一种基于机器视觉的泛碱检测方法及便携式检测装置

本发明涉及建筑材料检测，具体是一种基于机器视觉的泛碱检测方法，以及应用这种泛碱检测方法的便携式检测装置。

背景技术：

1、泛碱发生在黏土材料或水泥基建筑材料表面，由于材料内部金属碱离子随水分蒸发在建材表面析出而呈白色粉末状，其与建材原有颜色外观差异较大从而影响建筑美观。

2、对于建筑物发生的泛碱研究，传统方法是在实验室中让建筑材料在适宜条件下发生泛碱，但是对于结果评价更多还停留在定性阶段，受主观影响较大。例如规范《砌墙砖试验方法》gb/t 2542-2012中，针对烧结砖泛碱检测，规定通过肉眼观察并根据“六米可视原则”将泛碱划分为四个等级。规范《墙体饰面砂浆》jc/t1024-2019中，针对墙体饰面砂浆，同样规定通过肉眼观察，记录试件表面有无可见泛碱痕迹、是否掉粉。

3、而现有实现定量检测的方法，主要存在以下两方面弊端：

4、（1）、不能得到广泛适用，例如当前集成式的检测箱，作为标准的土木工程实验室虽然已经具备按规范检测的实验条件，但其也会占用更大的空间，且适用性和经济学较低。

5、（2）、智能化程度低而且比较耗费人力和时间，例如现有泛碱公式中的系数通过人工统计后计算，且计算公式仅考虑了平面上的泛碱程度，不够准确与科学。

6、因此，如何实现准确地定量化描述建筑材料的泛碱程度，是目前建筑材料检测领域中亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为了避免和克服现有技术中难以准确地定量化描述建筑材料的泛碱程度的技术问题，本发明提供了一种基于机器视觉的泛碱检测方法及便携式检测装置。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明公开一种基于机器视觉的泛碱检测方法，包括以下步骤：

4、s1.采集同一类建筑材料 m的多个试块的泛碱样本图像；

5、s2.获取每张泛碱样本图像的灰度分布直方图，利用高斯混合模型对灰度分布直方图进行拟合，得到用于表征灰度与像素点数映射关系的图像灰度分布拟合曲线，从而求解图像灰度分布拟合曲线的极值点；

6、s3.划分出每条图像灰度分布拟合曲线的多个标准区间，并计算每个标准区间对应的泛碱厚度系数；其中，标准区间由图像灰度分布拟合曲线的极小值点确定，泛碱厚度系数由相应标准区间中的极大值确定；

7、s4.统计所有泛碱样本图像对应的泛碱厚度系数 h， h∈[0,1]，形成泛碱厚度系数分布直方图；

8、s5.利用高斯混合模型对泛碱厚度系数分布直方图进行拟合，得到与建筑材料 m对应的泛碱厚度系数分布拟合曲线，用于表征泛碱厚度系数与出现次数的映射关系，并求解泛碱厚度系数分布拟合曲线的极大值点；

9、s6.获取同属于建筑材料 m的待测构件图像的灰度分布直方图，从而采用以下公式计算出待测构件的泛碱指数 f：

10、

11、式中， k为待测构件图像采集时的图像放缩系数； i=1,2,…, v； v为泛碱厚度系数分布拟合曲线中的极大值个数 w与起点、终点个数之和，即 v= w+2； h i为第 i个泛碱厚度系数，且 h1=0， h v =1； h max=max{ h1, h2,…, h v}； p0为待测构件图像的像素点总数；其中，将待测构件图像的灰度分布直方图的灰度范围[0,255]等分为 v个区间， p i为第 i个区间涵盖的所有像素点总数。

12、作为上述方案的进一步改进，步骤s3中，在每条图像灰度分布拟合曲线中，定义有n个极大值点和m个极小值点，沿灰度值递增方向的第一个极大值点和第一个极小值点分别为xb1和xs1；结合n与m的大小关系以及xb1与xs1的分布特征，分别作出如下决策：

13、当n=m且xs1＜xb1时，图像灰度分布拟合曲线的各标准区间依次为[0,xs1),[xs1,xs2),[xs2,xs3),…,[xs(m-1),xsm),[xsm,255]，各标准区间对应的代表灰度值依次为0,xb1,xb2,…,xb(n-1),xbn，各标准区间的泛碱厚度系数依次为；

14、当n=m且xs1＞xb1时，图像灰度分布拟合曲线的各标准区间依次为[0,xs1),[xs1,xs2),[xs2,xs3),…,[xs(m-1),xsm),[xsm,255]，各标准区间对应的代表灰度值依次为xb1,xb2,xb3,…,xbn,255，各标准区间的泛碱厚度系数依次为；

15、当n＞m时，图像灰度分布拟合曲线的各标准区间依次为[0,xs1),[xs1,xs2),[xs2,xs3),…,[xs(m-1),xsm),[xsm,255]，各标准区间对应的代表灰度值依次为xb1,xb2,xb3,…,xb(n-1),xbn，各标准区间的泛碱厚度系数依次为；

16、当n＜m时，图像灰度分布拟合曲线的各标准区间依次为[0,xs1),[xs1,xs2),[xs2,xs3),……,[xs(m-1),xsm),[xsm,255]，各标准区间对应的代表灰度值依次为0,xb1,xb2,…,xbn,255，各标准区间的泛碱厚度系数依次为。

17、作为上述方案的进一步改进，步骤s1中，还对采集到的泛碱样本图像进行标注，具体过程如下：

18、使用标注工具标注试块类型，生成对应的xml标注文件数据；

19、将生成的xml标注文件数据与泛碱样本图像进行链接处理，使xml标注文件数据与泛碱样本图像一一对应。

20、作为上述方案的进一步改进，步骤s2中，将采集的彩色泛碱样本图像通过加权平均进行灰度化处理，然后调用matplotlib库中的hist函数绘制泛碱样本图像的灰度分布直方图。

21、作为上述方案的进一步改进，步骤s6中，参照步骤s2的方式对所述待测构件图像进行灰度处理，随后还对所述待测构件图像进行以下预处理步骤：

22、对所述待测构件图像进行高斯滤波平滑处理，从而去除图像中的噪声；

23、对所述待测构件图像依次进行透视变换处理和旋转变换处理，从而纠正待测构件图像在采集时因面外偏转和面内偏转造成的误差。

24、本发明还公开一种用于泛碱检测的便携式检测装置，应用上述基于机器视觉的泛碱检测方法。

25、其中，所述便携式检测装置预先存储有至少一类建筑材料相关的泛碱厚度系数分布拟合曲线以及每类曲线上的极大值点；所述便携式检测装置用于采集待测构件的图像，并获取待测构件图像的灰度分布直方图，从而计算出待测构件的泛碱指数 f；其中，待测构件的建筑材料属于所述便携式检测装置预先存储的建筑材料类型。

26、作为上述方案的进一步改进，便携式检测装置包括：图像采集模块、数据处理模块以及交互端模块；图像采集模块用于采集待测构件图像；数据处理模块用于根据待测构件图像计算出待测构件的泛碱指数，并记录检测结果；交互端模块用于显示当前工作状态、检测结果以及待测构件图像，还用于在每次检测完成后发出蜂鸣提示。

27、作为上述方案的进一步改进，所述便携式检测装置采用便于抓握的相机型结构。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

29、1、本发明公开的基于机器视觉的泛碱检测方法，利用同种建筑材料的大量泛碱图像样本数据进行训练，得到与材料泛碱厚度系数分布特性相关的参数，从而将参数结合构件实测图像的灰度分布结果，代入泛碱指数计算公式，实现三维化的泛碱程度定量描述，与现有统计的计算方式相比，计算结果更加准确。

30、2、本发明调整了基于机器视觉的图像处理逻辑顺序，将迭代升级与实践工作分开，前期材料泛碱厚度系数分布特性相关的参数获取过程可以在计算机等算力较高的设备或终端上进行，后期实际采集到待测构件的图像时仅需代入公式进行泛碱指数的计算，有效减少了检测方法对于便携式设备计算和储存的需求。

31、3、本发明的检测方法既可以实现较为准确的泛碱定量描述，同时相较于现有算法，未直接对拟合后的灰度图曲线进行积分，而采用合理的灰度区间划分，通过有限个灰度区间内像素点数量的累加，用于后续计算，可以实现有效节省算力的有益效果，并可以较为精确地描述泛碱程度。

32、4、本发明公开的基于机器视觉的泛碱检测方法属于非接触式的无损监测，仅通过图像采集（相机拍摄）的方式就可以进行泛碱定量检测，对泛碱试块或墙体等构件无损伤，不破坏泛碱物，有利于泛碱物的长期检测与研究。

33、5、本发明公开的用于泛碱检测的便携式检测装置，其通过预先存储多种建筑材料相关的计算参数，在采集到符合种类名录的待测构件的图像后，仅需对图像进行简单处理得到灰度分布直方图，便可与计算参数一同代入泛碱指数计算公式，计算结果准确而且算力要求较小，适合配置成便于抓握的相机型结构，使用方便且经济实用。