基于嵌入式的裂紋實時測量系統(tǒng)的設(shè)計

引 言

在建筑業(yè)中，評價墻體裂紋，地面裂紋是評價房屋質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式計算機系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。執(zhí)行裝置可以很簡單，如手機上的一個微小型的電機，當(dāng)手機處于震動接收狀態(tài)時打開；也可以很復(fù)雜，如SONY 智能機器狗，上面集成了多個微小型控制電和多種傳感器，從而可以執(zhí)行各種復(fù)雜的動作和感受各種狀態(tài)信息。嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器與通用CPU最大的不同在于嵌入式微處理器大多工作在為特定用戶群所專用設(shè)計的系統(tǒng)中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。

本研究將問題劃分為以下兩個部分：

（1）裂紋寬度測量算法；

（2）將以上所開發(fā)軟件移植到ARM開發(fā)板，并優(yōu)化算法提高軟件運行速度。

1 裂紋寬度測量算法

計算裂縫寬度關(guān)鍵是要利用圖像分割技術(shù)得到裂縫的真正邊緣。雖然已有文獻(xiàn)介紹了多種分割方法，但是未見有針對裂縫測試儀采集到的裂縫圖像進(jìn)行處理的方法。

1.1 圖像獲取

圖像獲取過程如圖1所示：被檢測的裂縫通過光學(xué)系統(tǒng)在CMOS圖像傳感器上成像，然后通過USB接口將裂縫圖像輸出到ARM上進(jìn)行處理。ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等。

圖像獲取

裂縫圖像如圖2所示。裂縫寬度分布范圍較廣，自幾十至幾百像素不等，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圖像的寬度值。裂縫周圍有部分噪聲，有的圖像含有大量污染區(qū)域，這成為裂縫位置鎖定的難點。

裂縫圖像

OTSU圖像分割結(jié)果

1.2 OTSU圖像分割

通過與已有圖像分割方法如：直方圖法、OTSU法、區(qū)域分割法等進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，OTSU在最后的效果上占有明顯的優(yōu)勢。

圖像分割的結(jié)果如圖3所示。觀察結(jié)果，很容易發(fā)現(xiàn)圖像的邊緣很大區(qū)域被錯分為與裂縫一樣。于是直接計算裂縫寬度時會導(dǎo)致將錯分的區(qū)域計算成裂縫。因此除了計算裂縫寬度外，對候選裂縫集合進(jìn)行有效剔除是另一個重要任務(wù)。

Sobel邊緣檢測算子

分割完圖像后，計算所有可能成為裂縫的區(qū)域的寬度。采用從圖像給定行的起始位置開始計算裂縫寬度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)像素灰度由0變?yōu)?55，記為一個裂縫的左邊緣起始位置；當(dāng)查找到像素灰度由255變?yōu)?，記為一個裂縫的右邊緣結(jié)束位置。通過這種方法可以獲取給定行的所有可能的裂縫寬度。但是在具體試驗中發(fā)現(xiàn)，計算對單行的裂縫進(jìn)行寬度測量還是存在比較大的誤差。于是采用求取給定行上下5行共10行的平均值的方法。