基站铁塔表面缺陷检测
基站铁塔表面缺陷检测[20191215143545]
摘要
本论文是来源于常州有限公司和河海大学的项目。为了代替工作人员的高空作业，本课题采用四轴飞行器进行高空作业，对基站铁塔表面缺陷进行检测。
本论文做的主要工作时对四轴飞行器拍摄的图像利用MATLAB平台进行处理，检测出腐蚀区域的特性例如锈坑的腐锈率、锈坑的面积、腐锈的等级。
本论文包括了几个模块：图像质量评估模块、图像增强模块、腐锈率的检测模块、腐锈程度等级评估模块。图像质量评估模块主要介绍了图像质量评估的方法，通过熵和峰值信噪比来评判图像的质量。图像增强模块包括了滤波、利用灰度值进行图像的增强、使用锐化增强图像、利用直方图规定化增强图像的方法。本论文对于滤波模块在讨论了多种滤波模式后将使用中值滤波。对于利用灰度值进行图像的增强将采用非线性变换的对数扩展的方法实现对图像灰度的调整。对于锐化增强模块中，采用了8领域的锐化图像处理方法。并且采取直方图规定化使得图像的效果更为优良。本论文中的腐锈率检测模块实现了对四轴飞行器拍摄图像中基站部分区域的腐锈率监测。在腐锈程度等级评估模块中，本论文能够计算出图像中腐锈部分占整体图像的百分比，并由百分比求出对应图像中腐锈的等级。同时本设计通过计算锈坑的模块实现了计算锈坑的个数的功能。
通过在MATLAB平台上的设计，本论文通过了对图像的增强处理，实现了对四轴飞行器所拍摄图像对应基站部分区域腐锈特征和个数的检测及其等级划分。
摘要 5
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关键字:图像处理；腐蚀区域检测
目录
目录 7
第1章 前言 9
1.1 课题研究意义及目的 9
1.2 国内外研究现状 9
1.3 本课题的实际工作安排 11
第2章 系统概述 12
2.1 系统的流程和框架 12
2.2 系统开发语言 12
2.3 图像质量评估 13
第3章 图像增强模块设计 15
3.1 设计滤波增强模块 15
3.2 设计灰度变换增强模块 17
3.3 设计锐化增强模块 19
3.4 设计直方图规定化增强模块 20
3.5 设计图像综合增强模块 21
第4章 图像检测模块设计与实现 22
4.1 锈坑范围检测模块 22
4.2 锈坑率检测模块 24
4.3 锈坑所占图像比例检测模块 25
4.4 锈坑个数检测模块 26
4.5 腐锈程度分级判断 27
第5章 实验结果与分析 28
第6章 总结和展望 31
致谢 32
参考文献 33
附录 34
第1章 前言
1.1 课题研究意义及目的
对于现在存在的一些高层建筑的腐蚀现象，人们为了保证建筑的质量和寿命就必须了解高层建筑的腐蚀状况。由于条件的不允许存在高层的建筑不能够完全的靠人的全方面近距离的检测的问题，那么就需要我们通过一些更为简便科学的方式对高层建筑的腐蚀情况进行检测。本论文就关于这个问题提出了实现方法和解决的途径。通过具有灵活应变能力的多轴飞行器，代替工作人员的高空作业，将图像传感器固定在飞行器上，对基站铁塔表面缺陷进行检测，利用飞行器来监控移动基站铁塔结构是否安全，铁塔表面是否存在腐蚀现象。对于飞行器拍摄的图像进行质量和噪声的评估，并通过对图像进行增强处理以实现对图像中腐蚀区域特性的检测。并对飞行器采集的图像进行处理可以得到对应区域腐锈特征的提取，如锈坑分布、锈坑形状、蚀孔分布、腐蚀程度等。通过基于MATLAB的图像处理技术，对腐蚀区域进行检测、腐蚀程度的评价和腐蚀区域的形态描述，将图像处理技术运用到表征腐蚀的表面特征中，找出腐蚀现状，并分出等级。通过这一系列的图像处理，我们可以直观的了解高层建筑的腐蚀状况，并根据腐蚀的区域的腐蚀状况对建筑进行有关的补救和修复措施。从而避免了繁杂的高空人工作业，达到了检测高层建筑腐蚀状况的目的。
1.2 国内外研究现状
腐蚀是材料在各式各样环境作用下发生的变质和破坏，遍布国民建设的各个部门，每年都有大量的金属设备和构件因腐蚀而报废，给国民经济带来了无法估计的损失。据估计，全世界每年因腐蚀造成的损失占国民生产总值的2%~4%，且呈每年增加的趋势。金属材料在自然环境中的使用非常普遍，因此对自然环境中材料的腐蚀程度进行检测具有很重要的意义。而腐蚀图像是记录金属材料表面形貌的重要标志，不同的形貌图像包含着不同的纹理和灰度信息，反映了表面腐蚀形貌的起伏变化，可以反映出腐蚀引起的腐蚀损伤度和材料表面形貌变化，因此，从材料表面腐蚀形貌图像中提取形貌特征参数，对腐蚀形貌用定量化的表述，对深入研究腐蚀规律具有重要意义。目前国内外学者应用图像处理技术在对腐蚀的研究中，测腐蚀已获得了一定的成绩。数字图像处理最早应用于点蚀的描述和评价。1981年D.ITZHHAK等用图像方法研究了AISI304不锈钢在10%FECI 50度时浸泡20 分钟产生的腐蚀图像。通过用扫描仪直接扫描腐蚀材料照片得到的图像，然后将所得的图像进行二值化处理，统计整个实验试样表面不同大小的蚀孔数，定义并定量计算试样的点蚀率。
宋诗哲、苏润西同样做了一些实验和探索，他们研究了点蚀图像采集系统建立和实验方法，建立了基于恒电位的原位图像采集系统和测试方法，设计适合于长焦距显微镜的电解池系统同时也对图像采集，得到的304不锈钢恒电位过程图像分析结果，实验表明，在蚀孔出现过程中的灰度变化与蚀孔的产生和发展有直接关系，当发生点蚀时，灰度值向小的方向移动，灰度统计直方图上出现双峰，通过分析电化学测试参数与图像信息得知点蚀发生率与反应消耗的电量之间存在相关性。
20世纪70年代，数学家MANDELBROT创立了一对大自然出现的那些破碎、凹凸、粗糙且不连续的、不光滑的形状，如屈直蜿蜒的地铁、起伏的山峰、粗糙不平的断面、变幻莫测的浮云等。而今分形理论已广泛应用到各类学科中。
分形理论的基本特征是随机性、自仿射性和自相似性。腐蚀构件表面相对它的平面的偏差可以认为是一个随机过程T（X），同时这个表面的轮廓在不同的放大倍数下能够看到不断出现的更为细致的表面结构具有自相似性，然而大部分的表面横向和纵向测量尺度不同，被放大后的倍数同样是不同的，即表现出自仿射性，因此可以将分形理论作为表征腐蚀构件表面的方法。
国内王守瑛等人将分形的概念应用在腐蚀形貌图像的特征提取上，计算得到的腐蚀图像的分形维数、广义维数、面积因子和空隙特征，并作为分析诊断系统的输入，用模糊式识别理论建立了基于图像分形特征的腐蚀形貌图像诊断系统，可以用图像的分形特征值判定金属的表面腐蚀形貌。
国内的许述剑、翁永基等人采用图像分维探究了腐蚀图像特征与表面腐蚀坑分布特征的关系，统计腐蚀试片表面测量数据表明，锈坑直径和深度分布在一定尺寸范围内遵循幂函数方程，同时，根据盒计数法原理提出计算图像二维和三维分维分别与坑直径和坑深度分布分维线性相关，并在数值上十分相近。这为根据腐蚀图像特征确定腐蚀表面坑分布规律提供了简便快捷的方法。同时根据碳钢在一些腐蚀溶液和土壤溶液中不同的腐蚀和塔里木现场腐蚀试验中不同土壤环境的腐蚀，研究表面形貌图像特征和腐蚀发展程度的关系，实验结果表明，灰度直方图峰宽盒试片平均腐蚀速度呈比较好的线性关系：图像分维和腐蚀坑分布有较好相关性，图像二维、三维分维分别比坑直径、坑深分布分维用多重分形法提取的图像特征比图像分维和腐蚀速度有更好的相关性。
小波分析是80年代后期逐渐发展起来的应用数学分支，是分析和调和，傅里叶分析，泛函分析和样条分析的完美结晶.是数学上的重大突破，成为了应用数学的阶段性的新趋势。
小破分析方法是一种时域—频域分析，介于纯频域傅里叶分析和纯时域的方波分析两者之间。同时频域和时域局部化优良的特性，随着信号的不同频率成分在时间域的疏密自动与之调节，频率低者疏，频率高者密，可达到效率高、质量高的效果。根据这一特点，可以观察图像和信号的具体细节并对其进行分析。
国内王守瑛等人用图像扫描法获取了金属实验试片的腐蚀形貌图像并用直方图均衡和滤波的方法对图像进行处理；通过小波变换对图像进行了纹理分析；把每个图像中提取的能量特征和腐蚀数据之间的相关性进行了的研究，得到了比较好的结果。
国内的许述剑、翁永基等人用扫描获得实验试样的腐蚀图像，采用二维离散小波变换对其进行三级分解，提取各子图像的L1范数、熵和平均能量作为纹理特征，并计算同级纹理特征的各向异性特征和试样腐蚀参数的相关性。实验结果表明，点蚀系数和熵的各向异性特征具有非常好的相关性。
1.3本课题的实际工作安排
2012年11-12月，理解课题要求，查阅相关资料，了解基站铁塔检测的需求，熟悉图像处理的基本原理和基本算法。
2013年1-2月，针对实际图片，设计相应的处理算法，设计和编写程序，并做好系统调试。
2013年2-3月用MATLAB仿真实现。总结工作，撰写论文
2013年4-5月，调测系统，总结工作，撰写论文。
2013年6月，完善论文，准备答辩。
第2章 系统概述
2.1 系统的流程和框架
图 2.1 系统流程图
2.2 系统开发语言
MATLAB是来自美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂。是由美国mathworks公司发布的面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并且在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLBA和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLBA的优势具有许多的优势包括:1.友好的编程环境和工作平台；2.简易的程序语言；3. 出色的图像处理功能。
2.3图像质量评估
对于图像相应的处理，我们必须考虑到图像质量的评估。而图像质量的评估常用的两种方法有：
1、通过人眼来判别。这种方法简单直接且对于一些明显的图像质量的评估适用，但是过于主观化，不利于自动化处理。
2、通过MATLAB客观的评估衡量。适用MATLAB用一些特定的数学函数对图形的图像质量进行评估。
图像的质量进行公式化的处理。虽然说不是绝对有效，但是在我们日常计算处理中显得十分方便。
通过一些用数字图像处理对图像的特征提取，这些特征能够成为图像质量评估的客观标准。
对于图像相应的处理，我们必须考虑到图像质量的评估。而图像质量的评估常用的两种方法有：
（1）、峰值信噪比（PSNR）和均方差（MSE）
摘要
本论文是来源于常州有限公司和河海大学的项目。为了代替工作人员的高空作业，本课题采用四轴飞行器进行高空作业，对基站铁塔表面缺陷进行检测。
本论文做的主要工作时对四轴飞行器拍摄的图像利用MATLAB平台进行处理，检测出腐蚀区域的特性例如锈坑的腐锈率、锈坑的面积、腐锈的等级。
本论文包括了几个模块：图像质量评估模块、图像增强模块、腐锈率的检测模块、腐锈程度等级评估模块。图像质量评估模块主要介绍了图像质量评估的方法，通过熵和峰值信噪比来评判图像的质量。图像增强模块包括了滤波、利用灰度值进行图像的增强、使用锐化增强图像、利用直方图规定化增强图像的方法。本论文对于滤波模块在讨论了多种滤波模式后将使用中值滤波。对于利用灰度值进行图像的增强将采用非线性变换的对数扩展的方法实现对图像灰度的调整。对于锐化增强模块中，采用了8领域的锐化图像处理方法。并且采取直方图规定化使得图像的效果更为优良。本论文中的腐锈率检测模块实现了对四轴飞行器拍摄图像中基站部分区域的腐锈率监测。在腐锈程度等级评估模块中，本论文能够计算出图像中腐锈部分占整体图像的百分比，并由百分比求出对应图像中腐锈的等级。同时本设计通过计算锈坑的模块实现了计算锈坑的个数的功能。
通过在MATLAB平台上的设计，本论文通过了对图像的增强处理，实现了对四轴飞行器所拍摄图像对应基站部分区域腐锈特征和个数的检测及其等级划分。
摘要 5
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:图像处理；腐蚀区域检测
目录
目录 7
第1章 前言 9
1.1 课题研究意义及目的 9
1.2 国内外研究现状 9
1.3 本课题的实际工作安排 11
第2章 系统概述 12
2.1 系统的流程和框架 12
2.2 系统开发语言 12
2.3 图像质量评估 13
第3章 图像增强模块设计 15
3.1 设计滤波增强模块 15
3.2 设计灰度变换增强模块 17
3.3 设计锐化增强模块 19
3.4 设计直方图规定化增强模块 20
3.5 设计图像综合增强模块 21
第4章 图像检测模块设计与实现 22
4.1 锈坑范围检测模块 22
4.2 锈坑率检测模块 24
4.3 锈坑所占图像比例检测模块 25
4.4 锈坑个数检测模块 26
4.5 腐锈程度分级判断 27
第5章 实验结果与分析 28
第6章 总结和展望 31
致谢 32
参考文献 33
附录 34
第1章 前言
1.1 课题研究意义及目的
对于现在存在的一些高层建筑的腐蚀现象，人们为了保证建筑的质量和寿命就必须了解高层建筑的腐蚀状况。由于条件的不允许存在高层的建筑不能够完全的靠人的全方面近距离的检测的问题，那么就需要我们通过一些更为简便科学的方式对高层建筑的腐蚀情况进行检测。本论文就关于这个问题提出了实现方法和解决的途径。通过具有灵活应变能力的多轴飞行器，代替工作人员的高空作业，将图像传感器固定在飞行器上，对基站铁塔表面缺陷进行检测，利用飞行器来监控移动基站铁塔结构是否安全，铁塔表面是否存在腐蚀现象。对于飞行器拍摄的图像进行质量和噪声的评估，并通过对图像进行增强处理以实现对图像中腐蚀区域特性的检测。并对飞行器采集的图像进行处理可以得到对应区域腐锈特征的提取，如锈坑分布、锈坑形状、蚀孔分布、腐蚀程度等。通过基于MATLAB的图像处理技术，对腐蚀区域进行检测、腐蚀程度的评价和腐蚀区域的形态描述，将图像处理技术运用到表征腐蚀的表面特征中，找出腐蚀现状，并分出等级。通过这一系列的图像处理，我们可以直观的了解高层建筑的腐蚀状况，并根据腐蚀的区域的腐蚀状况对建筑进行有关的补救和修复措施。从而避免了繁杂的高空人工作业，达到了检测高层建筑腐蚀状况的目的。
1.2 国内外研究现状
腐蚀是材料在各式各样环境作用下发生的变质和破坏，遍布国民建设的各个部门，每年都有大量的金属设备和构件因腐蚀而报废，给国民经济带来了无法估计的损失。据估计，全世界每年因腐蚀造成的损失占国民生产总值的2%~4%，且呈每年增加的趋势。金属材料在自然环境中的使用非常普遍，因此对自然环境中材料的腐蚀程度进行检测具有很重要的意义。而腐蚀图像是记录金属材料表面形貌的重要标志，不同的形貌图像包含着不同的纹理和灰度信息，反映了表面腐蚀形貌的起伏变化，可以反映出腐蚀引起的腐蚀损伤度和材料表面形貌变化，因此，从材料表面腐蚀形貌图像中提取形貌特征参数，对腐蚀形貌用定量化的表述，对深入研究腐蚀规律具有重要意义。目前国内外学者应用图像处理技术在对腐蚀的研究中，测腐蚀已获得了一定的成绩。数字图像处理最早应用于点蚀的描述和评价。1981年D.ITZHHAK等用图像方法研究了AISI304不锈钢在10%FECI 50度时浸泡20 分钟产生的腐蚀图像。通过用扫描仪直接扫描腐蚀材料照片得到的图像，然后将所得的图像进行二值化处理，统计整个实验试样表面不同大小的蚀孔数，定义并定量计算试样的点蚀率。
宋诗哲、苏润西同样做了一些实验和探索，他们研究了点蚀图像采集系统建立和实验方法，建立了基于恒电位的原位图像采集系统和测试方法，设计适合于长焦距显微镜的电解池系统同时也对图像采集，得到的304不锈钢恒电位过程图像分析结果，实验表明，在蚀孔出现过程中的灰度变化与蚀孔的产生和发展有直接关系，当发生点蚀时，灰度值向小的方向移动，灰度统计直方图上出现双峰，通过分析电化学测试参数与图像信息得知点蚀发生率与反应消耗的电量之间存在相关性。
20世纪70年代，数学家MANDELBROT创立了一对大自然出现的那些破碎、凹凸、粗糙且不连续的、不光滑的形状，如屈直蜿蜒的地铁、起伏的山峰、粗糙不平的断面、变幻莫测的浮云等。而今分形理论已广泛应用到各类学科中。
分形理论的基本特征是随机性、自仿射性和自相似性。腐蚀构件表面相对它的平面的偏差可以认为是一个随机过程T（X），同时这个表面的轮廓在不同的放大倍数下能够看到不断出现的更为细致的表面结构具有自相似性，然而大部分的表面横向和纵向测量尺度不同，被放大后的倍数同样是不同的，即表现出自仿射性，因此可以将分形理论作为表征腐蚀构件表面的方法。
国内王守瑛等人将分形的概念应用在腐蚀形貌图像的特征提取上，计算得到的腐蚀图像的分形维数、广义维数、面积因子和空隙特征，并作为分析诊断系统的输入，用模糊式识别理论建立了基于图像分形特征的腐蚀形貌图像诊断系统，可以用图像的分形特征值判定金属的表面腐蚀形貌。
国内的许述剑、翁永基等人采用图像分维探究了腐蚀图像特征与表面腐蚀坑分布特征的关系，统计腐蚀试片表面测量数据表明，锈坑直径和深度分布在一定尺寸范围内遵循幂函数方程，同时，根据盒计数法原理提出计算图像二维和三维分维分别与坑直径和坑深度分布分维线性相关，并在数值上十分相近。这为根据腐蚀图像特征确定腐蚀表面坑分布规律提供了简便快捷的方法。同时根据碳钢在一些腐蚀溶液和土壤溶液中不同的腐蚀和塔里木现场腐蚀试验中不同土壤环境的腐蚀，研究表面形貌图像特征和腐蚀发展程度的关系，实验结果表明，灰度直方图峰宽盒试片平均腐蚀速度呈比较好的线性关系：图像分维和腐蚀坑分布有较好相关性，图像二维、三维分维分别比坑直径、坑深分布分维用多重分形法提取的图像特征比图像分维和腐蚀速度有更好的相关性。
小波分析是80年代后期逐渐发展起来的应用数学分支，是分析和调和，傅里叶分析，泛函分析和样条分析的完美结晶.是数学上的重大突破，成为了应用数学的阶段性的新趋势。
小破分析方法是一种时域—频域分析，介于纯频域傅里叶分析和纯时域的方波分析两者之间。同时频域和时域局部化优良的特性，随着信号的不同频率成分在时间域的疏密自动与之调节，频率低者疏，频率高者密，可达到效率高、质量高的效果。根据这一特点，可以观察图像和信号的具体细节并对其进行分析。
国内王守瑛等人用图像扫描法获取了金属实验试片的腐蚀形貌图像并用直方图均衡和滤波的方法对图像进行处理；通过小波变换对图像进行了纹理分析；把每个图像中提取的能量特征和腐蚀数据之间的相关性进行了的研究，得到了比较好的结果。
国内的许述剑、翁永基等人用扫描获得实验试样的腐蚀图像，采用二维离散小波变换对其进行三级分解，提取各子图像的L1范数、熵和平均能量作为纹理特征，并计算同级纹理特征的各向异性特征和试样腐蚀参数的相关性。实验结果表明，点蚀系数和熵的各向异性特征具有非常好的相关性。
1.3本课题的实际工作安排
2012年11-12月，理解课题要求，查阅相关资料，了解基站铁塔检测的需求，熟悉图像处理的基本原理和基本算法。
2013年1-2月，针对实际图片，设计相应的处理算法，设计和编写程序，并做好系统调试。
2013年2-3月用MATLAB仿真实现。总结工作，撰写论文
2013年4-5月，调测系统，总结工作，撰写论文。
2013年6月，完善论文，准备答辩。
第2章 系统概述
2.1 系统的流程和框架
图 2.1 系统流程图
2.2 系统开发语言
MATLAB是来自美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂。是由美国mathworks公司发布的面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并且在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLBA和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLBA的优势具有许多的优势包括:1.友好的编程环境和工作平台；2.简易的程序语言；3. 出色的图像处理功能。
2.3图像质量评估
对于图像相应的处理，我们必须考虑到图像质量的评估。而图像质量的评估常用的两种方法有：
1、通过人眼来判别。这种方法简单直接且对于一些明显的图像质量的评估适用，但是过于主观化，不利于自动化处理。
2、通过MATLAB客观的评估衡量。适用MATLAB用一些特定的数学函数对图形的图像质量进行评估。
图像的质量进行公式化的处理。虽然说不是绝对有效，但是在我们日常计算处理中显得十分方便。
通过一些用数字图像处理对图像的特征提取，这些特征能够成为图像质量评估的客观标准。
对于图像相应的处理，我们必须考虑到图像质量的评估。而图像质量的评估常用的两种方法有：
（1）、峰值信噪比（PSNR）和均方差（MSE）
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