姚国文，陈雪松，钟 力

(1. 重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆400074；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆400074；3.重庆市万州区城建工程管理处，重庆404100)

基于灰度图像的锈蚀拉索状况评定方法研究

姚国文1,2，陈雪松2，钟 力3

(1. 重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地，重庆400074；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆400074；3.重庆市万州区城建工程管理处，重庆404100)

对于评定斜拉桥锈蚀拉索的技术状况，目前缺乏一种定量化的技术标准。针对不同锈蚀程度的平行钢丝拉索，提出了基于表层图像灰度分析的定量化技术状况评定方法，并应用MATLAB软件，对V级钢丝图像进行灰度分析，建立了锈蚀钢丝的灰度及锈蚀比评定标准。该评定标准为斜拉桥锈蚀拉索的技术状况评定提供了依据。

桥梁工程;锈蚀拉索；灰度分析；锈蚀等级；评定方法

钢丝的锈蚀是影响拉索寿命的主要因素之一，为此，国内外专家做了大量关于拉索腐蚀的试验与研究。由于试验的环境以及条件不同，钢丝在腐蚀的过程中会经历几个阶段的损伤演化。

以往国内对钢丝锈蚀的等级是根据JTGT H21-2011《公路桥梁技术状况评定标准》中对拉索腐蚀程度的V级定性描述来确定的。根据该描述，通过加速盐雾试验，得到不同锈蚀程度的钢丝，将试验结果对应规范分为Ⅴ级，制定各级腐蚀对应的腐蚀图例。并应用MATLAB软件，对各级腐蚀后的图片进行灰度分析和锈蚀比的统计，制定基于表层图像分析的锈蚀拉索技术状况评定方法的标准，给出基于表层图像分析锈蚀钢丝的评定流程。

1 灰度图像处理

1.1 制定腐蚀图例

为给评定钢丝锈蚀损伤程度的研究提供材料基础，需通过酸性盐雾环境对常用强度级别为1 860 MPa，屈服强度1 660 MPa，直径φ5.2 mm的镀锌高强度钢丝进行加速腐蚀试验[1]，来制作不同腐蚀等级的镀锌钢丝样本。

试验分批对钢丝进行不同时间的腐蚀，并根据规范对钢丝腐蚀等级的定性描述，制定如下Ⅴ级标识图例(图1)[2-3]。

图1 锈蚀钢丝5级图例Fig.1 Corrosion cable V-grade legend

1.2 处理方法

灰度图像(gray image)是每个像素只有一个采样颜色的图像，这种图像可以将最暗黑色到最亮的白色的灰度显示出来，理论上这是一种可以通过不同深浅表示任何颜色，甚至不同亮度的图像[4]。

应用MATLAB软件，对Ⅰ～Ⅴ级腐蚀后的钢丝做灰度分析[5-6]。取单根钢丝为分析对象，分析前先对图像进行消噪预处理，再将钢丝以外的背景部分用Photoshop处理为白色。通过灰白直方图来分析各级钢丝的锈蚀程度，并以直方图中的灰度级的分布情况，来说明图像灰度分布的图形，并分析钢丝锈蚀状况。直方图的每一个分支表示对应灰度级出现的频数(处于该灰度级的像素的数目)间的统计关系，用横坐标表示灰度级，纵坐标表示灰度频数(或相对频数=频数/总像素数目)[7]。

2 各级钢丝灰度分析

2.1 锈蚀比

对已被锈蚀的钢丝的锈蚀程度进行量化处理，即计算钢丝的锈蚀比，它反映了一根钢丝锈蚀面在整根钢丝中所占的比例。在Photoshop软件中，打开已转化为灰度图像的某级单根钢丝，选择魔棒工具并将容差定为50[2]，选择锈蚀颜色区域，读出该区域的像素，其与整跟钢丝图像像素的比值即为锈蚀比[8]。每级钢丝取4根，计算Ⅱ～Ⅴ级钢丝的锈蚀比。

2.2 灰度分析

通过对锈蚀钢丝灰度图像的分析，得到如下Ⅰ～Ⅴ级钢丝的锈蚀比如表1～表5，并应用MATLAB，得到横坐标表示灰度级，纵坐标表示频数(或相对频数=频数/总像素数目)的灰度直方图如图2～图6。

表1 I级钢丝灰度分析及锈蚀比Table 1 I-grade cable gray scale analysis and corrosion ratio

如图2，通过Ⅰ级钢丝灰白直方图，可以看出钢丝灰度范围集中，标准差小，符合实际情况下无锈蚀钢丝的表层图像。可以此作为Ⅱ～Ⅴ级钢丝灰白直方图的比对对象。

图2 Ⅰ级钢丝灰白直方图Fig.2 Ⅰ-grade cable gray histogram表2 Ⅱ级钢丝灰度分析及锈蚀比Table 2 Ⅱ-grade cable gray scale analysis and corrosion ratio

腐蚀等级原图灰度图像灰度均值b灰度标准差s锈蚀比k/%Ⅱ级168.8842.8110168.1837.210173.0343.4916160.1541.235

如图3，Ⅱ级钢丝的灰度直方图与Ⅰ级钢丝相比，由于此时钢丝上存在部分白锈，导致直方图灰度级范围扩大，标准差明显增大，且灰度峰值出现在灰度级较大区域。

图3 Ⅱ级钢丝灰白直方图Fig.3 Ⅱ-grade cable gray histogram表3 Ⅲ级钢丝灰度分析及锈蚀比Table 3 Ⅲ-grade cable gray scale analysis and corrosion ratio

腐蚀等级原图灰度图像灰度均值b灰度标准差s锈蚀比k/%Ⅲ级157.4354.1125158.5660.6027118.1051.3729194.9248.4721

如图4，对于Ⅲ级钢丝，由于腐蚀范围逐渐扩大，表面镀锌层已被腐蚀，钢丝内部腐蚀介质的进入导致出现锈蚀，此时直方图灰度范围持续扩大，且各灰度级分布均匀。

图4 Ⅲ级钢丝灰白直方图Fig.4 Ⅲ-grade cable gray histogram表4 Ⅳ级钢丝灰度分析及锈蚀比Table 4 Ⅳ-grade cable gray scale analysis and corrosion ratio

腐蚀等级原图灰度图像灰度均值b灰度标准差s锈蚀比k/%Ⅳ级133.4553.8848124.4956.4249120.0856.0251116.0152.6651

如图5，根据Ⅳ级钢丝灰度直方图，可以看出此时灰度峰值出现在灰度级50～100范围内，离散有减小趋势，但各级灰度值都还有所分布。

图5 Ⅳ级钢丝灰白直方图Fig.5 Ⅳ-grade cable gray histogram表5 Ⅴ级钢丝灰度分析及锈蚀比Table 5 Ⅴ-grade cable gray scale analysis and corrosion ratio

腐蚀等级原图灰度图像灰度均值b灰度标准差s锈蚀比k/%V级115.1737.468798.0748.897586.4146.688066.9342.9283

如图6，此级别钢丝灰度集中，相较Ⅰ级钢丝而言，两者灰度直方图形状相似。此时钢丝全面锈蚀，灰度级集中于50～100范围，是各级钢丝中灰度值最小的。

图6 Ⅴ级钢丝灰白直方图Fig.6 Ⅴ-grade cable gray histogram

2.3 基于灰度图像的评定标准

根据样本钢丝灰度分析的结果，将其灰度均值和灰度标准差定为变量，得到样本中各级钢丝的分级图，如图7。

图7 锈蚀灰度图像分级Fig.7 Grade of corrosion cable in gray image

从各级锈蚀比看出，随着腐蚀程度加深，锈蚀比增加显著，各级差异较大，但离散性小。根据表1～表5，试验所得钢丝在灰度分析后的锈蚀比，对各级钢丝进行定量化描述，结果见表6。

表6 试验所得V级钢丝锈蚀比Table 6 The corrosion ratio of V-grad cable in experiment

3 结 语

对于I级钢丝，由于规范定义为钢丝完好，没有任何形式的锈蚀，其灰度范围必然较为集中，离散型差，故灰度标准差是5个级别中最小的；从灰白直方图可以看出，Ⅱ级钢丝的峰值较集中，此时存在大量白锈，故其灰度值是最大的；对于Ⅲ级钢丝，此时的钢丝镀锌层已被锈蚀，部分腐蚀介质进入钢丝内部，导致铁锈与白锈同时存在，故该级钢丝的灰度值离散型大，分布较均匀；对于Ⅳ级钢丝，此时钢丝表面已覆盖大量锈蚀痕迹，灰度值明显减小，但部分白锈的存在，使该级钢丝离散型偏大；对于V级钢丝，由于钢丝几乎全部锈蚀，从灰白直方图可见，大部分的灰度值都位于50～100范围内，故该级钢丝的灰度值是V级中最小的。

就灰白直方图来说，前3级直方图上数据形状的重心普遍靠后，而第Ⅳ级和Ⅴ级的重心普遍靠前。从各级钢丝灰白直方图整体变化规律来看，灰度峰值首先集中于100～150范围；当白锈的出现，导致峰值向150～200范围移动；当镀锌层被腐蚀钢丝内部暴露，致使红锈出现灰度离散逐渐扩大，此时各级灰度分布均匀；随着锈蚀的深入，钢丝全面锈蚀，灰度峰值最终向50～100范围移动。

在对腐蚀钢丝进行图像灰度分析时，需对灰度值、灰度标准差、锈蚀比以及灰白直方图几者综合起来分析，且当分析对象为单根钢丝时，结果最为准确。对于自然环境下的腐蚀拉索，还需根据图像灰度分析结果，适当调整标准界限值。另外拉索锈蚀状况还与锈蚀深度有关，后续研究可以与磁通量测试锈蚀进行对比分析。

[1] 徐俊，陈惟珍，刘学. 斜拉索退化机理及钢丝力学模型[J].同济大学学报(自然科学版),2008,36(7):911-915. XU Jun，CHEN Weizhen，LIU Xue. Deterioration mechanism of cables and mechanics model of wire[J].JournalofTongjiUniversity(NaturalScience),2008,36(7):911-915.

[2] 钟力. 斜拉索腐蚀损伤与安全性能评定方法研究[D]. 重庆：重庆交通大学，2013. ZHONG Li.DamageandSafetyPerformanceEvaluationoftheCable-StayedCorrosion[D]. Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2013.

[3] 叶觉明，钟建驰.桥梁缆索系统的腐蚀与防护[J].钢结构，2005，2(20)：85-89. YE Jueming,ZHONG Jianchi.Corrosion and protection of beidge cable systens[J].SteelConstruction,2005,2(20):85-89.

[4] 贺付亮. 基于图像识别的桥梁拉索表面缺陷检测系统设计[D].重庆：重庆大学, 2006. HE Fuliang.TheDetectionSystemforBridgeCableSurfaceDamageBasedonImageRecognition[D].Chongqing：Chongqing University,2006.

[5] 包宋建，许艳英，陈帅华，等. MATLAB语言在数字图像处理中的应用[J].工业控制计算机,2011(6):37-39. BAO Songjian，XU Yanying，CHEN Shuaihua，et al.Application of MATLAB in digital image processing[J].IndustrialControlComputer,2011(6):37-39.

[6] 刘益新，郭依正.灰度值方图特征提取Matlab实现[J].电脑知识与技术,2009(32):32-34. LIU Yixin,GUO Yizheng.Gray-scale histograns feature extraction using matlab[J].ComputerKnowledgeandTechnology,2009(32):32-34.

[7] 尚鑫，徐岳. 基于灰色理论的斜拉桥拉索安全性评价[J].长安大学学报(自然科学版),2004,24(1):52-55. SHANG Xin，XU Yue. Safety based cables condition evaluation of cable stayed bridge with grey theory[J].JournalofChang’anUniversity(NaturalScienceEdition),2004,24(1):52-55.

[8] 伊文博.图像处理技术在表征腐蚀钢结构表面特征中的应用[D].西安：西安建筑科技大学,2011. YI Wenbo.ImageProcessingTechnologyintheCharacterizationofSurfaceFeaturesofCorrosionofSteel[D].Xi’an:Xi’an University of Architecture and Technology,2011.

Study on Corroded Cable Evaluation Based on Gray Image Analysis

YAO Guowen1,2，CHEN Xuesong2，ZHONG Li3

(1. State Key Laboratory Breeding Base of Mountain Bridge and Tunnel Engineering ,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P.R.China; 2.School of Civil Engineering ,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P.R.China;3.Management Department of Urban Construction of Wanzhou District , Chongqing 404100,P.R.China)

Currently a quantitative technical standard is in short to assess the technical conditions of corroded stays of cable-stayed bridge.For the purpose of the different corrosion degree of parallel cables a quantitative evaluation method based on surface image gray scale was provided to analyze the condition of corrosion cables and MATLAB software was applied to analyze gray scale of V-grade steel and finally a criteria for gray scale and corrosion ratio evaluation of rusty cables was created. This given criteria provides a basis for the assessment of technical condition assessment of corrosion cable in cable-stayed bridge.

bridge engineering;corrosion cable；gray scale analysis；corrosion degree；evaluation method

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.03

2014-11-20；

2015-03-15

国家自然科学基金项目(51478071)；交通运输部建设科技项目( 2015318814190)；重庆市基础与前沿研究计划重点项目(cstc2015jcyjBX0022)

姚国文(1974—)，男，山东潍坊人，教授，博士后，主要从事桥梁损伤机理、桥梁检测与加固技术方面的研究。E-mail：yaoguowen@sina.com。

U446.1

A

1674-0696(2016)04-010-03