混凝土表面初始开裂信息的采集系统与识别方法
【专利摘要】本发明涉及建筑材料检测【技术领域】，旨在提供一种混凝土表面初始开裂信息的采集系统与识别方法。该方法是利用数码相机拍摄混凝土材料待测试件表面的图像，然后通过数字图像匹配方法对数字图像进行处理分析，最终通过混凝土表面的主应变分布图峰值点识别混凝土的初始开裂位置，进而由峰值点应变的时变变化规律判断混凝土的初始开裂时刻。本发明能有效避免应变计尺寸效应的影响，不用在混凝土表面张贴应变片，可以精确地测定混凝土表面的初始开裂位置。本方法的所有试验设备具有可重复性，能客观、精确、合理地识别混凝土材料的初始开裂信息，且该方法混凝土样品处理简单，操作简便，可以实现批量化处理，节省大量人力成本，试验成本低。
【专利说明】混凝土表面初始开裂信息的采集系统与识别方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于建筑材料检测【技术领域】，具体涉及一种基于数字图像相关技术的混凝 土表面初始开裂的开裂位置、开裂时间与开裂应变的识别方法。
【背景技术】
[0002] 混凝土材料是现代建筑工程中最常用的建筑材料之一。改善水混凝土的服役性能 与耐久性对提高建筑结构的使用寿命具有非常重要的意义。但由于受到水泥基材料的水化 放热、环境侵蚀与荷载作用等多种因素的影响，混凝土结构普遍存在着开裂现象。由于混凝 土开裂是导致混凝土材料服役性能退化以及耐久性下降的重要原因之一，因此也是土木工 程领域研究的热点。而混凝土表面初始开裂，也就是混凝土表面第一条裂缝产生的位置、时 间以及开裂应变的大小是混凝土开裂研究的基础。目前研究表明，混凝土表面初始开裂具 有集中性与诱导性，并对混凝土的后续开裂过程具有显著的影响。混凝土表面的初始开裂， 意味着混凝土表面的应变状态出现失稳现象，混凝土的变形由连续状态进入不连续状态。 因此随着混凝土表面第一条裂缝的出现，很可能会出现大量的新的裂缝；同时，在混凝土表 面第一条裂缝产生位置的附近区域，会出现典型的应力集中现象。因此，研究并识别混凝土 表面初始开裂信息对于判断混凝土的受力状态以及研究混凝土的开裂过程具有重要意义。
[0003] 混凝土从完好状态到产生初始开裂将经历一个应变快速增长的过程，所以研究人 员以混凝土应变的变化作为判别混凝土初始开裂的重要指标。但由于混凝土初始开裂往往 集中在一个局部区域，而且混凝土应变从初始应变达到破坏应变的过程也往往非常短暂， 因此识别混凝土的初始开裂仍然是一个技术难题。截止目前，对于混凝土初始开裂的判别 方法仍然以采用应变片（应变计）测量的方法为主。虽然采用应变片（应变计）的识别混 凝土初始开裂具有简单、直接的优点，但是采用应变片（应变计）测量的方法也具有明显的 局限性。这主要与应变片（应变计）测量应变时的尺寸效应有关系。因为应变片（应变计） 所反映的是应变片（应变计）长度范围内的应变值，如果混凝土发生初始开裂的区域小于 应变片（应变计）的长度，则应变片（应变计）的测量值无法准确反映混凝土初始开裂区 域的应变变化。因此应变片（应变计）的长度越短，所测量的应变值越精确。但是长度较 短的应变片（应变计）所覆盖的测量范围有限。如果要捕捉混凝土的初始开裂，则需要在 混凝土表面粘帖大量的应变片（应变计）。而且由于混凝土初始开裂区域的应变分布具有 显著的不均匀性，而应变片（应变计）仅能反映应变片（应变计）长度范围内的应变平均 值，因此应变片（应变计）不能精确地识别混凝土的初裂位置。相应地，由于应变片（应变 计）无法准确地表征混凝土的应变值，因此也不能准确地识别混凝土的初始开裂时间。由 于应变片（应变计）本身的刚度限制，应变片（应变计）也不适于高强与高韧性混凝土材 料初始开裂的测量。同时，由于在测试过程中应变片（应变计）往往无法回收进行重复利 用，因此测试的成本较高。
[0004] 由于采用应变片（应变计）测试混凝土初始开裂的技术原理与测试手段都存在各 种缺陷，难以高效、客观、准确地识别混凝土的初始开裂的有关信息。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是，针对上述混凝土初始开裂识别方法中存在的初始缺 陷，提供一种基于数字图像相关技术的混凝土初始开裂信息的采集系统。该系统可以有效 提高识别混凝土表面初始开裂位置的精度，并精确地评估混凝土初始开裂产生的时间，从 而为可靠地评价混凝土的耐久性提供科学的依据。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
[0007] 提供一种基于数字图像技术的混凝土表面初始开裂信息的采集系统，包括数字 图像收集系统、数字图像存储系统与数字图像处理分析系统；所述数字图像收集系统包括 C⑶镜头和数码相机；所述数字图像存储系统包括计算机和存储硬盘，并通过数据连接线 与数字图像收集系统相连；所述数字图像处理分析系统是安装于计算机上的软件功能模 块，能够通过数字图像匹配方法对采集及存储的数字图像进行处理分析，通过对比分析混 凝土变形前后图像的灰度，计算数字图像的相关系数；然后通过相关系数，判断混凝土的变 形与位移，从而获得混凝土的应变值；并能够通过混凝土表面的主应变分布图峰值点识别 混凝土的初始开裂位置，进而由峰值点应变的时变变化规律判断混凝土的初始开裂时刻。
[0008] 本发明进一步提供了基于数字图像技术的混凝土初始开裂信息的识别方法，是利 用C⑶镜头和数码相机拍摄混凝土材料待测试件表面的图像，然后通过数字图像匹配方法 对采集及存储的数字图像进行处理分析，通过对比分析混凝土变形前后图像的灰度，计算 数字图像的相关系数；然后通过相关系数，判断混凝土的变形与位移，从而获得混凝土的应 变值；并能够通过混凝土表面的主应变分布图峰值点识别混凝土的初始开裂位置，进而由 峰值点应变的时变变化规律判断混凝土的初始开裂时刻。
[0009] 本发明所述方法具体包括以下步骤：
[0010] (1)混凝土材料待测试件表面处理
[0011] 在混凝土材料待测试件表面均匀涂上石膏或油漆涂层，然后在涂层上制作散斑； 散斑的颜色应与涂层的颜色具有显著区别，且散斑的外形与尺寸大小具有随机性以保证 每个散斑都能相互区分；每个散斑的直径大小与测量区域的变长的比例关系在1/1000? 1/10之间；
[0012] ⑵测定前的准备
[0013] 通过CCD镜头和相机进行对待测混凝土试件进行拍摄；在拍摄之前使用圆点标靶 对CCD镜头和数码相机的内外参数进行标定；标靶采用与背景颜色不同的圆点作为特征标 记，通过重心提取来获得标记圆点的精确位置，实现标记点位置的自动提取；
[0014] (3)数字图像采集与存储
[0015] 根据测试精度的要求设定(XD镜头和相机的拍照频率；拍摄的照片通过数据连接 线传输至计算机并存储至存储硬盘；在数字图像采集过程中，CCD镜头和相机与混凝土试 件均不能移动；
[0016] (4)数字图像处理分析
[0017] 以混凝土试件变形前的图片为基准参考图片，在数值图像中首先以坐标为（x，y) 的参考点为中心选取边长为（2M+1)个像素点的矩形区域为参考图子区，M为区域边长特 征值；将混凝土材料待测试件变形后的图片为目标图片，通过亚像素搜索的方法，以坐标 为（X'，y'）的参考点为中心选取边长为（2M+1)个像素点的矩形区域为目标图子区；采用 与图像灰度有关的相关系数C分析此参考图子区域目标图子区的相关性；当相关系数C高 于一个阀值时，认为混凝土试件变形前后的区域具有相关性，即认为变形后目标图中坐标 点（x'，y'）对应于为变形时参考图中坐标点（x，y);所述相关系数C的阀值的取值范围为 0? 9 ?1. 0 ;
[0018] 本发明中的相关系数C为：
【权利要求】
1. 一种基于数字图像技术的混凝土表面初始开裂信息的采集系统，包括数字图像收 集系统、数字图像存储系统与数字图像处理分析系统；所述数字图像收集系统包括CCD镜 头和数码相机；其特征在于：所述数字图像存储系统包括计算机和存储硬盘，并通过数据 连接线与数字图像收集系统相连；所述数字图像处理分析系统是安装于计算机上的软件功 能模块，能够通过数字图像匹配方法对采集及存储的数字图像进行处理分析，通过对比分 析混凝土变形前后图像的灰度，计算数字图像的相关系数；然后通过相关系数，判断混凝土 的变形与位移，从而获得混凝土的应变值；并能够通过混凝土表面的主应变分布图峰值点 识别混凝土的初始开裂位置，进而由峰值点应变的时变变化规律判断混凝土的初始开裂时 刻。
2. -种基于数字图像技术的混凝土初始开裂信息的识别方法，其特征在于，该方法是 利用C⑶镜头和数码相机拍摄混凝土材料待测试件表面的图像，然后通过数字图像匹配方 法对采集及存储的数字图像进行处理分析，通过对比分析混凝土变形前后图像的灰度，计 算数字图像的相关系数；然后通过相关系数，判断混凝土的变形与位移，从而获得混凝土的 应变值；并能够通过混凝土表面的主应变分布图峰值点识别混凝土的初始开裂位置，进而 由峰值点应变的时变变化规律判断混凝土的初始开裂时刻。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤： (1) 混凝土材料待测试件表面处理 在混凝土材料待测试件表面均匀涂上石膏或油漆涂层，然后在涂层上制作散斑；散斑 的颜色应与涂层的颜色具有显著区别，且散斑的外形与尺寸大小具有随机性以保证每个散 斑都能相互区分；每个散斑的直径大小与测量区域的变长的比例关系在1/1000?1/10之 间； (2) 测定前的准备 通过CCD镜头和数码相机进行对待测混凝土试件进行拍摄；在拍摄之前使用圆点标靶 对数码相机的内外参数进行标定；标靶采用与背景颜色不同的圆点作为特征标记，通过重 心提取来获得标记圆点的精确位置，实现标记点位置的自动提取； (3) 数字图像采集与存储 根据测试精度的要求设定数码相机的拍照频率，拍摄的照片通过数据连接线传输至计 算机并存储至存储硬盘；在数字图像采集过程中，CCD镜头和数码相机与混凝土试件均不 能移动； (4) 数字图像处理分析 以混凝土试件变形前的图片为基准参考图片，在数值图像中首先以坐标为（x，y)的参 考点为中心选取边长为（2M+1)个像素点的矩形区域为参考图子区，M为区域边长特征值； 将混凝土材料待测试件变形后的图片为目标图片，通过亚像素搜索的方法，以坐标为（X'， y'）的参考点为中心选取边长为（2M+1)个像素点的矩形区域为目标图子区；采用与图像灰 度有关的相关系数C分析此参考图子区域目标图子区的相关性；当相关系数C高于一个阀 值时，认为混凝土试件变形前后的区域具有相关性，即认为变形后目标图中坐标点（x'，y'） 对应于为变形时参考图中坐标点（x，y);所述相关系数C的阀值的取值范围为0. 9?I. 0 ; 本发明中的相关系数C为：
式中： C为相关系数； ￡ (x, y)为参考图上坐标（x, y)点的灰度； _7为参考图子区域的平均灰度； g(x'，y'）为目标图上坐标为（x'，y'）点的灰度； g为目标图子区域的平均灰度； 确定变形前后坐标点后，计算参考图中参考点坐标的位移分量（u,v); 其中X方向的位移分量u = x' -X ;y方向的位移分量V = y' -y ; 对变形前后两幅图像计算区域内的所有点进行相关匹配后，就能获得这些点在变形前 后空间几何位置的变化，即获得测量区域的位移场分布，并采用局部最小二乘法对亚像素 区域位移场求导获得广义主应变场； (5)混凝土初始开裂信息的识别 A、 基于数组图像相关技术绘制不同时刻混凝土表面广义主应变场分布图； B、 当混凝土表面广义主应变场峰值点的峰值首次达到阀值时，统计混凝土表面广义主 应变场的峰值点数量N，并分别绘制出每个峰值点的混凝土广义主应变e p随时间t的发展 变化曲线以及混凝土广义主应变变化率d e p/dt与时间t的关系曲线； C、 由第n个峰值点（xn，yn)混凝土广义主应变变化率d e p/dt与时间t的关系曲线可 知，在混凝土未产生初始开裂时，混凝土广义主应变变化率d e p/dt为一个常数；当混凝土 发生初始开裂之后，混凝土广义主应变变化率d e p/dt迅速增大，当d e p/dt增大到一个阀 值时，表明混凝土表面总应变随时间发展产生失稳，d e p/dt发生失稳发展的时间tm就是 此峰值点发生初始开裂的时刻，tm时刻对应的混凝土表面广义主应变值e pn就是此峰值点 混凝土发生初始开裂时的开裂应变；所述n < N ; 混凝土试件表面的主应变％为：
式中：方向的横向广义应变；ey为y方向的纵向广义应变；Yxy为广义剪应变； 具体表达式为：
D、 对混凝土表面不同峰值点的初始开裂时间进行排序，混凝土初始开裂时刻T。为峰值 点初始开裂时刻的最小值，即： Tc = min(tcl, tc2, ......tcn) 式中：tm为第n个峰值点的初始开裂时刻； 混凝土初始开裂时刻T。对应的峰值点的位置即混凝土初始开裂位置（x。，y。)，此峰值 点初始开裂对应的广义主应变％。即混凝土初始开裂时的应变。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据混凝土初始开裂信息的识别精度要 求将拍照频率设定为1/60?100赫兹。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，混凝土广义主应变场峰值点的峰值首次 达到阀值取为250?400 ii e。
【文档编号】G01B11/16GK104330023SQ201410546651
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】金南国, 田野, 金贤玉, 童晶 申请人:浙江大学