支架向上或向下移动；“前”、“后”按钮通过电缆与第二步进电机相连，且能够分别驱动相机支架向前或向后移动，
所述基准玻璃板为矩形透明玻璃板且带有标志物，
所述相机支架平台侧面安装有激光指示器，能够根据激光指示器判断数码相机镜头是否与试块断面处于同一水平面上。
2.根据权利要求1所述的混凝土试块特定显色区域几何参数的测量方法，其特征在于，所述的标志物为牢固着色于玻璃板上的边长为L0＝10mm、面积S0＝100mm2的半透明黄色正方形，紧邻该正方形的左边为一个竖向标尺。
3.根据权利要求1所述的混凝土试块特定显色区域几何参数的测量方法，其特征在于，所述的L型底座的前面部分为凸起的平台，带有可安装基准玻璃板的条状槽，后面部分平台在丝杠滑轨旁边带有水平刻度，平台前后两部分的平面相平行，底座下面安装有可调节高度的四个支座。
4.根据权利要求1所述的混凝土试块特定显色区域几何参数的测量方法，其特征在于，所述相机支架的台面与L型底座平台的台面相平行，且可以通过“上”“下”控制按钮调节其高度。
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