基于图像处理的无损探伤应用研究
班别:10电本1班 学号:2010304119 姓名:李小玲
基于图像处理的无损探伤应用研究
摘要: 随着计算机技术的发展, 数字图像处理技术得到了广泛应用。为满足道路发展的现代化要求, 迫切需要快速、精确、高效、无损的道路检测手段。该文在分析数字图像处理技术特点的基础上, 以视频成像、CT、热图成像、射线照相等方法在道路无损检测中的应用作了分析和展望, 并提出了尚待解决的关键技术。
关键词: 数字图像处理; 道路工程; 无损检测
引言
数字图像处理即计算机图像处理技术, 是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的专门技术。目前在航空航天、通信工程、工业检测、生物医学、交通、军事、地质工程等众多领域发挥着越来越大的作用。
近些年来, 各国学者致力于数字图像的全自动分析研究, 力争使计算机的识别和理解能够按照人的认识和思维方式独立地工作, 实现准确的图像解释和定量分析, 并已经取得了较大的进展, 但也存在很多尚待解决的问题, 比如图像的处理速度、可靠性、智能化、标准化、不同应用领域理论的完善等。
随着我国经济实力的迅速增强, 公路建设在我国快速发展。为了更好地监测其建设质量运营性能, 进行科学化的管理和维护, 必须运用快速、精确、高效、无损的现代化道路检测手段。传统的有破坏性的检测方法已经不能适应实际需要, 因此, 发展数字图像处理技术, 对我国公路交通事业的发展具有重要意义。
1 数字图像处理技术的特点
数字图像处理的特点主要表现在再现性好、处理精度高、适用面宽、灵活性高等方面。
1. 1 再现性
数字图像处理与模拟图像处理的根本不同在于:它不会因图像的存储、传输或复制等一系列变换操作而导致图像质量的退化。只要图像在数字化时准确地表现了原稿, 则数字图像处理过程始终能保持图像的再现。
1. 2 处理精度
按目前的技术, 几乎可将一幅模拟图像数字化为任意大小的二维数组。具体结果则主要取决于图像数字化设备的能力。现代扫描仪可以把每个像素的灰度量化为 16 位甚至更高的等级, 这意味着图像的数字化精度可以达到满足任一应用需求。尤其是数字相机的发展, 使数字图像的精度更高。对计算机而言, 不论数组大小, 也不论每个像素的位数多少, 其处理程序几乎是一样的。
1. 3 适用面
图像可以来自多种信息源, 它们可以是可见光图像, 也可以是不可见的波谱图像, 例如 X 射线图像、射线图像、超声波图像或红外图像等。从图像反映的客观实体尺度看, 可以小到电子显微镜图像, 大到航空照片、遥感图像甚至天文望远镜图像。这些来自不同信息源的图像只要被变换为数字编码形式后, 均是用二维数组表示的灰度图像(彩色图像也是由灰度图像组合成的, 例如RGB 图像由红、绿、蓝 3 个灰度图像组合而成)组合而成, 因而均可用计算机来处理。即只要针对不同的图像信息源, 采取相应的图像信息采集措施, 图像的数字处理方法适用于任何一种图像。
1. 4 灵活性
图像处理大体上可分为图像的质量改善、图像分析和图像重建三大部分, 每一部分均包含丰富的内容。由于图像的光学处理从原理上讲只能进行线性运算,这极大地限制了光学图像处理能实现的目标。而数字图像处理不仅能完成线性运算, 而且能实现非线性处理, 即凡是可以用数学公式或逻辑关系来表达的一切运算均可用数字图像处理实现。
2 数字图像处理技术在道路无损检测中的应用
正是由于上述这些特点, 数字图像处理技术可以满足自动化、高精度、高效率和无破损的要求, 结合不同的图像信息采集方法, 数字图像处理技术在道路检测中有以下几种典型应用。
2. 1 视频成像方法
公路在使用过程中, 由于行车荷载作用和自然因素的影响, 将使路面逐渐产生各种破损。破损对车辆的行驶速度、承载能力、燃料消耗、机械磨损、行车舒适,以及对交通安全、环境保护等都会造成有害影响。各种破损都有一产生和发展的过程, 如果在破损出现的初
期就能够及时地采取补救措施, 不但不影响公路的使用, 在一定程度上, 即节省了养护资金又延长了公路的使用年限。
传统方法是人工识别。人工识别只能进行有限次数的检测, 不能实现长期监测, 而且, 数据的可靠性较低。另外, 在车流量较大的高速公路上, 检测人员也需冒着一定的危险。所以, 发展安全、高效、精确的检测技术是十分必要的。
在一些发达国家, 已经相应研制出了路面检测系统。其中, 对路面损坏状况的检测采用了数字图像处理技术, 如瑞典的 PAVU E 系统, 加拿大 ROADWARE公司开发的W iseCrax 系统, 日本的高速路面检测车等。利用这些系统, 可以在正常车速下进行路面裂缝、破损等状况的连续测量, 并且不会影响到高速公路的正常交通。据有关资料表明, 有些系统对路面裂缝宽度的检测精度已经达到了 2 mm , 并可以实现图像的实时评价处理。
在这些系统中, 路面破损检测部分的基本原理如图 1 所示。首先, 利用摄像机获取路面图像, 并把数字化的图像传入计算机中; 再根据需要把连续图像转换为静止图像, 并利用各种图像处理和理解技术对静止图像进行分析; 然后, 针对不同的图像特征, 进行破损类型识别和分类; 最后, 对不同的破损进行定性和定量评价, 计算出其特征参数, 如裂缝的宽度, 长度, 面积等, 并存入数据库。同时, 结合 GPS 系统, 还可实现路面破损的精确定位。
利用数字图像技术进行路面破损检测, 技术的关键在于图像识别和分析。由于路面背景并不均匀, 噪声干扰比较大, 背景图像和目标图像灰度值存在重叠部分, 所以破损图像的边缘识别和准确地提取目标图像是一个难点, 这也直接影响到检测的精度和可靠性。因此, 采用有针对性的, 先进的图像识别算法是十分重要的。针对这一难点, 有许多专家学者采用不同的分析方法进行处理, 例如利用马尔可夫模型等。另外, 采集到的路面图像的清晰度和分辨率对系统也会有很大的影响。
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2. 2 CT 方法
在公路施工中, 为确保工程质量, 从夯实地基、碾压每层路基到铺筑路面都需要进行相关的质量检测。传统的检测方法是路上实地观测结合钻孔取样, 进行室内试验分析, 从中获取厚度、深度、压实度和强度等工程质量控制参数。然而, 这种常规方法存在一定的局限性: 首先, 尽管被测点是随机选择的, 检测结果具有一定的代表性, 但容易漏检。其次, 通常对路表面出现的破损, 如裂缝, 凹陷等问题可以很容易发现, 但对道路内部存在的问题, 表面观测却不容易发现。所以, 非常需要一种无损、快速、直观、能显示道路内部状态的检测设备和技术手段, 以提高道路建设质量和养护水平。
CT (Computed Tomography) 即计算机断层成像技术, 发明于 1972 年, 早期为X 射线CT, 后来发展的有 ECT, 超声CT, 核磁共振等。该技术最初只有应用于生物医学方面。CT 的基本方法是根据检测对象截面的投影, 经计算机处理来重建截面图像, 称为图像重建。把CT 应用于道路质量检测, 就像给公路做一次透视诊断, 可以及时发现病害, 并直观地显示出来。目前,国内外都已经将该方法应用于探地雷达对路面的检测。道路雷达是运用瞬态电磁波的基本原理, 通过宽度时域发射天线向地下发射高频窄脉冲电磁波, 波在地下传播过程中遇到不同电性介质界面时产生反射, 又接受天线接收介质反射的回波信息, 再由计算机将接收到的数字信号进行分析计算并对地下目标进行三维层析成像处理, 从成像图中不但可以清楚地观测到路基中的空洞, 路面结构层的厚度、变形, 甚至还可以观测到路面下的积水状况。
2. 3 热图成像方法(IRT)
热图成像方法(IRT)又称红外成像方法, 其工作原理依赖于物质的热传导性。在热源的作用下, 物体表面会形成一定的温度分布。这个分布反映了物体表层以及表层下面材料和结构的热传导性差异。用热敏感元件(如CCD 相机), 记录物体表面的等温线(称为热图)。从热图可辨认出物体内部的结构或缺陷。由于热扩散, 热图的分辨率常常是很低的。采用大功率脉冲热
源(例如闪光灯), 并且应用快速响应的热敏接受器, 能够改善热图的分辨率, 这个技术称为瞬态热图技术(T IRT)。利用 IRT, 能高效地对路面下的水平分层及孔穴进行成像和定位。
2. 4 射线照相方法
射线照相方法是利用穿透力很强的射线如 X 射线等成像的方法来探测物体内部的状况。目前, 人们已经将该技术应用于混凝土无损检测中。针对所获得的混凝土内部钢筋及缺陷的感光照片, 利用数字图像分析技术, 可以进行定量的评价。
此外, 其他成像技术, 如超声成像, 干涉成像等, 在道路材料测试中也有着广泛的应用。这些技术的应用极大地提高了道路无损检测的质量和水平, 对我国公路交通的发展有着重要促进作用。
3 数字图像处理技术在道路无损检测中应用的关键技术
数字图像处理有其独特的地方, 但是为了更好地应用于道路无损检测, 必须解决好以下几个关键问题。
3. 1 图像解释能力
道路检测的目的是为了利用检测结果来评价和控制道路质量, 为道路建设维护和管理提供数据基础, 提高道路管理的水平。因此, 仅仅判断出检测目标的存在是无法满足实际需求的, 更需要对检测目标进行完善评价, 即无损评价技术。目前, 图像解释技术还很不完善。以路面破损检测系统为例, 从获取的路面图像上,可以直观地看出路面破损的状况, 不过仅仅得出这些是不够的, 破损的具体特征值, 比如裂缝的宽度、长度、位置等等, 才是真正的需要。然而, 实际系统往往在精度、准确性方面有一定的偏差。所以, 如何利用先进的图像分析技术准确地解释目标图像还需要进行深入研究。
3. 2 图像分析结果的可靠性
在利用图像处理进行道路检测中, 图像质量很容易受外界因素的影响, 相应地影响到分析结果的可靠性。以路面破损检测系统为例, 如果图像质量差, 漏检,误检率也会增高。所以, 要提高图像分析结果的可靠性, 首先要根据不同成像技术的特点, 减少甚至避免外界因素的干扰, 保证图像质量。另外, 数字图像处理技术的最大特点就是处理的灵活性高。一般来说, 只要改变软件的算法, 就可改变处理的内容。因此, 应在加强软件研究, 开发新的处理方法, 利用先进的、有针对性的新理论, 提高数据的可靠性方面积极地加以研究。
3. 3 图像处理的速度
处理速度较慢, 特别是进行复杂的运算, 是数字图像处理的缺点。如果实时处理, 或提高精度和分辩率,所需时间将显著增加。一般来说, 在道路检测中, 信息量大、数据量大。所以, 在提高精度的同时, 解决数据量大和处理速度的矛盾将是数字图像处理技术在道路检
测中发展的关键技术之一。
4 结语
数字图像处理具有处理精度高、灵活性高、再现性好、处理内容丰富等特点, 特别是随着计算机技术、并行处理技术、电子技术、硬件技术等相关技术的发展和引入, 数字图像处理在道路检测中将会得到更加广泛的应用。
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