一种基于视觉的简单混凝土裂缝动态扩展精确测量方法

《Buildings》：An Accurate Vision-Based Dynamic Propagation Measurement Method for Simple Concrete Cracks

　　

为测量基础设施缺陷检测和结构状态评估中持续服役荷载下的动态裂缝演化，研究人员提出了一种基于机器视觉的简单混凝土裂缝动态扩展高精度测量方法。首先建立动态裂缝扩展表征框架，用于对裂缝进行编号并在不同图像帧间追踪裂缝，进一步通过集成所提出的表征方法，开发了一种精确的基于视觉的简单混凝土裂缝动态扩展测量方法。随后，进行了混凝土试件的室内压缩实验，使用所提方法测量开裂过程，并计算了每条裂缝的亚像素级宽度和长度的动态变化。同时识别并记录了起裂、合并、加速和最终破坏阶段。最后，通过数字图像相关法（DIC）验证了裂缝宽度测量的精度。结果表明，所提方法能够有效记录和测量完整裂缝扩展过程，并自动计算沿骨架线每个像素的动态裂缝宽度变化以及裂缝长度变化。此外，通过裂缝扩展速度变化和裂缝编号演化树，可以有效识别起裂、扩展、合并、加速和最终破坏。验证实验表明，所提方法测得的动态裂缝宽度曲线与DIC方法测得的曲线吻合良好，均方根误差（RMSE）小于0.1 mm，决定系数（R²）大于0.96。该方法为裂缝扩展速度测量提供了一种新途径，对结构裂缝安全评估和技术状况评定至关重要。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
在基础设施缺陷检测和结构状态评估中，混凝土结构（如梁、柱、节点和路面）常因环境劣化、循环动载和材料老化而产生裂缝。连续监测裂缝对于早期结构安全预警和预防性维护至关重要。当前，裂缝长度和宽度是工程师最关注的静态参数，可通过基于视觉的裂缝检测与分割方法计算。然而，动态裂缝扩展状态（如起裂、扩展速度、合并）的识别同样重要，但现有基于视觉的方法尚无法有效测量裂缝的起裂、速度和合并过程。现有方法仅能计算单幅图像中的静态裂缝参数，无法满足结构缺陷检测中参数变化的需求。数字图像相关法（DIC）在动态裂缝扩展测量中面临裂缝表面位移不连续性的挑战，且计算复杂；水平集方法则存在计算量高、数值扩散和界面模糊等问题。因此，亟需一种能够自动追踪裂缝在不同图像帧间演化、并测量动态裂缝参数的方法。

**研究内容与结论**
为应对上述挑战，研究人员提出了一种动态裂缝扩展表征方法，用于对裂缝进行编号并在不同图像帧间追踪，进而开发了一种基于视觉的简单混凝土裂缝动态扩展精确测量方法。该方法通过室内混凝土试件（100 mm × 100 mm × 100 mm立方体）压缩实验进行验证，并采用DIC方法验证裂缝宽度测量精度。结果表明：所提方法能有效记录和测量从起裂到最终破坏的完整裂缝扩展过程，自动计算沿骨架线每个像素的裂缝宽度变化和裂缝长度变化；通过裂缝编号演化树和裂缝扩展速度，可清晰识别起裂、扩展、合并、加速和最终破坏阶段；裂缝宽度沿骨架线分布不均匀，最大宽度多位于中部，与断裂力学理论一致；裂缝宽度演化曲线存在明显的转折点，标志着裂缝加速扩展开始；早期裂缝合并发生于短裂缝之间，中后期则发生于长裂缝之间，对应宽度加速阶段。验证实验显示，所提方法测得的动态裂缝宽度曲线与DIC方法高度一致，均方根误差（RMSE）小于0.1 mm，决定系数（R²）大于0.96。该方法为结构裂缝安全评估提供了新的工具，论文发表在《Buildings》。

**关键技术方法**
研究人员主要采用了以下关键技术方法：
1. **裂缝参数计算**：基于亚像素边缘定位和中心线法提高精度，使用正交骨架法计算裂缝宽度（以骨架线某点及其相邻点拟合切线，取垂线与裂缝边缘交点的欧氏距离），使用骨架线长度法计算裂缝长度（相邻骨架线像素间欧氏距离之和）。
2. **裂缝演化表征方法**：提出集包含分析（通过判断前后帧裂缝区域是否具有子集关系来追踪同一裂缝）和裂缝编号演化树（CNET）及其简化版本（SCNET），用于追踪裂缝起裂、扩展和合并关系。
3. **实验验证**：室内压缩实验，使用WHY3000液压试验机加载至破坏，图像采集系统记录全过程（696帧，25 fps），测量分辨率约为0.096 mm/像素；采用GOM ARAMIS数字图像相关法（DIC）系统验证宽度测量精度，在初始开裂阶段选择6个监测点进行比较。

**研究结果**
**3.2 动态裂缝扩展阶段与编号演化树**
通过简化裂缝编号演化树（SCNET）分析，识别出关键裂缝阶段：0 s、1.2 s、15.4 s、23.5 s和26.8 s，并清晰标记了裂缝起裂、合并及数量不变的关系。例如，在23.5 s时，新出现裂缝编号4、5、6、8，合并裂缝编号1、2、3、7。SCNET能指示裂缝起裂和合并的关键时刻，但无法显示裂缝宽度和长度的扩展速度。

**3.3 裂缝量化与验证**
**3.3.1 裂缝宽度演化分析**
对6个监测点的裂缝宽度进行动态测量，绘制宽度演化曲线。结果显示，每条裂缝宽度随荷载或时间逐渐增长，但增长率不同（如点1从0.015 mm扩展至2.11 mm，点5从0.096 mm扩展至3.66 mm）。每条宽度演化曲线存在一个转折点（TP），标志着裂缝宽度变化加速，且各裂缝的转折点发生时间不同。通过DIC方法验证，所提方法测得的动态宽度曲线与DIC曲线高度吻合，RMSE小于0.1 mm，R²大于0.965。

**3.3.2 裂缝长度演化分析**
选择初始时刻的5条裂缝（C1~C5），绘制长度演化曲线。发现C1和C2在1.2 s时合并，合并后长度从5.59 mm和7.19 mm骤增至13.36 mm；C4和C5在8.0 s时合并，长度从10.11 mm和15.77 mm增至26.47 mm；C2和C3在15.4 s时合并，长度从16.26 mm和33.23 mm增至49.97 mm。早期裂缝合并发生在短裂缝之间，宽度增长缓慢；中后期合并发生在长裂缝之间，对应宽度加速阶段（转折点）。

**3.3.3 沿骨架线的裂缝宽度分布**
对C1~C5在初始时刻的裂缝宽度沿骨架线方向的分布进行测量，发现宽度分布不均匀，最大宽度多位于裂缝中部，最小宽度位于裂缝尖端，与真实混凝土裂缝和断裂力学理论一致。这种不均匀性由水泥和骨料（如砂、砾石）的不均匀分布导致，裂缝绕过骨料而难以穿晶扩展。该方法可测量任意时刻每条裂缝的沿骨架线宽度分布，实现全时空裂缝扩展测量。

**讨论与结论**
论文讨论部分指出，所提方法在混凝土压缩实验中表现良好，能够有效测量动态裂缝扩展，为结构裂缝稳定性分析和健康评估提供了良好工具。然而，在实际现场基础设施裂缝检测中，存在更复杂形态的裂缝（如交叉裂缝或网状裂缝），裂缝宽度和长度的量化面临更多挑战，需要进一步研究。
**研究结论**（翻译自原文）：
(1) 所提出的动态裂缝扩展表征方法，结合集包含分析和裂缝编号演化树，能够有效追踪图像序列中的裂缝数量，并清晰识别裂缝起裂、扩展和合并阶段。
(2) 所提出的基于视觉的简单混凝土裂缝动态扩展精确测量方法在混凝土压缩实验中表现良好，通过裂缝编号演化树和每条裂缝的宽度与长度扩展速度，可精确识别从起裂到最终破坏的开裂过程。
(3) 可自动测量任意时刻所有裂缝沿骨架线的裂缝宽度，该方法能够轻松实现全时空裂缝扩展测量。
(4) 室内实验结果表明，早期开裂阶段裂缝合并发生在短裂缝之间，裂缝宽度增长缓慢；中晚期阶段合并发生在长裂缝之间。此外，裂缝宽度变化曲线存在明显的转折点，此后裂缝扩展速度开始加速直至快速崩溃。实验数据与传统断裂力学理论和物理直觉高度一致，该方法有助于裂缝测量及裂缝规律揭示。
(5) 所计算的动态裂缝宽度曲线与DIC方法获得的结果高度吻合，均方根误差（RMSE）小于0.1 mm，决定系数（R²）大于0.96。