基于主动生长的断裂裂缝块的连接方法
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フ 要:针对沥青路面裂缝图像分割成二值图像后，存在虚假信息和边缘断点的问题，提出一种基于主动生长的断裂裂缝块的连接方法。该方法依据噪声呈孤立圈状，裂缝呈线性的特征去除虚假噪声信息；并采用区域填充法将裂缝轮廓内部空隙填充，使裂缝呈现块状；然后采用主动生长法进行断裂裂缝块的连接。实验表明，该算法在去除噪声的情况下，较好实现了断裂裂缝块的连接，有利于后续的图像测量、评估等处理。
ス丶词:孤立噪声；区域填充；主动生长；裂缝块连接；沥青路面
ブ型挤掷嗪: TP391.41 文献标志码:A
Abstract: In order to deal with the problem of false information and edge breakpoint about binary image of asphalt pavement crack image segmentation, a new method of discontinuity crack block linking was developed based on autonomous edge growing. This method removed false information according to the characteristics of circular noise and linearly cracks, and filled interstice by using method of region filling, thereby accomplished linking of discontinuity crack block based on autonomous edge growing. The experimental results show that the algorithm has excellent performance in edge linking of discontinuity crack block in different cases, and the noises can be removed at the same time, which is in favor of subsequent image processing such as image measurement and evaluating.
Key words: isolated noise; region filling; autonomous growing; crack block linking; asphalt pavement
0 引言
边缘检测是图像分割的重要方法，边缘检测的质量如何决定了后续工作的开展。沥青路面裂缝图像中往往由于噪声、不均匀光照和裂缝信息弱小等因素的影响使得检测到的裂缝边缘不够理想，边缘出现不连续的间断，而且引入了一些虚假噪声信息［1-2］。因此，如何用后处理的方法进行裂缝边缘连接以及去除虚假噪声信息就显得十分重要。
边缘连接是把孤立的边缘连接成连续曲线的过程。通常的边缘连接方法有启发式搜索、曲线拟合、Hough 变换等［3-5］，它们的基本思想是基于像素之间有一定的相似性，但是这些基于像素的边缘连接算法都存在一个共同的问题，就是在搜索形状复杂且存在大量噪声的边缘图像时，容易出现错误的连接，并且连接速度较慢，效率不高。这主要是因为每个像素的相邻像素有8个， 由于裂缝本身的成因和特点, 某些边缘梯度的幅度和方向可能会出现较大的差异，导致搜索后续像素的方向规则复杂且难以满足千差万别的实际情况［6-7］。
基于上述原因，结合沥青路面裂缝图像边缘检测后的二值图像的特征，本文不使用边缘像素点而使用边缘检测后得到的不连续裂缝块进行连接。考虑到实际图像中，裂缝边缘之间都有一定的关联关系，即根据裂缝边缘的走向可以预测边缘，从而实现断裂边缘的连接。本文结合数学形态学的膨胀和闭操作，提出了一种基于主动生长的断裂裂缝块的连接方法。
1 边缘检测后二值路面裂缝图像特征分析
由于沥青路面裂缝图像的复杂性，在边缘检测结果中不可避免地会有边缘断点和虚假裂缝的存在，需要做进一步的处理，否则将影响最后对路面的综合评估。通过对大量沥青路面裂缝图像检测结果进行分析，发现边缘检测后的二值路面裂缝图像具有如下特征：1)虚假信息表现为孤立的小圈，裂缝呈现一定的线性特征，且具有一定的长度；2)一条路面裂缝一般都由两条阶跃型边缘构成，即一条裂缝是由两条边缘构成的；3)裂缝边缘在狭窄处或边缘两侧区域的灰度值过于相近处断裂，且边缘轮廓在此处封闭［8-9］。基于这些特征，本文先对二值路面裂缝图像进行孤立噪声的消除，并将裂缝边缘内部空隙填充，使裂缝呈现块状，然后采用主动生长法将断裂的裂缝块连接。
2 裂缝块的形成
2.1 去除孤立噪声
依据检测图像结果，噪声多表现为孤立状态，本文采用长线段与二值化结果图进行与操作和判断黑色像素所占比例法［10］，可以有效去除孤立点，步骤如下：
1)用3个像素长的线段，分别从0°，45°，90°，135°四个方向对二值化图进行与操作，如果在任意一个方向的值为1，就将该区域的值保留，否则认为是背景值为0。
2)判断3×3邻域内，黑色像素所占比例，低于设定值，认为是噪声，并将其去除，否则保留。
2.2 区域填充
对沥青路面裂缝图像进行边缘检测后，提取出的裂缝中间有空隙，通常采取形态学的区域填充法来弥合这些空隙。本文采用的方法是以集合膨胀、求补和交集为基础的。设A表示一个包含子集的集合，其子集的元素是区域的8连通边界点。目的是从边界内的一个点P开始，用“1”填充整个区域［11-12］。オ
步骤1 将所有的非边界点标记为0；
步骤2 首先从P点开始，令P=1，则fk=(fk-1B)∩，其中k=1,2,3,…，f0=p，B是对称的结构元素，是A的补集。通过每一次膨胀都和相交，就把结果限制在了感兴趣的区域内。オ
步骤3 如果fk=fk-1，结束循环，则fk和A的并集包含被填充的集合和它的边界。オ
其原理如图1所示。
3 裂缝块的连接
整体思想描述如下:
1)将所有连通裂缝块视为一个裂缝目标，并将所有裂缝块标记为候选裂缝块。
2)起始块的选择。从图像左上角开始，依次向下由左至右搜索裂缝块，将第一个裂缝块作为起始裂缝块。
3)候选裂缝块的选择。以当前裂缝块所处图像的最右端像素点M为基点，搜索其余候选裂缝块，当搜到离M点最近的像素点N时，它所属块即为候选裂缝块。オ
4)连接。①丢失的边缘是与图中裂缝块的端点相连接的，即起始裂缝块最右端的端点M就是断裂线段开始的位置，候选裂缝块最左端的端点N就是断裂线段的结束位置。②丢失线段的方向取决于相连两个裂缝块端点M和N点所在直线的方向。オ
3.1 生长操作
数学形态学中的膨胀操作，可以实现图像中断裂处的连接，先膨胀后腐蚀的闭操作可以消除间隙，填补轮廓线的断裂且使对象的轮廓变得光滑。但对于沥青路面裂缝图像的边缘图，基本的膨胀和闭操作不适合，因为膨胀和闭操作都是在固定点沿所有方向进行多次膨胀操作，而使原来的边缘变宽，若膨胀有限则不能达到断裂处连接的效果。因此本文提出一种在起始裂缝块端点开始，并沿起始裂缝块和候选裂缝块端点所在直线方向进行膨胀的方法，该方法称为生长。