毕业设计（论文）-基于图像处理的公路裂纹检测方法研究与实现.doc

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1、石家庄铁道大学四方学院毕业设计 基于图像处理的公路裂纹检测方法研 究与实现 Research and Implementation of Road Crack Detection Method Based on Image Processing 20 届 电气工程 系 专 业 电子信息工程 学 号 学生姓名 指导老师 完成日期 20 年 月 日 毕业设计成绩单 学生姓名学号班级专业电子信息工程 毕业设计题目基于图像处理的公路裂纹检测方法研究与实现 指导教师姓名 指导教师职称讲师 评 定 成 绩 指导教师得分 评阅人得分 答辩小组 组长 得分 成绩： 院长(主任) 签字： 年 月 日 毕业设计任

2、务书 题 目基于图像处理的公路裂纹检测方法研究与实现 学生姓名学号班级专业电子信息工程 承担指导任务单位电气工程系 导师 姓名 导师 职称 讲师 一、主要内容 1. 公路裂纹图像的特点； 2. 公路裂纹图像预处理的基本算法（频域和时域） ； 3. 公路裂纹图像的阈值分割； 4. 公路裂纹图像的缺陷检测； 二、基本要求 1. 熟练掌握 Matlab 工具箱的运行环境及其仿真编程语言； 2. 掌握图像预处理的基本算法，从而完成公路裂纹图像的预处理； 3. 熟悉图像阈值分割的方法，从而根据公路裂纹图像的特点选择适合的阈值分割的方法； 4. 对不同种类的缺陷采用相应的算法进行缺陷检测，并采用指定的技术

3、指标进行衡量，对 比分析出适用于实际检测的算法。 三、主要技术指标及研究方法 软件环境：Matlab 工具箱 设计论文以图像处理的基本方法作为本设计的支持，同时也要包括对含有公路裂纹图像进 行预处理、阈值分割和缺陷检测的源程序清单，应提供程序结构的描述，应用部分的算法或实 现技巧以及关键理论等的说明。在理论上实现基于图像处理的公路裂纹检测；完成的仿真应能 在指定的环境下运行，应有一定数量的实验数据，并给出仿真结果和评价。论文正文不少于 1 万字，查阅文献资料不少于 10 篇，其中外文文献 2 篇以上，翻译与课题有关的外文资料不少于 3000 汉字。 四、应收集的资料及参考文献 收集关于图像处理

4、，以及 Matlab 工具箱的使用等方面的资料和参考文献。 五、进度计划 第 1 周第 3 周 收集资料，完成开题报告； 第 4 周 需要和可行性调试； 第 5 周第 7 周 概要设计； 第 8 周 中期检查； 第 9 周第 12 周 详细设计和代码设计； 第 13 周第 14 周 论文审核定稿； 第 15 周第 16 周 答辩。 教研室主任签字时 间 毕业设计开题报告 题 目基于图像处理的公路裂纹检测方法研究与实现 学生姓名学号班级专业电子信息工程 一、研究现状 随着我国高速公路建设的快速发展，高速公路路基路面的质量监控体系越来越完善， 要求的检测水平也越来越高。由于车辆在速级公路上行驶时，

5、对路面的平整度、路面完 好率要求很高，当路面出现凹凸、裂纹等病害时，应及时进行维修；否则，交通安全就 会受到影响。目前，国内检测高速公路路况的手段主要是依靠人工丈量的方法，不但效 率低、劳动强度大、检测速度慢、误差较大，不能满足高等级公路检测的要求，而且在 高速公路上进行人工检测十分危险。CCD 摄像机作为一种光电图像传感器，已广泛应用 于几何尺寸测量、光谱测试、位移测量、速度测量、天文观测等领域。将 CCD 技术应用 于高等级公路路况的检测，可解决人工丈量所存在的缺陷和不足。 二、研究背景 数字图像处理就是随着计算机技术的发展而迅速发展起来的。计算机的高速运算能 力为数字图像处理提供了技术支

6、持，使数字图像处理在工业中得到了广泛的应用。数字 图像处理技术的应用是实现路面裂纹检测的最有效方法之一。近几年来国内外许多学者 将数字图像处理技术运用到物体表面裂纹检测中并取得了较好的效果。如：PriyanGunat ilake 设计的飞行器表面裂纹检测系统；J Pynn 设计的道路表面裂纹自动检测系统； D.H.Ry u 设计的疲劳裂纹检测系统；Atsushi Ito 设计的混凝砖表面裂纹提取与测量系统； Paul W. Fieguth 设计的地下管道表面裂纹检测系统等。在路面裂纹检测中，由于路面噪声、 油污和黑斑在形状和分布的随机性，使图像处理算法的准确性难以保证，所以复杂背景 噪声条件下

7、的图像识别技术显得格外重要。公路面裂纹自动检测与识别过程中，图像处 理算法在很大程度上影响检测与识别的效果和精度。其中关键是对公路面裂纹图像进行 边缘检测、图像分割来获得公路面裂纹的特性。 三、论文进行的主要工作 1. 采集路面裂纹图像，采集了损害程度严重的裂纹图像； 2. 针对图像预处理的问题，将每一个公路裂纹图像分检出来交给识别模块识别，这 一过程称为图像预处理，预处理包括平滑、中值滤波、图像增强，对相关图像处理算法 进行分析与讨论，并进行对比分析； 3. 图像分割采用的方法是最大熵阈值分割、迭代式阈值分割和 Ostu 法分割，通过仿 真对比分析后选择 Ostu 法作为图像分割； 4. 总

8、结过去路面检测中遇到的种种不理想情况，通过对公路面裂纹进行检测， 并结 合数字图像的边缘检测采用的方法是 Canny 边缘检测、LOG 算法和 Prewitt 算子，小波 多尺度检测。检测后的图像进行处理，也能够很好地获得公路面裂纹的特性。 四、采用的方法、手段 1. 图像预处理的具体方法，一是图像的增强，即增强构成图像像素，具体方法是灰 度变换增强、高通滤波增强和灰度直方图均衡化，二是图像的平滑，即有均值滤波平滑、 中值滤波平滑和同态滤波平滑；三是图像锐化，有拉普拉斯锐化、高斯滤波锐化和 Sobel 算子锐化。 2图像分割就是把图像空间分成一些有意义的区域，在此次的研究中将采用的分割 方法是

9、最大熵阈值分割、迭代式阈值分割和 Ostu 法阈值分割。 3数字图像边缘检测采用的方法是 Canny 边缘检测、LOG算法和Prewitt算子检测， 小波多尺度检测。 五、预期达到的结果 1完成了 MATLAB 工具箱的运行环境及其仿真编程语言； 2完成了图像增强、图像的平滑、图像锐化的基本算法，从而完成公路裂纹图像的 预处理。 3完成了图像分割的方法； 4完成了图像的边缘检测，采用不同算法进行边缘检测，并对比分析出适用于实际 检测是小波多尺度检测进行边缘检测。 指导教师签字 时 间 年 月 日 摘 要 随着我国高速公路建设的快速发展，高速公路路基路面的质量监控体系越来越 完善，要求的检测水平

10、也越来越高。因此本设计提出了基于图像处理的公路裂纹检 测方法研究与实现。 根据图像处理的公路裂纹检测方法研究与实现的基本原理，以数字图像处理方 法为研究内容，在图像预处理、图像分割、图像边缘检测处理方面进行了研究，并 结合公路裂纹图像的固有特点，利用 Matlab 程序仿真实现了公路裂纹自动检测方法 的研究。图像预处理包括：图像增强、图像平滑和图像锐化。其中图像增强采用的 方法是灰度变换增强、高通滤波增强和灰度直方图均衡化；图像平滑，采用均值滤 波平滑、中值滤波平滑和同态滤波平滑；图像锐化采用，拉普拉斯锐化、高斯滤波 锐化和 Sobel 算子锐化。图像分割采用的方法是最大熵阈值分割、迭代式阈值

11、分割 和 Ostu 法；边缘检测采用的方法是 Canny 边缘检测、LOG 算法、Prewitt 算子检测 和小波多尺度检测。 通过比较在预处理中选择了灰度变换增强、选择了中值滤波平滑、Sobel 算子锐 化并利用 Ostu 法阈值分割法进行分割；最后用了小波多尺度检测进行检测，在路面 裂纹检测方法与研究中可以较好的实现路面裂纹图像的检测。 关键词：数字图像处理 路面裂纹 图像增强 图像分割 边缘检测 Abstract With the rapid development of our country highway construction, highway roadbed quality

12、monitoring system is more and more perfect,the requirements of the detection level is becoming more and more high.So the design proposes research research and lmplementation of road crack detection method based on lmage processing. Road crack detection method research and implementation of the basic

13、 principle based on image processing research the content of image processing,compose of image preprocessing,image segmentation, image edge detection processing,combined with the inherent characteristics of road crack image,use the Matlab simulated and implemented design of highway crack automatic d

14、etection methodImage preprocessing including:image enhancement,image smoothing and image sharpening.Image enhancement methods adopt high-pass filtering,gray-scale transformation enhancement and gray histogram equalization; The image smooth,use median filter smoothing,median filtering, smoothing and

15、homomorphic filtering;Image sharpening,Laplace sharpening,gaussian filtering,sharpening and Sobel operator sharpening.Image segmentation cover the maximum entropy threshold segmentation method,iterative threshold segmentation and the Ostu method;Edge detection methods include Canny edge detection,th

16、e LOG algorithm and Prewitt operator,and the wavelet multi-scale detection. By comparing in the preprocessing choose gray level transformation,median filter smoothing, sharpening Sobel operator and use of Ostu segmentation as the image threshold segmentation method;Finally used the wavelet multi-sca

17、le detection test, can realize the road crack image detection in the study of road crack detection method. Key words：digital Image processing surface crack mage enhancement image segmentation crack classification I 目 录 第 1 章 绪论1 1.1 研究目的及意义1 1.2 国内外研究现状2 1.3 研究的主要内容3 第 2 章 公路裂纹图像的预处理5 2.1 公路裂纹的特点及图像

18、处理质量评价5 2.2 公路裂纹图像的增强6 2.2.1 灰度直方图均衡化6 2.2.2 灰度变换8 2.2.3 高通滤波增强8 2.2.4 图像增强结果对比分析8 2.3 公路裂纹的平滑9 2.3.1 均值滤波平滑10 2.3.2 中值滤波平滑10 2.3.3 同态滤波平滑11 2.3.4 图像平滑对比结果分析11 2.4 公路图像的锐化12 2.4.1 拉普拉斯锐化13 2.4.2 Sobel 算子13 2.4.3 高斯滤波锐化14 2.4.4 图像锐化对比结果分析14 第 3 章 公路裂纹图像的分割16 3.1 图像分割描述16 3.2 最大熵阈值分割17 3.3 迭代式阈值分割17 3

19、.4 Ostu 法阈值分割18 3.5 图像分割结果对比分析19 第 4 章 公路裂纹图像的边缘检测21 4.1 边缘检测论述21 4.2 传统的边缘算子21 4.2.1 Canny 边缘检测21 4.2.2 LOG 算法检测 22 4.2.3 Prewitt 算子检测23 4.3 小波多尺度边缘检测24 II 4.4 图像边缘检测结果对比分析25 第 5 章 结论27 参考文献28 致谢29 附录30 附录 A 外文资料30 附录 B 程序清单35 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 1 第1章 绪 论 1.1 研究目的及意义 高速公路对国家和地区的经济发展起到了关键性的作用，俨然已成为衡量一个

20、 国家现代化程度的标志，近几年我国高速公路的建设十分迅速，据官方资料1至 2012 年年底，我国高速公路总里程已经达到了 4.1 万公里，位居世界第二位，而在 “十一五”期间全国又新建成高速公路 2.4 万公里，至此高速公路总里程达到 6.5 万 公里。一大批高速公路的建成，为沿线地区的经济腾飞做出了巨大贡献，促进了国 民经济的迅速发展，但是因为高速公路暴露于大气中，需长期承受着雨水的腐蚀、 车辆的重压、人为的破坏等等，因此养护工作就显得格外重要，否则将严重影响到 交通安全的状况。在公路养护中，路面裂纹是衡量道路质量最重要的一个指标，如 果在裂纹出现的初期就能够及时的发现，并且对裂纹的发展情况

21、给予实时的跟踪， 那么公路的养护费将会极大的减少，同时还能够使得高速公路的行车安全得到保证。 目前国内主要是依靠人工来检测高速公路的路况，已经不能够满足高速公路的检测 要求，其主要的缺点有以下几点2： (1)人力耗费过大：基于人视觉的检测需要依靠养护工人到现场，使用眼睛来观 察，然而一条高速公路里程数相当可观，因此工人的劳动强度过大。 (2)时间耗费过长：虽然投入巨大的人力，但是由于是基于人的视觉特性，因此 速度依然很慢。 (3)精确度不高：判断裂纹易受人的主观因素影响，因此判定结果会因人而异。 (4)影响正常的交通：检测路面病害时，需要将高速公路封闭，从而会影响到正 常的交通。 (5)危险：

22、尽管检测路面病害时是封闭了车道，但是依然存在潜在的人身安全隐 患。 (6)花费过高：因为投入了巨大的人力和时间，所以花费很高。数字图像处理3， 又称计算机图像处理，这是因为在一般情况下是用计算机来处理，它是指先将图像 信号转换成数字信号，然后再用计算机对其加工处理的技术。在二十世纪六十年代 的初期，数字图像处理成为一门学科，早期的数字图像处理主要是为了提高图像的 质量，从而可以大大改善人的视觉效果，从七十年代中期开始，人工智能、计算机 技术伴随着图像处理技术的进一步的发展而得到快速的发展，数字图像处理的技术 开始向着更高层次发展，即计算机视觉，这种技术是利用计算机来模拟人类的视觉 石家庄铁道大

23、学四方学院毕业设计 2 神经系统，通过描述各种图像来理解外面的世界。数字图像处理主要研究的内容有4： 图像编码、图像增强、图像复原、图像分割，图像描述，图像识别等等。伴随着数 字图像处理技术、大容量的存储器以及高性能 CPU 的不断发展，使得基于数字图像 处理技术的路面裂纹检测技术成为可能，利用先进的图像采集技术，对公路路面图 像采集，并将采集的数据存放到大容量的存储设备中，可以离线也可实时的对采集 到的图像处理，当然如果是实时的处理图像，则会要求图像处理的算法更高效，相 关的硬件设备性能更好。利用上述的新技术应用于公路裂纹的检测，不仅可以节省 劳动力、去除人的主观因素影响，而且可以快速、准确

24、地对公路的路况进行评价， 显然是路面裂纹检测发展的必然趋势。综上所述基于数字图像处理技术的路面裂检 测技术，是一门具有使用价值的高新兴技术。 1.2 国内外研究现状 高等级公路是国家现代化建设的重要基础设施，它不但是交通现代化的重要标 志，也是国家现代化的标志。从1988年上海至嘉定高等级公路建成通车至今17年间， 中国高等级公路总体上实现了持续、快速和有序的发展，特别是1998年以来，国家 实施积极的财政政策，高等级公路得到快速发展，年均通车里程超过了4000公里， 到2004年底，中国高等级公路通车里程已超过34万公里，继续保持世界第二。随 着高等级公路里程的增加和使用时间的延长，公路的养

25、护任务势必将越来越繁重； 另外一方面，近年来许多公路建成后，受交通量迅速增长、车辆大型化、超载严重、 行驶渠道化等影响，使高等级公路路面在使用过程中受到严重的考验。为使高等级 公路逐步进入中修和大修期，养护工作必须向高科技、现代化方向发展。在整个公 路养护工作中，路面养护工作是一个中心环节，这是因为路面是直接承受行车载荷 和自然因素作用的结构层，关系着行车是否安全、快速、经济和舒适。因此，路面 养护质量是公路养护质量考核的重点。 随着公路网的扩大，已有公路的养护问题日渐突出。由于车荷载作用、外界环 境影响以及施工中存在的不足，路基路面必然会出现各种破损。路面破损对路面的 承载能力、耐久性，对车

26、辆的行驶速度、燃油消耗、行车舒适性、交通安全等造成 不利的影响。裂纹类病害是公路路面的主要病害之一。路面裂纹是一种比较难估计 的破损状态，如果能及早发现路面裂纹并及时处理，那么维护费用将大大降低。目 前国内检测高速公路路况的手段主要是人工检测的方法，通常由现场调查人员对破 损位置及面积进行测量和记录，然后对数据进行统计和归类，并进行存档，以供评 判。人工检测方法效率低、工作强度大、检测速度慢、精度较低，并且在高速公路 上进行人工检测时，检测人员的人身安全也受到了影响。因此，研究高速公路路面 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 3 破损自动检测与识别技术，从而高效、快速、准确地对公路路况进行评价不但

27、能够 为公路管理和养护部门的决策提供科学的依据，还可以提高公路养护部门的工作效 率，减轻公路养护人员的劳动强度，具有重要的意义。 数字图像处理的算法成千上万种，但是数字图像处理的对象和目的是各不相同 的，在路面裂纹检测技术中，最为核心的是就是基于数字图像处理的路面裂纹检测 算法，研究的对象主要就是路面裂纹，近些年来国内外为了研究路面裂纹的自动检 测技术投入了大量的人力和物力，已经获得了大量的成果。 常用的路面病害图像增强算法5，6主要有均值滤波、中值滤波和自适应平滑滤 波等等，但是这些算法缺乏对整幅图像的理解，并且不能很好的保持住裂纹的边缘。 Chou 等7利用模糊技术对路面裂纹图像进行了增强

28、，去除了不均匀光照引起的图像 噪声，但是不能保持裂纹的边缘。马长霞8等提出基于 NSCT 的路面裂纹增强算法， 不仅可以去除由不均匀光照等引起的噪声，还可以保持裂纹边缘，但是算法运行时 间过长，不能满足实时性的要求。 常用路面裂纹图像分割算法主要有基于边缘的分割算法（一阶梯度算子、二阶 梯度算子 、canny 算子） ，直方图法等，但是因为图像中的裂纹不明显而效果不佳。 Tsai 等提出 OSTU 阈值分割算法，但因为路面裂纹的背景和目标大小之比有时过小， 使得类间方差有可能呈双峰性，从而使得 OSTU 法失效。周帆帆等提出使用区域增 长的方法来分割，取得了不错的效果。 熊和金等9利用人工神经

29、网络对裂纹进行分类，将网状裂纹的面积以及周长作 为的输入特征。肖旺新等10提出破损密度因子的概念，通过统计裂纹像素和背景像 素的关系，然后利用人工神经网络进行识别分类，取得了良好的效果。王殉11提出 了基于人工神经网络的方法来判断路面的损害程度，结合了路面裂纹图像的灰度、 纹理等特征，经实验证明该算法的效果远远好于人工判断的方法。闫茂德等基于数 学形态学理论，设计了一套裂纹预处理、分割、检测、的方法，取得不错的效果。 1.3 研究的主要内容 本论文结合公路裂纹的特点，重点研究和对比实现图像处理的公路裂纹检测方 法。研究的主要内容如下： (1)对公路路面裂纹图像预处理，采用了三种预处理方法：公路

30、裂纹图像的增强， 公路裂纹的平滑，公路图像的锐化。公路裂纹图像的增强用的方法有：灰度直方图 均衡化、灰度变换、高通滤波增强，并进行了灰度增强的对比结果分析，最后选择 灰度变换作为图像的增强。公路裂纹的平滑采用的方法有：均值滤波平滑、中值滤 波平滑、同态滤波平滑，经过对比分析选择中值滤波作为平滑。公路图像的锐化采 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 4 用的方法有：拉普拉斯锐化、高斯滤波锐化、Sobel 算子锐化，并进行了图像锐化的 结果对比总结，选择 Sobel 算子作为锐化。 (2)图像分割就是把构成图像的各个要素即像素进行分类。其目的就是将图像细 分为它的子区域或者对象。分割的方法取决于所要解

31、决的问题。本章图像分割方法 主要分以下几类：最大熵阈值分割、迭代式阈值分割、Ostu 法阈值分割，最后进行 图像分割结果对比分析，Ostu 法阈值分割效果最好，所以选择 Ostu 法阈值分割。 (3)对图像进行边缘检测。图像的边缘是图像最基本的特征，边缘主要存在于目 标与背景之间、目标与目标之间、基元与基元之间，是图像局部像素灰度变化最显 著的部分。本设计对裂纹图像进行边缘检测的方法包括，传统的边缘算子：Canny 边缘检测、LOG 算子、Prewitt 算子；小波多尺度检测，最后进行了图像边缘检测 结果对比分析，得到小波多尺度检测效果最好，所以选择小波多尺度检测作为边缘 检测。 石家庄铁道大

32、学四方学院毕业设计 5 第 2 章 公路裂纹图像的预处理 2.1 公路裂纹的特点及图像处理质量评价 我国高速公路建设近年来取得了巨大的进步，但随之也出现了许多病害，如破 损、裂纹、沉降等，其中裂纹是最常见，也是危害最大的一种。裂纹不仅影响路面 美观、降低平整度，而且会影响整个道路的使用寿命，特别是当路面开裂后，雨水 就会通过裂纹渗到路面基层、底基层甚至路基，这样会腐蚀混凝土路基，削弱基层、 土基的强度，加速道路的破坏，缩短路面的使用寿命。因此，要及时对高速公路路 面裂纹进行预处理。 目前对图像处理质量评价主要有两类常用的方法：一类是人的主观评价，它由 人眼直接观察图像效果，这种方法受人为主观因

33、素的影响比较大。目前由于对人的 视觉系统性质还没有充分的理解，对人的心理因素还没有找到定量分析方法。因此 主观评价标准还只是一个定性的描述方法，不能作定量描述，但它能反映人眼的视 觉特性。另一类是图像质量的客观评价。它是一种数学上统计的处理方法，其缺点 是它并不是总能反映人眼的真实感觉。一种折衷的方法是在衡量图像“去噪”算法 的优劣时，将主观与客观两种标准结合起来考虑。 主观评价通常有两种：一种是作为观察者的主观评价，这是由选定的一组人对 图像直接用肉眼进行观察，然后分别给出其对所观察的图像的质量好或坏的评价， 再综合全组人的意见给出一个综合结论。它只是一种定性的方法，没有定量的标准， 而且受到观察者的主观因素的影响，评价结果有一定的不确定性。另一种是随着模