一种基于图像识别的金属腐蚀程度的综合评价方法及装置与流程

1.本发明属于金属材料腐蚀与防护领域，具体涉及一种基于图像识别的金属腐蚀程度的综合评价方法及装置。


背景技术：

2.金属因其优异的性能在建筑桥梁、机械设备、石油炼化、冶金电力、航空航天等诸多领域发挥着重要作用。然而，暴露在环境中的金属难免发生不同程度的腐蚀。据统计，全世界每年由于腐蚀而造成的金属损失约占全年金属总产量的10％，每年因金属腐蚀造成的直接经济损失高达7000
‑
10000亿美元。除了浪费能源和材料，导致设备失效等直接损失以外，金属腐蚀还可进一步引发物料污染和产品质量降低、生产中断、装置泄露、设备爆炸以及重大人员伤亡和环境污染损失，金属的腐蚀与防护成为了一个具有重要理论价值和现实意义的研究课题。现在以金属结构为主体的装配式建筑在各地得到了大力倡导和推行。众所周知，金属在含有so2、co2、no2等污染性气体的潮湿环境中极易发生腐蚀破坏，特别是一些酸雨大气环境范围内的金属结构面临着十分严峻的腐蚀危害。因此，金属腐蚀状态/金属剩余腐蚀寿命的评估方法也成为了研究的重点。
3.现有中国专利cn201510012764.7公开一种金属腐蚀速度检测方法和检测装置，该检测装置包括：检测单元和数据处理单元；检测单元连接在进样水流入口处，检测单元包括用管道串联在一起的溶解氢测量仪和电子流量计；溶解氢测量仪用来检测单位时间内进样水流中溶解氢分子的含量；电子流量计用来检测该单位时间内进样水流的体积；检测单元将单位时间内测得的溶解氢分子的含量和进样水流的体积传输给数据处理单元；所述数据处理单元接收所述溶解氢测量仪和电子流量计所测得的数值，并基于所述数值计算出所述进样水流所流经受热管道的金属腐蚀速度。该发明的金属腐蚀是针对于特定的环境结合不同的复杂参数进行计算的，过程复杂且针对于特定环境。
4.现有中国专利cn201110394177.0公开了一种金属腐蚀检测与评定方法，该方法使用真彩共聚焦显微镜观察试样腐蚀部位的形貌，并对腐蚀微孔的深度进行统计性测量；对所采集到的金属腐蚀形貌信息和腐蚀微孔深度数据进行分析，从而对金属的局部腐蚀情况做出评定。该方法只适用于对金属腐蚀发展初期的腐蚀状况进行检测和评定，而且通过微孔深度数据进行分析，分析过程比较复杂。
5.总之，目前，金属腐蚀状态评估方法常用的有交流阻抗法、极化曲线法、电化学噪声法、电阻法等电化学方法；腐蚀产物评估、失重法、光纤法等物理方法。在金属腐蚀状况现场实时测试时，上述方法存在着操作复杂、后期处理困难、难以兼容等问题。国内外专家建立了基于图像处理技术金属或涂层腐蚀检测方法，然而，仅凭二值化图像对金属的腐蚀程度进行评价较为片面。因而，现在迫切需要探究快速、准确、无损的金属腐蚀状态/金属剩余腐蚀寿命的评估方法。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明目的在于提供一种基于图像识别的金属腐蚀程度的综合评价方法，该方法是凭借二值化图像的分形维数、锈斑总面积、锈斑平均面积、锈斑总面积占比进行综合评价所述金属的腐蚀程度，该评价方法快速、准确。
7.所述综合评价方法包括：分别计算多个时间点的所述金属的腐蚀图像的二值化图像的分形维数、锈斑总面积、锈斑平均面积、锈斑总面积占比；并分别拟合多个时间点的分形维数
‑
时间方程，多个时间点的锈斑总面积
‑
时间方程，多个时间点的锈斑平均面积
‑
时间方程，多个时间点的锈斑总面积占比
‑
时间方程；然后根据时间点a的分形维数、锈斑总面积占比综合评价所述时间点a的金属腐蚀程度；所述多个时间点的金属处于同一环境；所述多个时间点的金属腐蚀图像为图像识别工具可识别出具有腐蚀差别的多个图像；
8.进一步，所述金属为碳钢，在正常自然环境中，所述碳钢的分形维数
ꢀ‑
时间拟合方程为：y1＝a1ln(x) b1，其中x为时间，y1为分形维数；所述碳钢的锈斑总面积
‑
时间拟合方程为：y2＝a2x^
b2
，其中x为时间，y2为锈斑总面积；所述碳钢的锈斑平均面积
‑
时间拟合方程为：y3＝a3e^
b3x
，其中x为时间，y3为锈斑平均面积；所述碳钢的锈斑总面积占比
‑
时间拟合方程为：y4＝a4x^
b4
，其中x 为时间，y4为锈斑总面积占比；其中，
9.0.5≤a1≤0.51,
‑
0.002≤b1≤
‑
0.001；
10.5371≤a2≤5372，1.22≤b2≤1.23；
11.0.18≤a3≤0.19，1.61≤b3≤1.62；
12.0.2≤a4≤0.21，1.37≤b4≤1.38；
13.进一步，当所述时间点a的分形维数为0＜分形维数≤1.38，锈斑总面积占比为0％＜锈斑总面积占比≤5％，则腐蚀程度为轻度腐蚀；当所述时间点a 的分形维数为1.38＜分形维数≤1.89，锈斑总面积占比为5％＜锈斑总面积占比≤15％，则腐蚀程度为中度腐蚀；当所述时间点a的分形维数为1.89＜分形维数≤2.04、锈斑总面积占比为15％＜锈斑总面积占比≤100％，则腐蚀程度为严重腐蚀。
14.进一步，所述二值化处理采用matlab或者ps的图片处理功能，针对每一张腐蚀图片的处理，阈值均有差异，采用尽量使得二值化图像符合真实图像的原则进行。
15.进一步，所述综合评价方法适用于铁、铜、铝、镍、锌、钛或其合金的腐蚀程度评价。所述综合评价方法也适用于含有污染性气体的潮湿环境中导致的金属腐蚀。由于金属性质、不同地区气候、季节的差异，通过腐蚀图像得出的拟合方程均有不同，但这种综合评价方法和规律是相同的。
16.进一步，计算所述二值化图像的分形维数的方法包括但不限于“盒维数法”、“迟规法”、“周长面积法”，可以根据腐蚀的具体情况进行选择计算分形维数的方法。
17.进一步，根据时间点a的腐蚀图像的二值化图像的分形维数，计算出从时间点a起算的所述金属剩余腐蚀寿命。通常情况下，同种金属在同一环境下的腐蚀行为是相近的，即金属腐蚀100％的时间是一定的，通过当前已经被腐蚀的时间与100％被腐蚀时间相减得到剩余腐蚀时间。比如碳钢在正常自然环境中的寿命都在55天左右，在明确环境和金属条件下，即可通过分形维数
‑
时间方程推断得到剩余腐蚀时间。
18.进一步，所述多个时间点的目的是拟合方程，在本发明中，取至少两个以上的点进行方程拟合。
19.优选地，在情况允许的条件下，获取比较清楚的腐蚀图像更有利于后期的图像处理和图像分析。
20.进一步，在获取腐蚀图像之前，先对所述待评估金属表面进行清理，去除灰尘杂质，减小不必要的误差。
21.在某些具体实施例中，可以通过软件的方法来评价碳钢腐蚀程度，步骤如下：
22.s1：获取碳钢表面同一环境中多个时间点的腐蚀图像；
23.s2：对所述腐蚀图像进行二值化处理得到二值化图像；
24.s3：根据所述二值化图像计算得到碳钢表面多个时间点的分形维数、锈斑总面积、锈斑平均面积、锈斑总面积占比；
25.s5：然后分别拟合多个时间点的分形维数
‑
时间方程，多个时间点的锈斑总面积
‑
时间方程，多个时间点的锈斑平均面积
‑
时间方程，多个时间点的锈斑总面积占比
‑
时间方程；
26.s6：然后根据时间点a的分形维数、锈斑总面积占比综合评价所述时间点a的碳钢腐蚀程度；当所述时间点a的分形维数为0＜分形维数≤1.38，锈斑总面积占比为0％＜锈斑总面积占比≤5％，则评价为轻度腐蚀；当所述时间点a 的分形维数为1.38＜分形维数≤1.89，锈斑总面积占比为5％＜锈斑总面积占比≤15％，则评价为中度腐蚀；当所述时间点a的分形维数为1.89＜分形维数≤2.04、锈斑总面积占比为15％＜锈斑总面积占比≤100％，则评价为严重腐蚀。
27.本发明目的在于提供一种基于图像识别的用于评价金属腐蚀程度的评价装置，该装置包括：
28.采集模块，用于采集待评估金属同一环境下的多个时间点的腐蚀图像；
29.处理模块，用于将所述腐蚀图像进行二值化处理；
30.计算模块，用于计算所述处理模块处理得到的多个时间点的二值化图像的分形维数、锈斑总面积、锈斑平均面积、锈斑总面积占比，并分别拟合分形维数
‑
时间方程、锈斑总面积
‑
时间方程、锈斑平均面积
‑
时间方程、锈斑总面积占比
‑
时间方程；
31.数据库，用于记录所述处理模块处理得到的多个时间点的二值化图像和/或计算模块计算得到的多个时间点的二值化图像的分形维数、锈斑总面积、锈斑平均面积、锈斑总面积占比及其拟合方程；
32.评价模块，用于根据某一时间点的分形维数、锈斑总面积占比评价所述某一时间点的金属腐蚀程度。
33.在某些具体实施例中，评价的金属为碳钢时，则评价模块的规则为：当所述某一时间点的分形维数为0＜分形维数≤1.38，锈斑总面积占比为0％＜锈斑总面积占比≤5％，则评价为轻度腐蚀；当所述某一时间点的分形维数为1.38 ＜分形维数≤1.89，锈斑总面积占比为5％＜锈斑总面积占比≤15％，则评价为中度腐蚀；当所述某一时间点的分形维数为1.89＜分形维数≤2.04、锈斑总面积占比为15％＜锈斑总面积占比≤100％，则评价为严重腐蚀。
34.进一步，所述计算模块用于计算某一时间点的剩余腐蚀寿命。
35.进一步，所述数据库还用于记录所述采集模块得到的多个时间点的腐蚀图像。
36.进一步，所述数据库可以是外部导入的，也可以是不同时间点进行检测形成的数
据库。
37.在某些具体实施例中，使用该评价装置评价碳钢腐蚀程度的方法为：
38.s1：所述采集模块采集待评估碳钢表面同一环境中多个时间点的腐蚀图像，并同时记录于所述数据库；
39.s2：所述处理模块对所述腐蚀图像进行二值化处理得到二值化图像，并同时记录于所述数据库；
40.s3：所述计算模块根据所述二值化图像计算得到碳钢表面多个时间点的分形维数、锈斑总面积、锈斑平均面积、锈斑总面积占比，并同时记录于数据库，数据录入2个点以后开始时实拟合分形维数
‑
时间方程，锈斑总面积
‑
时间方程，锈斑平均面积
‑
时间方程，锈斑总面积占比
‑
时间方程；当接着录入新的点以后，重新拟合新的方程；
41.s5：所述评价模块根据所述计算模块拟合的方程，实时评价当前录入的点的碳钢腐蚀程度并同时计算出当前碳钢剩余腐蚀寿命，当实时录入的点的分形维数为0＜分形维数≤1.38，锈斑总面积占比为0％＜锈斑总面积占比≤5％，则评价为轻度腐蚀；当实时录入的点的分形维数为1.38＜分形维数≤1.89，锈斑总面积占比为5％＜锈斑总面积占比≤15％，则评价为中度腐蚀；当实时录入的点的分形维数为1.89＜分形维数≤2.04、锈斑总面积占比为15％＜锈斑总面积占比≤100％，则评价为严重腐蚀。
42.本发明目的在于还提供一种前述金属腐蚀程度的评价方法及前述的评价装置在在检测金属机械、航空运输工具、陆地运输工具、海上运输工具剩余使用年限中的应用。比如检测由铝材构建的汽车的使用年限，由钢材制备的轮船的使用寿命等。
43.本发明中，术语“正常自然环境”指的是非极端地区的没有污染、没有极端天气、没有人为破坏的环境。
44.本发明中，术语“图像识别工具”指的是一些图像识别软件，或者人的眼睛。
45.本发明中，术语“同一环境”，指的是在同一时间段内，天气、环境没有较大变化的环境，比如没有人为的破坏、没有出现极端的天气，没有出现极大程度的污染，并非指的是使用高精度仪表测试的气压指数、空气指数一丝不变的环境。
46.本发明中，术语“轻度腐蚀”指的是标准gb/t6461
‑
2002(金属集体上金属和其他无机覆盖层经腐蚀实验台的试样和试件的评级)中的腐蚀程度r
a
＝4 (2.5％
‑
5.0％)和r
a
＝3(5.0％
‑
10％)；术语“中度腐蚀”指的是标准gb/t6461
‑
2002(金属集体上金属和其他无机覆盖层经腐蚀实验台的试样和试件的评级)中的腐蚀程度r
a
＝2(10％
‑
25％)和r
a
＝1(25％
‑
50％)；术语“严重腐蚀”指的是标准gb/t6461
‑
2002(金属集体上金属和其他无机覆盖层经腐蚀实验台的试样和试件的评级)中的腐蚀程度r
a
＝0(50％
‑
100％)。本发明有益效果在于
47.本发明提供的基于图像识别的金属腐蚀程度的综合评价方法，可对金属的腐蚀图像分形维数、锈斑的总面积、平均面积以及面积占比进行实时计算，可快速、无损、准确的评估金属腐蚀状态及剩余腐蚀寿命。
48.本发明提供的基于图像识别的金属腐蚀程度的综合评价方法适用范围广，可用于铁、铜、铝、镍、锌、钛或其合金腐蚀形态的综合评价及寿命预测。
49.本发明提供的基于图像识别的金属腐蚀程度的综合评价方法适用场景广，适用于由于含有so2、co2、no2等污染性气体的潮湿环境中导致的腐蚀破坏，也适用于正常大气环境
下的自然腐蚀，只要是在特定的环境中，且没有发生很大的环境变化，那么均适用于本发明的检测方法。
附图说明
50.图1为1
‑
55天时间范围内碳钢腐蚀图像的分形维数、锈斑总面积、锈斑平均面积以及锈斑总面积占比。
51.图2为轻微腐蚀碳钢的腐蚀图像及相应二值化图像。
52.图3为中度腐蚀碳钢的腐蚀图像及相应二值化图像。
53.图4为严重腐蚀碳钢的腐蚀图像及相应二值化图像。
具体实施方式
54.所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
55.本发明实施例中，评价金属的腐蚀程度/剩余腐蚀寿命的步骤如下：
56.(1)预处理：对金属表面进行清理，去除灰尘杂质；
57.(2)采集：采集待评估金属表面多个时间点的腐蚀图像；
58.(3)图像处理：对所述腐蚀图像进行二值化处理得到二值化图像；
59.(4)计算：根据所述二值化图像计算得到金属表面多个时间点的分形维数、锈斑总面积、锈斑平均面积、锈斑总面积占比；
60.(5)拟合方程：对所述不同时间点的分形维数拟合方程得分形维数
‑ꢀ
时间方程；对多个时间点的锈斑总面积拟合方程得锈斑总面积
‑
时间方程；对多个时间点的锈斑平均面积拟合方程得锈斑平均面积
‑
时间方程；对多个时间点的锈斑总面积占比拟合方程得锈斑总面积占比
‑
时间方程；
61.(6)评价腐蚀程度：分形维数
‑
时间方程、锈斑总面积
‑
时间方程、锈斑平均面积
‑
时间方程、锈斑总面积占比
‑
时间方程计算时间点a的分形维数、锈斑总面积、锈斑平均面积、锈斑总面积占比，然后根据评价规则综合评价金属腐蚀程度，并根据分形维数
‑
时间方程计算金属剩余腐蚀寿命。
62.本发明实施例中，以碳钢(铁碳合金)为检测对象。
63.本发明实施例中，计算图像分形维数的方法采用的是盒维数的方法。
64.实施例1
65.按照检测金属的腐蚀程度/剩余腐蚀寿命的步骤，采集不同时间点的碳钢的腐蚀图像，并分别计算每个腐蚀阶段的分形维数、锈斑总面积、锈斑平均面积以及锈斑总面积占比，并统计不同阶段的分形维数、锈斑总面积、锈斑平均面积以及锈斑总面积占比结果，作图如图1所示，然后拟合方程可得到碳钢的腐蚀程度以及剩余寿命，拟合方程为：
66.分形维数拟合方程：y1＝0.50094ln(x)
‑
0.00191，其中x为时间，y1 为分形维数；
67.锈斑总面积拟合方程：y2＝5371.21913x^
1.22532
，其中x为时间，y2为锈斑总面积(为图1中标记的总面积)；
68.锈斑平均面积拟合方程：y3＝0.18768e^
1.61598x
，其中x为时间，y3为锈斑平均面积
(为图1中标记的平均面积)；
69.锈斑总面积占比拟合方程：y4＝0.20456x^1.37741，其中x为时间， y4为锈斑总面积占比(为图1中标记的总面积占比)。
70.实施例2
71.在与实施例1相同环境下，按照检测金属的腐蚀程度/剩余腐蚀寿命的步骤，时间点a采集碳钢的表面图像，经过灰度和二值化处理得到二值化图像，如图2所示；然后计算得到其分形维数、锈斑总面积、锈斑平均面积、锈斑总面积占比，并通过实施例1中的拟合方程得到碳钢a的腐蚀程度以及剩余寿命，具体情况如下表1所示。表1时间点a的碳钢的腐蚀情况/剩余腐蚀寿命注：剩余腐蚀寿命以腐蚀面积达到100％计。
72.实施例3
73.在与实施例1相同环境下，按照检测金属的腐蚀程度/剩余腐蚀寿命的步骤，时间点b采集碳钢b的表面图像，经过灰度和二值化处理得到二值化图像，如图3所示；然后计算得到其分形维数、锈斑总面积、锈斑平均面积、锈斑总面积占比，并通过实施例1中的拟合方程得到碳钢a的腐蚀程度以及剩余寿命，具体情况如下表2所示。表2时间点b的碳钢的腐蚀情况/剩余腐蚀寿命注：剩余腐蚀寿命以腐蚀面积达到100％计。
74.实施例4
75.在与实施例1相同环境下，按照检测金属的腐蚀程度/剩余腐蚀寿命的步骤，时间点c采集碳钢的表面图像，经过灰度和二值化处理得到二值化图像，如图4所示；然后计算得到其分形维数、锈斑总面积、锈斑平均面积、锈斑总面积占比，并通过实施例1中的拟合方程得到碳钢a的腐蚀程度以及剩余寿命，具体情况如下表3所示。表3时间点c碳钢的的腐蚀情况/剩余腐蚀寿命注：剩余腐蚀寿命以腐蚀面积达到100％计。
76.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较
佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。