Mô hình ước lượng chiều dài và bề rộng vết nứt đơn trên mặt đường bê tông nhựa dựa vào ảnh hai chiều được đề xuất. Ảnh chứa vết nứt có thể được trích lọc từ đoạn video thu hình hiện trạng bề mặt của một tuyến đường hiện hữu. Hình ảnh lấy được từ Quốc lộ 57 đã được dùng để kiểm chứng mô hình. Kết quả so sánh, giữa trị thực đo và ước lượng, cho thấy tính khả thi của mô hình đề xuất.
XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC VẾT NỨT TRÊN MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA TỪ ẢNH 2D DETERMINATION OF SIZE OF CRACKING ON ASPHALTIC PAVEMENT SURFACE BASED ON 2D IMAGES TS Lê Anh Thắng, Ks Nguyễn Hải Dương TÓM TẮT Mô hình ước lượng chiều dài bề rộng vết nứt đơn mặt đường bê tông nhựa dựa vào ảnh hai chiều đề xuất Ảnh chứa vết nứt trích lọc từ đoạn video thu hình trạng bề mặt tuyến đường hữu Hình ảnh lấy từ Quốc lộ 57 dùng để kiểm chứng mô hình Kết so sánh, trị thực đo ước lượng, cho thấy tính khả thi mô hình đề xuất ABSTRACT A model estimates the length and width of cracking on asphalt pavement surface based on two-dimensional image was proposed Images of cracking can be extracted from video recording the current state of the road surface Images taken from Highway No 57 has been used to verify the model Results comparisons between measured and estimated values showed the feasibility of the proposed model TS Lê Anh Thắng Giảng viên, Khoa Kỹ Xây Dựng & CHƯD, Trường Đ ại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Email: leanhthang@gmail.com Điện thoại: 0938308076 Ks Nguyễn Hải Dương Học viên cao học, Khoa kỹ thuật Xây dựng, Trường Đ ại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM Email: haiduongdj@gmail.com Điện thoại: 0904500078 Giới thiệu Sự tăng trưởng nhanh kinh tế năm gần kéo theo tăng nhanh lưu lượng tải trọng hệ thống đường ô-tô Điều kéo theo xuất nhiều dạng hư hỏng bề mặt đường Để đảm bảo mặt đường điều kiện hoạt động tốt nhất, việc bảo dưỡng sửa chữa kết cấu mặt đường việc phải thực thường xuyên định kỳ Nó chiếm phần lớn tổng chi ngân sách hàng năm phục vụ cho phát triển hạ tầng giao thông Xây dựng phương pháp đánh giá hư hỏng mặt đường, dựa công nghệ đại, công việc đặt cho nhà nghiên cứu nước Một dạng hư hỏng phổ biến bê tông nhựa nứt Nếu không sửa chữa sớm, vết nứt nhanh chóng phát triển xuyên qua toàn chiều dày bê tông nhựa Khi vết nứt xuyên qua toàn lớp bê tông nhựa, nước mưa dễ dàng len lõi qua khe nứt để xuống lớp kết cấu bên dưới, làm giảm yếu lớp kết cấu Khi đó, kết cấu áo đường bị xuống cấp nhanh chóng Hiện Việt Nam việc đánh giá vết nứt mặt đường chủ yếu dựa vào kinh nghiệm cảm tính người khảo sát Thông thường, người ta kiểm tra mặt đường mắt đánh giá dựa kinh nghiệm Phương pháp bộc lộ số nhược điểm sau: - Nó nguy hiểm, người khảo sát phải nhìn vết nứt đường xe cộ lưu thông - Mất nhiều thời gian để xem xét đánh giá mặt đường - Công việc tốn chi phí cao cần nhân công kỹ sư có kinh nghiệm - Vẫn khác biệt lớn thực tế kết đánh giá, khó hạn chế tính chủ quan trình đánh giá Từ lý trên, cách xác định kích thước vết nứt tuyến đường khai thác cần đề xuất Phương pháp đề xuất cần phải đảm bảo yếu tố an toàn, khách quan, khả thi Phương pháp xử lý ảnh chụp hai chiều để xác định chiều dài bề rộng miệng khe nứt nội dung báo Bởi vì, phương pháp đáp ứng hầu hết yêu cầu kể Thu thập ảnh Camera đặt vuông góc so với mặt đường, khoảng cách từ camera đến mặt đường 1.35m Các thông số giữ cố định suốt trình quay video Sau dùng chương trình xuất video qua ảnh, ta có ảnh hai chiều (2D) kích thước 864x720 Độ phân giải ảnh theo chiều ngang chiều dọc 72dpi Ảnh vết nứt thu thập Quốc lộ 57, tuyến đường nối liền hai tỉnh Vĩnh Long Bến Tre Vận tốc di chuyển để lấy ảnh vận tốc người bình thường Những hình ảnh thu thập tuyến đường dùng để kiểm chứng cho mô hình xử lý ảnh trình bày Mô hình xác định kích thước vết nứt từ ảnh hai chiều Việc chọn lựa bước xử lý thứ tự bước xử lý ảnh phụ thuộc vào dạng toán cụ thể Người ta thường vào đặc điểm cụ thể lớp toán để đưa giải pháp Phương pháp xác định chiều dài bề rộng miệng vết nứt bề mặt đường nhựa trình bày tóm tắt lưu đồ đây, Hình Video Trích xuất vùng chứa vết nứt Ảnh xám Nhị phân hóa Khử nhiễu Phân đoạn vùng nứt Tính chiều dài & bề rộng vết nứt phân đoạn Kết Hình Sơ đồ nguyên lý chung để xác định chiều dài bề rộng vết nứt từ ảnh chụp chúng Trang Chiều mũi tên thể trình tự thực bước xử lý Nội dung thực bước trình bày mục Vì tính phức tạp đa dạng vết nứt mặt đường, báo tập trung vào dạng nứt Đó dạng nứt đơn nằm trọn vẹn khung ảnh Lưu ý rằng, ghép nhiều khung ảnh với nhau, ta có ảnh trọn vẹn dạng nứt Nứt đơn dạng nứt gặp hầu hết tuyến đường Vết nứt loại nằm dọc theo trục đường, chạy ngang xiên so với trục đường 3.1 Nhị phân hóa kết hợp k-Nearest Neighbours Nhị phân hóa [1] sử dụng để tách đối tượng quan tâm khỏi ảnh Sự phân tách dựa khác biệt giá trị mức xám điểm ảnh thuộc đối tượng quan tâm mức xám điểm ảnh Cho ảnh I, sau nhị phân hóa với ngưỡng k ta có: (1) Phương pháp k-Nearest Neighbours (kNN) [2] sử dụng, kết hợp, để phân ngưỡng Đây phương pháp sử dụng mức xám điểm lân cận để định phân ngưỡng điểm xét Cho P = (x,y) tọa độ điểm ảnh xét ảnh xám I Ta xét điểm ảnh lân cận P theo tám hướng, điểm ảnh thuộc ô vuông có tâm P cạnh k (k= 7) Ô vuông gọi mặt nạ vuông ma trận biểu diễn vùng Giả sử ta có ảnh mặt nạ vuông với tâm điểm P(x, y) Ta thực phân ngưỡng nhị phân với ngưỡng cho điểm nằm mặt nạ, chưa xét đến tâm (2) Việc phân ngưỡng giống phân loại điểm liệu vào hai lớp với mức xám Tâm nhận mức xám hay dựa vào phân ngưỡng điểm lân cận (3) Ta có: (4) Hình Thu thập ảnh vết nứt Nếu loại bỏ vùng nhiễu có diện tích nhỏ, ta có ảnh vết nứt, vùng cần quan tâm, Hình Phân ngưỡng theo diện tích sử dụng để loại bỏ vùng nhiễu Trước đó, vùng liên thông ảnh cần xác lập gán nhãn để tránh loại bỏ nhầm ảnh vết nứt vùng quan tâm Để tìm vùng liên thông ảnh, ta thực đánh dấu vùng liên thông nhãn số có thứ tự tăng dần vùng liên thông có mức xám 1, vùng màu trắng, đánh dấu hết [3] Vùng nhiễu vùng liên thông, có mức xám 1, có Các điểm vùng nhiễu diện tích nhỏ ngưỡng khử cách đưa giá trị (vùng màu đen) Đặt tập vùng liên thông màu trắng hình Phép biến đổi khử nhiễu thể biểu thức sau: (5) Trong đó, diện tích vùng liên thông 3.3 Trích xuất vùng chứa vết nứt Hầu hết nhiễu loại bỏ bước khử nhiễu Tuy nhiên, nhiễu tồn Để tránh bị ảnh hưởng nhiễu, vùng bao chứa vết nứt, minh họa Hình 3, tìm từ tâm vùng liên thông tập hợp điểm Giả sử ảnh thuộc vùng liên thông có diện tích lớn Tọa độ tâm vùng liên thông xác định biểu thức: (6) 3.2 Khử nhiễu Sau chuyển ảnh độ xám ảnh nhị phân, ảnh có xuất nhiều nhiễu Nhiễu màu sắc không đồng bề mặt đường, có hạt cát, sỏi nhỏ tạo nên Các nhiễu thường nhiễu muối tiêu, có mảng nhiễu lớn nhiều yếu tố khác Từ tâm vùng liên thông, ta quét theo bốn phía để tìm hình chữ nhật bao vết nứt, sau tách thành ảnh theo hình chữ nhật bao, Hình Hình Các vết nứt ngắt quảng tách từ vùng vết nứt Để xác định vị hình chữ nhật bao ảnh, ta cần bốn thông Với kích thước ảnh , số tọa độ thông số xác định theo biểu thức sau: Trang (7) (8) (b) Hình Nhiễu gây ảnh hưởng đến việc tìm đường nối tâm (9) cần thiết lập để loại bỏ Thông số ngưỡng chiều dài ảnh hưởng nhiễu Thông số thiết lập cho không làm thông tin vết nứt (15) (10) 3.6 Tính bề rộng vết nứt Trong biểu thức trên, hệ số giúp lấy vùng nứt bị đứt quảng Tuy nhiên, số trường hợp, hệ số chấp nhận vùng nhiễu 3.4 Tính chiều dài vết nứt Chiều dài vết nứt tính cách xây dựng đường trục chạy dọc theo vết nứt Vết nứt chia thành nhiều phân đoạn nhỏ cho phân đoạn có chiều dài (tính điểm ảnh) nhỏ ngưỡng cho trước Đường trục đường nối trung điểm M mặt cắt ngang vết nứt, minh họa Hình Bề rộng vết nứt điểm xét định nghĩa tổng điểm ảnh có phương vuông góc với hướng vết nứt điểm Tương tự việc tính chiều dài vết nứt, ta tính bề rộng sau ước vết nứt phân đoạn lượng bề rộng vết nứt cách lấy giá trị trung bình bề rộng phân đoạn vết nứt (16) Sử dụng trung điểm, xác định bước tìm đường trục , để xác định bề rộng Bề rộng vết vết nứt ước lượng theo hướng khác nứt vị trí Hình Góc hợp hướng ước lượng bề rộng trục hoành Hệ lần lược nhận giá trị trục tọa độ có tâm Hình Phân đoạn vết nứt ngang với T L =30 tập hợp trung điểm, ta xấp xỉ Gọi chiều dài đoạn nứt thứ khoảng cách đường nối tâm (11) (12) Sau tính chiều dài phân đoạn vết nứt hình, tổng chiều dài phân đoạn vết nứt chiều dài vết nứt (13) Nếu tỉ lệ kích thước thực đo kích thước điểm ảnh , kích thước thật vết nứt là: (14) Hình thể ảnh hưởng nhiễu xác định đường nối tâm vết nứt Hình 5a thể nhiễu không gây ảnh hưởng đến việc tìm đường trục vết nứt Hình 5b thể trường hợp nhiễu gây ảnh hưởng đến việc tìm đường trục vết nứt Hình Phương pháp tính bề rộng điểm Gọi giá trị bề rộng ước lượng theo hướng Bề rộng thực vết nứt giả định giá trị nhỏ bề rộng tìm được: (17) Giá trị trung bình bề rộng vết nứt từ m trung điểm là: (18) Và d phân đoạn là: (19) Kích thước bề rộng vết nứt, sau xét đến tỷ lệ kích thước thực đo kích thước điểm ảnh, là: (20) (a) Trang Kết kiểm chứng - Chiều dài: thực tế 510,4; ước lượng 526,9; sai số 3,2% Hình thể kết khảo sát hình chụp chứa vết nứt lấy từ mặt đường Quốc lộ 57 Ảnh vết nứt lấy từ camera nằm bên trái, tương ứng bên phải giá trị đo đạc ước lượng Các giá trị tính đơn vị mm Các thông số sử dụng bao gồm Các thông số phụ thuộc vào nhiều yếu tố khách quan, thường xác định vào ảnh định chuẩn lượt khảo sát - Bề rộng: thực tế 2,5; ước lượng 2,5; sai số 2,4% (e) Hình Kết khảo sát nứt mặt đường Quốc lộ 57 - Chiều dài: thực tế 585,6; ước lượng 553,7; sai số 5,4% - Bề rộng: thực tế 8,6; ước lượng 8,5; sai số 1,6% Căn vào kết khảo sát Hình 7, ta thấy chiều dài vết nứt xác định với mức độ xác đến 3,2% (Hình 7e) Mặt khác, bề rộng vết nứt xác định với độ xác đến 0,4% (Hình 7b) Các trường hợp lại, sai số có tương đối bé Kết cho thấy mô hình xử lý ảnh đề suất tốt Mô hình áp dụng vào thực tế Kết luận (a) - Chiều dài: thực tế 550,7; ước lượng 518,1; sai số 5,9% - Bề rộng: thực tế 8,4; ước lượng 8,4; sai số 0,4% (b) - Chiều dài: thực tế 544,0; ước lượng 517,5; sai số 4,9% - Bề rộng: thực tế 7,6; ước lượng 7,8; sai số 1,6% Kiểm tra xác định hư hỏng đường có phương tiện lưu thông việc làm nguy hiểm, tốn nhiều công sức Chúng ta cần giải pháp an toàn, khách quan, giúp cho nhà quản lý thực công việc dễ dàng Bài báo trình bày mô hình để xác định chiều dài bề rộng vết nứt đơn dựa ảnh hai chiều Ảnh chụp thực tế từ Quốc lộ 57 dùng để kiểm nghiệm mô hình Căn vào kết khảo sát, sai số giá trị đo chiều dài vết nứt giá trị ước lượng không vượt 6% Trong đó, bề rộng vết nứt đạt giá trị sai số tốt nhiều, 0,4% Các thông số cần cho mô hình chưa xác định tự động, điều đòi hỏi cần phải tiếp tục nghiên cứu để có giải pháp tiện lợi Tài liệu tham khảo (c) - Chiều dài: thực tế 470,5; ước lượng 487,5; sai số 3,6% - Bề rộng: thực tế 3,9; ước lượng 3,8; sai số 2,8% Rafael C Gonzalez and Richard E Woods (2009), Digital Image Processing, Pearson Education India, 595p – 612p Richard O.Duda, Peter E.Hart, and David G.Stock (1997), Pattern Classification, 2nd, Chapter 8, 189p Nosal, and Eva-Marie (2008), Flood-fill algorithms used for passive acoustic detection and tracking, New Trends for Environmental Monitoring Using Passive Systems, IEEE (d) Trang