小波理論於智慧型影像處理在鋼構橋梁表面□蝕面積檢測之應用

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(1)國立交通大學土木工程研究所. 碩士論文. 小波理論於智慧型影像處理在鋼構橋梁表面銹蝕面積檢測之應用 Application of wavelet transform based intelligent image processing system to the inspection of steel bridges rusty areas. 研究生：戴佳信指導教授：洪士林博士. 中華民國九十三年六月.

(2) 小波理論於智慧型影像處理在鋼構橋梁表面銹蝕面積檢測之應用學生：戴佳信. 指導教授：洪士林. 博士. 國立交通大學土木工程學系摘要近年來，由於電腦技術的發展、成本花費降低與電腦處理器運算能力的不斷提昇讓影像處理(image processing)技術具有實用性，讓我們可以利用影像處理的過程，將複雜的影像加以分析。因此，本研究之目的在於開發一種智慧型橋梁表面銹蝕面積評估判斷模式，其結合小波轉換(wavelet transform)、影像處理與 MATLAB 程式語言，對於鋼構橋梁表面塗裝銹蝕狀況進行辨認與量測。在系統中利用了小波轉換的基底有較短的持續時間(time duration)、具有多重解析 (multi-resolution analysis)的特性和時頻兩域局部特徵的能力，來處理數位影像。本系統先使用影像檔案之標準差來判斷 R、G、B 三個獨立的影像平面的差異性，選取差異性大的二維數位訊號影像平面來做小波轉換，二維小波轉換產生四塊矩陣，一塊代表低解析部的部分，三塊代表細節的部分。低解析部的部分含有影像中最多的能量，亦即包含了最多的資訊和影像的輪廓，因此對低解析部的係數進行處理，使得重建後的影像能達到求取銹蝕面積的目的，並對銹蝕面積再進行相同的處理，分出深淺不同的區域面積，再分別乘以折減係數求取折減後的銹蝕面積，並結合規範進行銹蝕面積的評估與補救方式，對於規範中不確定的地帶採取模糊(fuzzy)判斷。希望能對銹蝕影像的評估與判斷提供具有客觀性、一致性且量化的程序。關鍵字: 影像處理、橋梁塗裝、銹蝕、小波轉換、模糊理論. I.

(3) Application of wavelet transform based intelligent image processing system to the inspection of steel bridges rusty areas Student: Jia-Xin Dai. Advisor: Dr. Shih-Lin Hung. Department of Civil Engineering College of Engineering National Chaio Tung University ABSTRACT In the recent years, the advancement in computer technology allowed image processing to become more practical and cost-efficient. Following the continuous advancement in algorithm ability of computer processors, we are able to analyze the complicated images with image processing. Therefore, this study developed an intellectual bridge surface coating evaluation judgment model which combines wavelet transform, image processing and MATLAB programming language to identify and measure the corrosion situation of the surface coating on steel bridges. The system used the wavelet transform to gain shorter time duration, multi-resolution analysis feature, and time and frequency domain to process images. The system first uses standard deviation to determine the discrepancies in image plane of R, G, B, and selects 2D digital signal image with large discrepancy for wavelet transform. The 2D wavelet transform produces 4 matrixes, one represents the low resolution part, and the other three represent the details. The low resolution part contains the most part of energy in the image, also the most information and image outline. Processing the parameters of the low resolution part can obtain the corrosion area from the reconstructed image, and process the corrosion area in the same way to divide it into areas of different shades. Then, multiple it with discounted parameters to obtain the discounted corrosion area, and combines with the norm to evaluate and formulate remedy for the corrosion area. Fuzzy concept is adopted for ambiguous area. This study expects to provide objective, consistent, and quantified procedure for evaluation and judgment of corrosion images. Keywords: Image Processing , Steel Bridges Coating , Corrosion, Wavelet Transform ,Fuzzy Theory II.

(4) 誌謝. 經過了兩年的交大生活，在這段期間非常感謝洪士林老師在課業上與各方面的指導與照顧，讓我在學習上有非常多的收穫。本文能夠順利完成要非常感謝交大的黃炯憲老師、鄭復平老師、黃世昌老師、王維志老師在口試時提供寶貴的意見，讓我能注意到本文的不足與需要增強及修改的部分。另外還要感謝俊明、小史(頌恩)學長在研究期間的許多指導，與蘇威智學長在有關小波問題上的解惑。還有哈寶(勁威)、建芳這兩年的相互扶持，及陪伴我一年的學弟宏安、小龜(博育)、水哥(濬鴻)，是你們讓研究室熱鬧許多。最後要感謝我家人的鼓勵與支持，讓我能專心的把心思放在課業和研究上，還有在求學期間結識的許多好友，因為有你們的陪伴才讓我的研究所生活更加地豐富和多采多姿。. III.

(5) 目錄. 頁次. 摘要……………………………………………………………………………………I ABSTRACT ……………………………………………………………………………II 誌謝…………………………………………………………………………………III 目錄………………………………………………………………………………….IV 表目錄…………………………………………………………………………….VIII 圖目錄…………………………………………………………………………………X 符號說明………………………………………………………………………….XIII. 第一章緒論…………………………………………………………….1 1.1、研究背景…………………………………………………………………………1 1.2、研究目的…………………………………………………………………………2 1.3、相關文獻回顧……………………………………………………………………2 1.4、研究方法與步驟…………………………………………………………………3 1.5、論文架構…………………………………………………………………………4. 第二章鋼構橋梁的銹蝕原因與評估修補…………………………….5 2.1、前言………………………………………………………………………………5 2.2、鋼橋材料銹蝕原因與型態………………………………………………………5 2.2.1、鋼橋材料銹蝕原因……………………………………………………………5 2.2.2、鋼橋銹蝕型態……………………………………………………………….6 2.2.3、大氣中鋼橋銹蝕原因及種類型態……………………………………………8. IV.

(6) 2.3、鋼橋塗裝系統……………………………………………………………………9 2.3.1、塗裝系統之構成………………………………………………………………9 2.3.2、塗裝系統之分類………………………………………………………………9. 2.4、鋼橋之塗膜劣化與銹蝕評估………………………………………………….10 2.4.1、鋼橋之塗膜劣化…………………………………………………………….10 2.4.2、鋼橋之銹蝕評估…………………………………………………………….12. 2.5、鋼橋銹蝕修補技術…………………………………………………………….15 2.5.1、維修塗裝系統………………………………………………………………15 2.5.2、維修塗裝施工………………………………………………………………15 2.5.3、維修塗裝施工之注意事項………………………………………………….17. 第三章影像處理………………………………………………………19 3.1、前言…………………………………………………………………………….19 3.2、影像的表示…………………………………………………………………….20 3.3、RGB 彩色模型………………………………………………………………….22 3.4、數位影像處理………………………………………………………………….22 3.5、數位影像處理系統…………………………………………………………….23. 第四章小波理論………………………………………………………25 4.1、前言…………………………………………………………………………….25 4.1.1、轉換法………………………………………………………………………25 4.1.2、小波分析起源………………………………………………………………25. V.

(7) 4.1.3、小波分析……………………………………………………………………26. 4.2、傅立葉轉換…………………………………………………………………….27 4.2.1、離散傅立葉轉換…………………………………………………………….27 4.2.2、短時傅立葉轉換…………………………………………………………….28. 4.3、小波轉換……………………………………………………………………….29 4.3.1、小波轉換類型………………………………………………………………29. 4.4、多尺度分析…………………………………………………………………….31 4.4.1、近似空間與細部空間……………………………………………………….32. 4.5、二維小波理論………………………………………………………………….32 4.5.1、二維小波轉換係數………………………………………………………….33. 4.6、Mallat 運算法…………………………………………………………………33. 第五章模糊理論………………………………………………………35 5.1、前言…………………………………………………………………………….35 5.2、模糊理論的架構……………………………………………………………….35 5.2.1、模糊集………………………………………………………………………36. 第六章系統設計與案例分析…………………………………………38 6.1、前言…………………………………………………………………………….38 6.2、影像擷取……………………………………………………………………….38 6.3、影像前處理…………………………………………………………………….39 6.3.1、影像之濾波處理…………………………………………………………….39. VI.

(8) 6.4、小波轉換分析影像…………………………………………………………….39 6.4.1、低頻係數(ca)的處理……………………………………………………….40 6.4.2、影像的重建與漆銹的分離………………………………………………….40 6.4.3、有缺陷的面積(銹)的再分析……………………………………………….41. 6.5、有缺陷面積(銹)進行判斷與評估…………………………………………….42 6.6、案例分析……………………………………………………………………….43. 第七章結論與建議……………………………………………………46 7.1、前言…………………………………………………………………………….46 7.2、結論與建議…………………………………………………………………….46. 參考資料……………………………………………………………….48 附表…………………………………………………………………….50 附圖…………………………………………………………………….65. VII.

(9) 表目錄. 頁次. 表 1.1. 九十二年底台灣地區橋座數概況………………………………………50. 表 1.2. ASTM Corrosion Performance Rating……………………………….50. 表 2.1. 外露用一般塗裝系(日本道路協會鋼橋塗裝便覽)……………………51. 表 2.2. 外露用長期防蝕塗裝系(日本道路協會鋼橋塗裝便覽)………………52. 表 2.3. 內面用塗裝系(日本道路協會鋼橋塗裝便覽)…………………………52. 表 2.4. 塗膜劣化的原因及其處理方法…………………………………………53. 表 2.5. 美國 SSPC 生銹標準評估法…………………………………………….54. 表 2.6. 日本塗膜剝離評估基準…………………………………………………54. 表 2.7. 日本塗膜變褪色檢查標準樣本…………………………………………54. 表 2.8. 日本塗膜污穢檢查標準樣本……………………………………………54. 表 2.9. 平均劣化等級……………………………………………………………55. 表 2.10. 銹蝕劣化評估對象檢查項目……………………………………………55. 表 2.11. 景觀保護區之評估表……………………………………………………56. 表 2.12. 一般區域之評估…………………………………………………………56. 表 2.13. 判定區分…………………………………………………………………56. 表 2.14. 塗膜狀態區分……………………………………………………………57. 表 2.15. 各種塗料重塗之適合性…………………………………………………58. 表 2.16. 維修用塗裝系(日本道路協會鋼橋塗裝便覽) a 塗裝系(外面塗裝用) ………………………………………………………………………….59. VIII.

(10) 表 2.17. 維修用塗裝系(日本道路協會鋼橋塗裝便覽)b 塗裝系(外面塗裝用) ……………………………………………………………………………60. 表 2.18. 維修用塗裝系(日本道路協會鋼橋塗裝便覽)c 塗裝系(外面塗裝用) ……………………………………………………………………………61. 表 2.19. 維修用塗裝系(日本道路協會鋼橋塗裝便覽)c 局部修補用塗裝系(外面塗裝用)……………………………………………………………………62. 表 2.20. 維修用塗裝系(日本道路協會鋼橋塗裝便覽)d 塗裝系(外面塗裝用) ……………………………………………………………………………62. 表 2.21. 表面處理之級……………………………………………………………63. 表 2.22. 塗膜劣化程度及其對應之表面理………………………………………63. 表 2.23. 各噴砂處理及其對應之鹽份殘留量……………………………………63. 表 2.24. 各種鹽份去除方法之效果比較…………………………………………64. IX.

(11) 圖目錄. 頁次. 圖 2.1. 鋼材表面塗膜劣化剝離…………………………………………………65. 圖 2.2. 鋼材表面起泡浮腫………………………………………………………65. 圖 2.3. 鋼材表面起泡浮腫………………………………………………………65. 圖 2.4. 鋼梁表面褪色、白亞化及孔蝕…………………………………………65. 圖 2.5. 塗膜附著困難，螺栓銹蝕………………………………………………65. 圖 2.6. 接合版嚴重銹蝕…………………………………………………………65. 圖 2.7. 箱梁角隅處塗膜剝落腐…………………………………………………65. 圖 2.8. 鋼梁表面褪色、白亞化及孔蝕…………………………………………65. 圖 2.9. 接合版嚴重銹蝕…………………………………………………………66. 圖 2.10. 接合版嚴重銹蝕…………………………………………………………66. 圖 2.11. 焊道處防銹處理不良造成銹蝕…………………………………………66. 圖 2.12. 扭桿構材高應力處銹蝕…………………………………………………66. 圖 2.13. 箱梁下方管線通風不良造成銹蝕………………………………………66. 圖 2.14. 排水管出口處附近產生銹蝕……………………………………………66. 圖 2.15. 不當美化植栽造成銹蝕…………………………………………………66. 圖 2.16. 鋼橋銹蝕…………………………………………………………………66. 圖 2.17. 第二階段之相關反應……………………………………………………67. 圖 2.18. 各種銹蝕型態解說示意圖………………………………………………68. 圖 2.19. 上部結構檢查部位………………………………………………………69. X.

(12) 圖 2.20. 下部結構檢查部位………………………………………………………69. 圖 2.21. 上、下部結構檢查部位…………………………………………………69. 圖 3.1. RGB 彩色模型…………………………………………………………….70. 圖 3.2. 彩色影像(m × n × 3)示意圖……………………………………………….70. 圖 3.3. 數位影像處理之基本步驟流程………………………………………….71. 圖 4.1. 轉換示意圖……………………………………………………………….72. 圖 4.2. STFT 在時頻域平面上的解析度…………………………………………72. 圖 4.3. 小波轉換在時頻域平面上的解析度…………………………………….73. 圖 4.4. 多尺度一維小波分解…………………………………………………….73. 圖 4.5. 多尺度二維小波分解…………………………………………………….74. 圖 4.6. 小波的分解與重建的示意圖(a)分解(b)重建………………………….75. 圖 4.7. 二維小波轉換 (a)原始影像(b)第一階的小波轉換(c)第二階的小波轉換(d)第三階的小波轉換…………………………………………………76. 圖 6.1. 系統架構圖……………………………………………………………….77. 圖 6.2. 輸入分析影像…………………………………………………………….78. 圖 6.3. R、G、B 影像及其標準差………………………………………………….78. 圖 6.4. 低頻係數、垂直高頻係數、水平高頻係數和對角線高頻係數的影像及其修正前後係數值………………………………………………………….79. 圖 6.5. 原始影像與修正重建後影像數值……………………………………….79. 圖 6.6. 低頻係數(ca)、修正重建及有缺陷面積與無缺陷面積的影像…………80. 圖 6.7. 提取出的有缺陷面積影像與其 R、G、B 數值……………………………80. 圖 6.8. 第一次的深淺銹分離…………………………………………………….81. 圖 6.9. 分離後各程度深淺的銹………………………………………………….81. 圖 6.10 缺陷面積再分析示意…………………………………………………….82 圖 6.11 深淺銹乘以權重後的判斷評估………………………………………….82 XI.

(13) 圖 6.12. 黃底面漆銹蝕影像………………………………………………………83. 圖 6.13. 鋼梁表面塗膜劣化、孔蝕影像…………………………………………84. 圖 6.14. 鋼梁表面塗膜銹蝕影像…………………………………………………85. 圖 6.15. 螺栓銹蝕影像……………………………………………………………86. 圖 6.16. 藍底面漆銹蝕影像………………………………………………………87. 圖 6.17. 綠底面漆銹蝕影像(分解尺度 n=1)……………………………………88. 圖 6.18. 綠底面漆銹蝕影像(分解尺度 n=2)……………………………………89. XII.

(14) 符號說明 F ( x, y , t , λ ). 影像源在空間座標 ( x, y ) ，時間 t 且波長為 λ 情況下所散發之空間能量分布. V (λ ). 相對亮度效率函數. R (λ ) 、 G (λ ) 、 B (λ ). 分別為對紅、綠、藍三原色的頻譜響應. Si (λ ). 第 i 個感應器的頻譜響應. f ( x, y ). 光強度函數. f (t ). 信號函數. F (ω ). f (t ) 的連續傅立葉轉換. f (n). 離散訊號. F (k ). f (n) 的一維離散傅立葉轉換. W Nnk. 轉換核. g (t ). 視窗函數. L2 ( R). 平方可積的實數空間(即能量有限的信號空間). Cψ. f (t ) 連續小波轉換的滿足允許條件(admissible. condition). ψ (t ). 為基本小波(basic wavelet)或母小波(mother wavelet). ψˆ (ω ). ψ (t ) 其傅立葉轉換. ψ ((t − τ ) / a ) / a. 為小波基底函數，有時也稱為子小波(baby wavelet). CWT ( a,τ ). f (t ) 的連續小波轉換. ψ mn (t ). 離散小波. DWT ( m, n). 離散小波轉換. DPWT ( m, n). 離散參數小波轉換. DTWT ( m, n). 離散時間小波轉換 XIII.

(15) Vi. 第 i 子空間. ⊕. 兩空間 Vm 與 Wm 的正交直和. Vm. 較粗糙的近似訊號函數空間. Vm+1. 較精細的近似訊號函數空間. Wm. Vm+1 與 Vm 相對應近似訊號函數之細節訊號函數空間. ↓2. 做次取樣(subsampling). ↑2. 做升取樣(upsampling). φ ( x, y ). 二維尺度函數. ψ ( i ) ( x, y ). 第 i 二維小波函數. ca. 低頻係數. chd. 垂直高頻係數. cvd. 水平高頻係數. cdd. 對角線高頻係數. µ A (x). 集合A的明確集. µ AI B (x). 集合A與B的交集. µ AU B (x). 集合A與B的聯集. µ A (x). 集合A的補集. µ vA (x). 非常(very). µ mA (x). 有些(more-or-less). X = {x1 , x 2 ,..., x n }. 離散值屬性 X 其值所組成的集合. µ ( x) S ( x : a , b, c ). 隸屬度函數 S型函數. XIV.

(16) 第一章緒論 1.1 研究背景橋梁是公路網中最重要的一環，卻因面臨老舊的問題，影響交通和行車安全，在所有發生橋梁災難中有些是因為洪水、暴風雨等天災，有些是因為超載、模板之撐不良等人為因素，而有些情況則是因為橋梁老舊所產生的銹蝕而導致破壞［1］。而目前台灣地區各級交通網路中，橋梁總數達萬餘座(參考表1.1，截至 2003年底，資料來源交通部統計處道路長度及橋梁座數概況)，許多橋梁之橋齡已經達20-40年，卻仍有大半橋梁尚未進行檢測工作。雖然依照規定需定期進行橋梁檢測工作，但由於經費不足及檢測方式昂貴又不具足夠的可靠性與準確性，以及人力不足等因素，導致大半橋梁無法進行檢測工作。台灣位於亞熱帶，屬於海島型氣候，自然環境屬於高溫潮濕，更因大氣中含高鹽分，橋梁產生銹蝕劣化的機率相當高。近年來又以工業高度發展，加以車輛急劇增長排放高銹蝕性廢氣造成台灣成為高銹蝕性地區。國內個學術研究機構或橋梁主管單位曾對某些特定橋梁之銹蝕程度做過調查分析，但對國內眾多橋梁而言，仍缺乏全面性整體的勘查評估。故希望能有一個低成本及非破壞性，且能將視覺影像自動加以評估的技術，來改善評估的品質，並能給予適時的量化數據以利於橋梁狀況的評估。而在大部分營建與工程實務中，絕大部分的維護與品質評估是採用主觀的人工視覺評估方式，造成工程管理上評定作業的障礙。在美國因為效率不彰的品質評估方式存在，造成許多高速公路橋梁存在了一些顯著的缺陷，而缺陷發生原因在於高速公路鋼結構橋梁或複合橋梁的抗銹蝕塗層惡化。事實上，橋梁塗層的品質會直接影響橋梁狀況條件，但是卻少有人針對塗層品質的評估方式加以改善提昇，就現行的評估方式而言，主要是利用視覺方式來檢視，這是一種既耗時且缺乏一致性跟客觀性的評估方式［2］。通常，鋼結構橋梁表面塗裝良劣係利用橋梁表面各種狀況之缺陷佔塗裝面 1.

(17) 積之百分比表示，其表示法可分類成兩種方式：一到十等級分類或採優、好、普通、劣表示的分類方式。一般而言，若橋梁的銹蝕小於1-2 %，其處理方式是將銹蝕部分清除並上底漆，再將橋梁漆上一到二層面漆；而若表面生銹大於20-25 % 者，則最經濟的處理方式是將結構外部塗層全部清除，並且重新塗裝。而在中間範圍，通常較難以認定，一般都是採個人主觀的判斷［3］。在美國材料試驗協會(ASTM)規範中對於塗層銹蝕評估的分級方式，係利用銹蝕百分比大小訂定從0到10的不同等級［3］。表1.2表示不同程度銹蝕所應重漆之百分比。然而，利用工程師經驗去判斷銹蝕面積所佔的百分比是十分困難的，且在判斷銹蝕面積的認定上常會有過於主觀判斷的問題，對於同一銹蝕面積的百分比常會有因人而異的判定結果。. 1.2 研究目的本研究目的意圖探討建立一種智慧型鋼構橋梁表面銹蝕面積評估判斷系統，運用於鋼橋表面銹蝕面積難以評估的公路鋼構橋梁上。希望藉由此判斷系統可以提供一個客觀並量化的分析結果。本系統採用小波轉換的基底有較短的持續時間、具有多重解析的特性和時頻兩域局部特徵的能力，來處理數位影像訊號。小波分析的良好解析度與電腦快速的運算能力，能夠去取代人類視覺與經驗上的主觀判斷，並且能有客觀、量化與一致性的特點。本論文主要目標是對於鋼橋表面銹蝕面積難以評估的高速公路鋼構橋梁能發展一種智慧型影像分析評估模式，提供鋼橋表面銹蝕面積判別上的一種輔助工具，對銹蝕影像加以分析提供具客觀性、一致性且量化的程序，並希望藉由深淺銹的區分可以更準確的評估判斷銹蝕程度，以減少高速公路鋼構橋梁維修與保養的成本。. 1.3 相關文獻回顧在研究過程中，參考了許多有關影像處理方面的相關文獻，影像處理在有關影像的辨識、分割、邊界檢測…等方面有許多的研究。而小波理論在訊號的處理 2.

(18) 上與影像壓縮、消噪、識別跟組織成分分析上也都有許多的應用。在影像處理於鋼構橋梁表面銹蝕面積的判別應用則有［4］、［5］等的相關文獻，在［4］中先利用影像處理軟體對影像進行某些處理，再利用Fuzzy與類神經網路來判別無缺陷跟有缺陷的面積的比。在［5］中則是利用影像處理軟體判斷無缺陷與有缺陷面積的閥值(threshold value)位置，並配合人工目視判斷作閥值的修正，以進行二值化的處理，最後利用類神經網路來學習其結果。在本研究中則是利用小波理論來做影像處理，希望可以藉由數學式的轉換找出影像上的有用資訊加以處理，以達到判別無缺陷跟有缺陷的面積的目的，在研究中更進一步的對有缺陷的面積加以分析區分以達到評估判斷銹蝕程度的目的，並結合規範對有缺陷面積的百分比進行評估判斷，對規範中並無明確定義的區域採取模糊集 (fuzzy set)的判別。另一方面可藉由程式的撰寫將影像的龐大數據轉換成真正實用的資訊與相關影像和圖形，來取代影像處理軟體在使用上的一些限制與不便，以建立一套更符合需求與應用的智慧型影像判別系統。. 1.4 研究方法與步驟本研究期望建立出一套鋼構橋梁表面銹蝕面積的智慧型影像判斷模式主要可分為四個階段，茲將研究步驟簡述如下： 1. 文獻回顧收集現行一些有關影像處理方面的參考文獻及相關塗裝規範文獻，以便了解影像處理在塗裝表面應用上的可行性。並了解現行橋梁狀況評估的情形，並就現況的缺失能加以探索，並參考相關小波轉換與影像處理之研究成果與文獻。 2. 資料獲取對於系統所需業的分析案例是從實地拍攝而獲取的影像，而這一些所需的數位影像資料亦能從一些橋梁評估案例中獲取。 3. 系統建構與測試收集的影像資料經由系統處理並建立一分析系統，使用小波分析來處理數位 3.

(19) 化影像，及採用模糊判斷的方法判斷銹蝕面積百分比評估的不確定部分，以建立一塗層缺陷判斷及量化之分析模型。 4. 研究成果分析與撰寫彙整本研究系統分析之成果與相關理論及結論撰寫成論文。. 1.5 論文架構本論文主要分為緒論、鋼構橋梁的銹蝕原因與評估修補、影像處理、小波理論、模糊理論、系統設計與案例分析、結論與建議等七章，各章節內容簡述如下，第一章「緒論」，包含研究背景、研究目的、相關文獻回顧、研究方法與步驟及論文架構等五節：第二章「鋼構橋梁的銹蝕原因與評估修補」，對鋼橋材料銹蝕原因與型態、鋼橋塗裝系統、鋼橋之塗膜劣化與銹蝕評估與鋼橋銹蝕修補技術做一介紹；第三章「影像處理」，將現階段的影像處理相關技術做一介紹；第四章「小波理論」，介紹小波理論的發展過程與應用及其轉換、特性；第五章「模糊理論」，介紹模糊理論及其架構；第六章「系統設計與案例分析」，應用三、四與五章的理論觀念，建立智慧型橋梁表面銹蝕面積評估判斷模式，並介紹一些案例分析；第七章「結論與建議」，對本研究做一通盤的檢討與建議，對其可行性與未來可發展的地方做一說明。. 4.

(20) 第二章鋼構橋梁的銹蝕原因與評估修補 2.1 前言銹蝕發生的基本要素為水與氧的作用，大氣中氧的供給變化情況較小，但水分則常受氣候狀態之影響，變化較大。在乾燥、低溫的冬季，銹蝕很難產生；而在梅雨或高溫、多濕的夏季，銹蝕則極易出現。台灣位處亞熱帶，在梅雨、颱風等多雨的季節裡，銹蝕極易產生。此外台灣屬海島型氣候，空氣濕度高，在早晚溫差變化較大的區域，鋼材表面易因結露而有水滴附著，此均為誘發銹蝕產生之因素。因此，本章節將就鋼構橋梁銹蝕的原因、型態與評估修補作一介紹。圖 2.1~2.16為常見鋼構橋梁的各種銹蝕案例［1］。. 2.2 鋼橋材料銹蝕原因與型態 2.2.1 鋼橋材料銹蝕原因［1］銹蝕是一種自然的現象，將使結構物、金屬機器降低其服務性能。銹蝕是金屬與周圍環境發生化學或電化學反應而使金屬產生損害的一種自然反應。鋼結構物存在於自然環境中，因有氧與水共存而產生銹蝕；氣溫、濕度、降雨量、二氧化硫濃度、海鹽粒子及其他銹蝕性物質，是支配銹蝕進行速度的重要因素［6］。銹蝕產生之鐵銹主要成份為鐵的氫氧化物或氧化鐵水化和物，銹蝕反應的第一階段主要因局部電池的產生而造成鋼材表面特性不均一，此表面若處於銹蝕環，若再接觸到水與氧，則鐵離子將遭分境之中，鐵（ Fe ）將形成鐵離子（ Fe2+ ）解。銹蝕反應的第二階段係銹水內離子相互結合進行後續反應，由鋼材表面分離的 Fe2+ 遇水分解，持續反應成為水和氧化物（ FeOOH ）或紅銹（ Fe2 O3 ⋅ 3H 2 O ），其相關反應如圖2.17所示。紅銹產生後，銹水流出將污染鋼構表面，有礙觀瞻。然而紅銹的產生也並非完全是負面的，有時它亦可提供工程師一些有用的訊息，例如在進行結構物疲勞損傷檢測作業時，若發現塗膜上出現銹水，則大致顯示有疲勞龜裂現象發生；另 5.

(21) 高拉力螺栓摩擦接合面產生紅銹即為確保摩擦係較重要之條件等。此外，紅銹在發生過程中，若氧的供給並不充份時，氧化作用之結果將產生黑度（ Fe3O4 ⋅ nH 2 O ），鋼材若施以噴砂處理，則可去除之，通常鋼材在放置一定時間後，表面常可見黑皮之產生，因此高拉力螺栓接合部位的摩擦面均曾產生黑皮，其位置很快便可確認。. 2.2.2 鋼橋銹蝕型態［1］金屬銹蝕型態由外觀視之，可分為以下八類［7］，見圖2.18：一、均勻銹蝕均勻銹蝕(uniform corrosion)或全面銹蝕(general corrosion)，指整個材料暴露表面產生均勻且略為高低起伏之銹蝕生成物，大都是由電化學反應所引起，為銹蝕中最普遍之一種。一般鋼鐵於大氣中之生銹皆屬此類。二、伽凡尼銹蝕兩個電位不同之金屬，在電解質溶液中接觸，其活性較大者為陽極，比較容易銹蝕；而活性較小者為陰極，抗蝕性較強。兩者間形成一封閉電路而有電流流動造成銹蝕，稱為伽凡尼銹蝕(Galvanic corrosion)或二金屬銹蝕(two-metal corrosion)，當兩金屬電位相差愈大，其銹蝕速率相對也愈大。因工程結構中往往需將不同金屬接合，故造成其中一金屬之嚴重銹蝕，此現象可以伽凡尼偶合引起之銹蝕現象加以解釋。三、間隙銹蝕間隙銹蝕 (crevice corrosion) 或濃差電池銹蝕 (concentration cell corrosion)為發生於間隙處之局部銹蝕，因為溶液於間隙間滯留過久或無法流通，導致缺氧而無法造成間隙口內外溶液濃度差異，形成金屬離子電池；或因溶液含氧量差異，形成氧濃差電池。最常見於乾濕交替造成間隙中殘留溶液濃度變化之處。四、孔蝕. 6.

(22) 由於銹蝕因子破壞材料表面或表面鈍化膜，使得銹蝕破壞以針孔深入穿透方式進行，並沿重力方向延伸及排列，稱之為孔蝕(pitting)。造成孔蝕生成之最大原因為溶液中含有鹵素離子，尤其是氯離子，對金屬具有強烈之親和力，足以穿透金屬表面之鈍化膜。一但氯離子與金屬表面接觸後，將促使金屬離子水解而使鈍化膜脫離。結果金屬失去鈍化作用，而形成活性銹蝕反應。因為氯離子並非全面性穿透鈍化膜，而是發生於某些特定位置，以局部破壞金屬表面氧化膜方式，使每一破損處皆成為一為小陽極，因其面積極小故電流密度特大，遂造成孔蝕產生。孔蝕型態大致可分為深孔淺孔及封閉型三類。孔蝕亦可說是罅隙銹蝕之一特例，一般孔蝕處常有罅隙銹蝕結伴產生，但罅隙銹蝕卻不會伴隨孔蝕，兩者皆屬極端之局部銹蝕，越鈍化之金屬越容易發生。孔蝕因面積小且常覆於銹蝕產物之下，故不易察覺。但一旦事態嚴重時，卻往往發生無法補救之銹蝕災害。五、晶界銹蝕當金屬由液態凝結為固態過程中，是以許多質點為中心，形成交錯之結晶顆粒。通常這些晶粒界面的晶體格子無法匹配，而產生所謂之晶界 (grain boundary)。由於晶界為液態金屬最後凝結部分，具有熔點較低、能量較高且富化學活性等特性。當金屬發生銹蝕時，自然先由晶界處被局部銹蝕，使金屬喪失強度及延展性。晶界銹蝕(intergranular corrosion)最常見於焊道兩旁焊材與母材交界處而引起焊道銹蝕。六、選擇性浸蝕合金是由兩種以上元素所組合而成。當銹蝕過程中，僅有其中之某一元素被選擇性的淬取銹蝕而析出，導致合金成份改變，進而喪失原有特性，稱之為選擇性浸蝕(selective leaching)。就如同化學中利用有機溶劑，將天然生物中某些成分滲取出來，故為其名。一般來說，選擇性浸蝕皆選擇合金中化學活性較大之元素析出銹蝕。七、應力銹蝕 7.

(23) 當外加應力或內部殘留應力與特定銹蝕環境共同作用時，成為應力銹蝕 (stress corrosion)。因應力銹蝕大多伴隨裂紋發生，且方向皆與應力垂直且破裂痕跡沿晶界蔓延，故又稱為應力蝕裂(stress corrosion cracking，SCC)。造成應力銹蝕皆為拉應力，壓應力不會造成應力銹蝕。其應力之來源可為外力，亦可為殘留應力。殘留應力之來源可能來自冷作、焊接或熱處理作用後散熱不均所致。而應力銹蝕不一定產生銹蝕物，但破壞時所承受之應力均小於抗拉強度，亦即於安全設計範圍內，卻往往造成意想不到的災害。八、沖磨銹蝕當金屬與銹蝕環境有相對運動時，兩者間產生相互的摩擦撞擊所造成之銹蝕稱為沖磨銹蝕(erosion corrosion)。金屬銹蝕所產生之氧化物，若沉積或附著於金屬表面，則此氧化物將形成一保護層。若保護層細緻緊密，則此金屬具有良好抗蝕能力，如不銹鋼表面之鈍化膜。相反地，有些結構鬆散多孔，則此金屬較易銹蝕，如鐵銹。銹蝕環境與金屬相對地快速運動，必然造成金屬表面磨損，使保護成除去，暴露出新的金屬面。然後新暴露出之金屬面又重新受到銹蝕，如此不斷循環，而造成沖磨銹蝕。. 2.2.3 大氣中鋼橋銹蝕原因及種類型態［8］大氣中鋼橋銹蝕原因及種類型態以應力或疲勞銹蝕及電位差銹蝕為最常見。例如：1.鋼鐵焊接或螺栓，鉚釘連接處之應力、異金屬或間隙銹蝕；2.支承部或彎角或受張力應力部分之應力銹蝕；3.時常乾濕或留存水分、汙物或水汽部分之電位差銹蝕；4.鋼材受到溫度一次或多次反覆突然改變之影響，熱應力在表面上熱脹冷縮或鋼材在使用前之處理過程中如熔煉，酸洗時氫之介入導致氫介入銹蝕或熱處理銹蝕；5. 鋼材切斷、碰撞或末端部位之應力或濃淡氧電池銹蝕； 6.靠海邊側面之鋼梁、構架易受海風吹襲部位之電位差銹蝕。. 8.

(24) 2.3 鋼橋塗裝系統［1］鋼橋防蝕塗裝系統選擇時，除應考慮其設置地點之環境條件及該環境下塗膜之耐久性外，對鋼構造物之製作方法，施工過程等相關工作也應了解［1］。. 2.3.1 塗裝系統之構成［1］塗裝系統的構成，一般包括表面處理、底漆、中塗漆及面漆等部分。為使塗裝工程能長期維持良好的防蝕效果及美觀，一般油漆塗膜應具有下列之性能： 1. 塗膜厚度要足夠； 2. 與鋼料密接良好（密接性）； 3. 優越之防蝕效果（防蝕性）； 4. 因氣象作用之劣化或損耗小（耐候性）； 5. 防止水之滲透（耐水性）； 6. 對污染物質抵抗力大（耐藥品性）； 7. 塗膜均一性。僅由一層塗膜或一種塗料要滿足上列各項性能是不可能的，故塗裝應分數層實施，方可獲致符合需求之完整塗膜。一般而言，上層塗膜（面漆）應具有良好之耐候性、耐水性、耐藥品性、並須含有著色顏料之塗料；而當為中塗漆之塗料則為對面漆、底漆均具有媒介作用，可調和兩者之差異性及顏色之激變性者。此種以不同性能之塗料，分層塗刷之組合，來發揮整能塗裝之防蝕功能，即是塗裝系統。. 2.3.2 塗裝系統之分類［1］塗裝系統可分為外露與內面用二類。外露用途裝系統之選擇，應考慮所在地點之環境銹蝕因子與其強弱，以及維修難易度等因素。外露用塗裝系統為顧慮構件在運輸、架設或混擬土施工時，可能遭受損傷或污染，一般分為工場塗裝及工地塗裝兩部分。近年來，長跨度橋梁等維修不易之鋼結構物，已漸趨向於選用長 9.

(25) 期防蝕之塗裝系統。鋼構件之內面（如箱梁之內面）塗裝，因與架設位置之環境關係較小，亦無日光、雨風等之侵襲，但因易產生結露或渗水，維修較麻煩，故採用耐久性良好之環氧柏油漆（Tap Epoxy），表2.1~表2.3為日本道路協會所建議之塗裝系統［9］參考表。表中A及B之塗裝系統亦為日本建築學會所認可，適用於建築鋼骨結構防蝕之用。且由表2.1~表2.3所列之塗裝系統，可或下列數點塗裝系統之結論： 1.塗裝系統分為外露及內面用兩類。 2.外露用再細分為一般(A與B) 及長期防蝕（C）兩種型態。 3.外露用之A~C適用範圍如下： A：環境銹蝕因子不強之區域。 B：海岸地區或重化學工業地區等環境銹蝕因子強烈的地區。 C：長期防蝕區（跨海、或其他長跨徑橋梁等檢查、維修不易之鋼結構物） 4.內用面依橋梁施工時有無加熱，區分為D及E類。 D：閉合斷面之內面（40箱梁）。 E：同上，惟因使用鋼橋面鈑之橋梁，由於瀝青面層施工，必須同時要求耐熱性，故此類塗裝系統適用於鋼橋面之內測。 5.塗裝作業分為工廠塗裝與工地塗裝兩大部分，並明定每層油漆間隔時間。. 2.4 鋼橋之塗膜劣化與銹蝕評估 2.4.1 鋼橋之塗膜劣化［1］塗膜劣化各現象分別說明如下［10］： 1.剝離塗膜剝離產生於塗膜與表面處理之界面或多層薄膜之層間處，主要原因有塗料附著力不良或被塗面附著有水份、油脂及鹽份等污染物未與以充分去除，或因塗膜下有銹蝕現象發生等。塗膜剝離後，將降低油漆之防蝕功能，剝離面積較小， 10.

(26) 成不規則形狀者稱flaking；剝離面積較大，呈片狀剝落者稱scaling；偌大部分塗膜均已剝離者則稱為peeling。 2.浮腫浮腫係為局部塗膜自底部產生上浮腫脹之現象而造成塗膜分離，主要因為塗膜與鋼材表面或塗膜與塗膜之間產生氣壓或液壓而造成此種現象。對於常有遭水浸泡之鋼構材，非常容易產生塗膜浮腫。此外，若有水溶性物質或鹽份附著於鋼構材上，當水份侵入時，則將助長塗膜浮腫之發生。另外塗膜下方若有金屬銹蝕發生，因銹蝕反應生成物中存有鹼性物質，對塗膜將起軟化作用，因而遭浮腫。 3.龜裂塗膜產生龜裂主要是由於塗料組合不合宜、乾燥條件不佳、膜厚過大及塗膜老化等原因使得塗膜產生較大的收縮應力而造成。塗膜依其龜裂產生之型態可分為以下二種： checking：僅面漆塗膜產生細長裂紋。 cracking：自面漆至鋼構表面產生裂縫。塗膜龜裂後將使得銹蝕物質得以與鋼構材接觸，進而產生銹蝕。 4.受褪色或污穢塗膜變色主要是由於塗膜中之著色顏料受到紫外線之影響而變質，使得塗料之特定顏料失落導致色系平衡遭到破壞而產生變色。褪色則是由於塗膜受到紫外線之影響，自塗膜表面分解成粉狀的阻塞物，使得塗膜中顏料的性能受到影響造成顏色變薄、變淡。變褪色並不會對塗膜防蝕性能之降低有直接的影響，惟若當塗膜表面已分解粉狀的阻塞物，並由肉眼可顧測到底漆塗膜時，則其防蝕性能將受影響。污穢或光澤降低與防蝕性能並無直接的關係，污穢物可分成油性與非油性等二種，油性污染物很難以清水沖刷乾淨，就美觀上言，鋼橋產生污穢後宜考量予以施補塗裝。 5.生銹塗膜產生龜裂或剝離等劣化現象後，或由於表面處理不當或受銹蝕物質侵入 11.

(27) 將產生銹蝕，銹蝕發生將會促進塗膜劣化的加速進行，故生銹為塗膜劣化之重要指標。依照鋼構表面銹蝕之型態，銹可分成浮腫銹及龜裂銹。浮腫銹發生在金屬表面，在塗膜表面並不會顯現，線狀銹為浮腫銹之一種，在塗膜與鋼構材介面之間若有水份侵入時，將於附著力較弱的部分產生細線狀的銹蝕。龜裂銹亦發生在金屬表面，但亦會顯現在塗膜表面，容易觀察得到。表2.4所示為各種塗膜劣化的原因及其因應處理方法［6］。. 2.4.2 鋼橋之銹蝕評估［1］我國為海島型氣候，各種天然環境與日本頗為相近，國內鋼橋防蝕技術亦多參考日本，因此本節將介紹日本橋梁建設協會「鋼道路橋檢查手冊」［11］有關鋼橋銹蝕評估之相關內容。茲將其相關內容敘述如下：一般為評估鋼橋之銹蝕劣化情形，必須先作檢查，檢查之對象為鋼橋結構物整體，包含主構見及副構件之內外面、鋼製胸牆外側、增設梁、附屬鋼結構等。檢查時需充分了解鋼橋之主構件與副構件之機能與構造概要，若能早期發現鋼橋塗裝有變褪色、剝離、生銹之情形，並作適當的處理，常能大幅地延長結構物之使用年限。鋼橋銹蝕檢查之目的為明確判定劣化等級、究明劣化原因、決定補修與否及補修工法、選定異常事態之處理方法等，因此需根據個別之目的決定適切之檢查項目、檢查方法、判定基準等。鋼橋銹蝕劣化之一般性檢查通常以目視為主，根據所確認之劣化狀況，當有必要由結構觀點來進行健全性檢核、原因究明等之詳細檢查時，於充分檢討結構物之老舊程度、交通量、重要性、結構型式等之條件後，方可實施特別檢查。（1）塗裝檢查 Ⅰ、塗裝檢查之目的為維持鋼結構物之耐久性及環境上之調和，掌握塗裝之劣化程度，並判定是否重新塗裝。 Ⅱ、檢查方法原則為接近結構物各部位檢查，以目視、觸摸及簡單計測進行. 12.

(28) 檢查。 Ⅲ、檢查位置上部結構與下部結構外部塗裝之檢查部位圖2.19~ 圖2.20所示之3部位為標準。 1.I型梁與箱型梁之檢查位置仍以圖2.19所示3部位為標準。 (a) 外梁腹鈑外側。 (b) 全部主梁腹鈑內側。 (c) 下翼鈑下面。 2.鋼橋墩之檢查位置仍以圖2.20所示3部位為標準。 (a) 柱體全面。 (b) 帽梁側面。 (c) 帽梁下面。 Ⅳ、檢查項目如下： 1. 生銹。 2. 剝離。 3. 變褪色。 4. 污穢。 Ⅴ、劣化等級之取樣取樣之對象位置為於每個部位（3部位）上對於每個檢查項目（生銹、剝離、變褪色、污穢）裂化較大之位置附近，取一部位約3cm*3cm（與標準樣本大小同一程度）。原則上依每個檢查項目之劣化狀態標準樣本與現狀比較，來決定劣化等級。 Ⅵ、檢查標準樣本 1. 生銹之檢查標準樣本。採用美國SSPC之標準評估方法(如表2.5)。 2. 剝離之標準樣本：依據日本塗料檢查協化之塗膜評估基準(如表2.6)。. 13.

(29) 3. 變褪色之檢查標準樣本變褪色之判定則依據JIS L 0804之規定(如表 2.7)。 4. 污穢之判定依據JIS L 0804之規定(如表2.8)。 5. 每個檢查項目之平均劣化等級仍是將前述3部位之劣化等級組合(如表2.9)。（2）、銹蝕劣化評估 Ⅰ、評估對象檢查項目：評估對象檢查項目依地區不同分類如表2.10。 Ⅱ、評估判定塗裝檢查之評估依根據3部位平均劣化等級，利用各檢查項目之獨立評估與全部檢查項目組合之兩種方式進行評估。 1. 景觀保護區之評估，如表2.11。 2. 一般區域之評估，如表2.12。 3. 判定區分，如表2.13。（3）、其他檢查項目 Ⅰ、檢查項目必要時可實施下述檢查以作為塗裝劣化度判定之標準。 1. 龜裂。 2. 起泡。 3. 漏水所造成塗膜劣化。 4. 方格試驗。 5. 塗膜阻抗試驗。 6. 附著鹽分判定。 7. 其他損傷。漏水所造成塗膜劣化之檢查項目可作為部分修補之資料，起泡、龜裂、方格試驗及塗膜阻抗試驗之檢查項目則可作為修訂塗裝之設計與施工基準之資料。 14.

(30) Ⅱ、檢查位置上述項目之檢查位置如圖2.21所示位置為標準。 Ⅲ、評估對於上述檢查項目，依據標準樣本以表2.14所示狀態區分加以判定與紀錄。. 2.5 鋼橋銹蝕修補技術 2.5.1 維修塗裝系統［1］維修塗裝因需在已建造完成之工地施工，故受施工期間及工地環境之影響甚大。因此維修塗裝之表面處理及塗裝系統之選擇，必須考慮維修前塗膜劣化之程度，方可決定。維修塗料所採用之表面處理方法，應視鋼鈑表面塗膜劣化及銹蝕程度而定，一般可參考日本道路協會「鋼橋表面處理等級及其適用標準」，既有鋼橋之維修塗裝一般採用清淨度 2~4 級。維修塗裝適用之油漆系統，應與舊塗膜相同之塗裝系統為佳，但因維修塗裝系統在架設現場施工，故難有理想之表面處理，且亦受環境因素影響。因此，在選擇塗裝系統時，應配合現場之各項因素，才能決定。表 2.15 所示者為各種塗料重塗之適合性，可供維修塗裝時選用塗料種類之參考。有關維修塗裝系統，以日本道路協會鋼橋維修塗裝為例如表 2.16~2.20 ［9］。. 2.5.2 維修塗裝施工［1］ 1.維修塗裝方式鋼橋塗膜劣化情況會因構材部位不同而有所差異，理論上若劣化區域不大，可施予局部維修塗裝，但因架設施工鷹架或平台之費用通常很高或因景觀上之考. 15.

(31) 量，部分維修塗裝通常不太可行，目前大多採用當劣化情況已達到容許標準時，即進行全面維修塗裝之方式。箱梁內面因不需考量景觀上之需求，初期劣化通常發生在易積水之部位或施工不良之處。在進行定期維修檢查時，即可針對劣化處進行局部維修塗裝［12］。此外梁端部位由於施工鷹架或平台易於架設，較易局部維修塗裝。對於容易生銹的局部構材藉由定期檢查予以局部塗裝維修之外，對於造成劣化之原因亦因著手予以改善，特別是如何避免積水現象等。然而若因實際條件之限制，無法改善劣化原因時，塗膜應予加厚或採用防蝕性能較為優異之塗料。對於跨海（河）橋而言，搭設施工鷹架或平台以進行維修塗裝並非易事，設計時，應考慮採用防蝕性較為優異之塗裝系統以增加其耐久性［13］，並應考量設置可移動之維修台車以便日後進行局部維修塗裝之用。 2.表面處理表面處理係將附著於鋼材表面之銹、有害物質或劣化塗膜等予以去除，以使舊塗膜予新塗膜及其層間具有良好的附著力。塗膜之耐久性受表面處理之良窳影響甚鉅，故在選定表面處理方法時應予慎重檢討［14］。維修塗裝之表面處理如表 2.21 所示分成四個等級，各種塗膜劣化程度及其對應之表面處理方式如表 2.22［9］。 1 級表面處理需採用噴砂作業，噴砂為良好的表面處理方式，惟因對於周邊環境會產生銹屑或塗膜片非散的問題，故不太容易在現場施行，通常多係以動力工具或手工具替代之，為這些工具的表面處理效果僅限於表面，對於孔蝕或凹處生銹等則除銹相當困難。 2 級表面處理係針對銹、龜裂、浮腫及剝離等塗膜顯著劣化的部分，將劣化塗膜的全厚及鋼材之銹予以去除。. 16.

(32) 3 級表面處理係針對構材上混合存在活膜及死膜（塗膜喪失機能者）時，將附著於活膜上之粉化物或污物予以去除，並將死膜部份之塗膜完全除去直到露出鋼材表面。 4 級表面處理係將附著於活膜上之粉化物或污物予以去除，使構材內仍殘存活膜部份。對於位於海上或鄰接海岸的鋼橋而言，進行維修塗裝之前需先對附著於舊有塗膜表面上之鹽分予以去除，附著鹽分多具有吸濕性，表面處理很難利用機械化工具予以清除，日本曾對於濱海鋼橋實際測試，發現以高壓水柱清洗最為有效，如表 2.23 及表 2.24 所示。. 2.5.3 維修塗裝施工之注意事項［1］維修塗裝通常對於中塗漆及面漆均須予以全面性第重新塗佈，惟底漆部份則依表面處理等級之不同，塗刷次數較將有所差異。對於露出鋼材表面之部份，應採用與原塗裝系統相同之底漆塗料，塗佈二或三層，對於底漆仍殘存活膜者，則塗佈次數可以少一次。進行 4 級表面處理的維修塗裝時，為使舊塗膜與中塗漆具有良好的密著性，底漆只需塗佈一層即可。既設結構物在進行維修塗裝時，須考量對周邊環境是否會造成污染或噪音、是否具有足夠的動力來源、施工平台或鷹架的架設位置是否有無問題等，由於受到上述限制條件之影響，維修塗裝之作業效率較新設塗裝者為差。此外，除去劣化塗膜或銹之後進行維修塗裝時，為確保塗膜的防銹性能，施工時須慎重小心，茲將施工時之注意要點列述如下： 1.表面處理所產生的細銹或銹渣等在進行塗裝前應予以去除，不使其仍殘留附著於構材表面。 2.表面處理後之鋼材通常很容易再生銹，因此在表面處理完之當天內即要完成第一層底漆，若無法於當天內完成時，該部份即須再行表面處理。 17.

(33) 3.經表面處理之部份若有產生比周邊部位較為凹陷之情形時，該部份在進行塗料塗漆時，應注塗膜須具有足夠厚度，且若凹陷部份與周邊產生明顯落差時，施工時應設法降低該等落差。 4.維修塗裝之塗膜厚度隨表面處理等級之不同而有差異，塗膜管理不可以新設塗裝之塗膜規定為基準，此在施工時應特別留意。. 18.

(34) 第三章影像處理 3.1 前言［15］所謂影像處理(image processing)就是對影像訊息進行加工處理，以滿足人的各種實際運用要求，影像處理可以運用光學方法，亦可以使用電子學的方法進行。從六十年代開始，隨著電子計算機的發展，數位影像處理(digital image processing)的發展呈現快速的發展，而所謂數位影像處理就是利用數位計算機或其他硬體，對於數位訊息加以某些數學運算，以期提高影像的實用性，達到預期之目標。數位影像處理除可以改善影像資訊使人理解外，它還能使機器人像人一樣具有視覺感官的能力。不論是過去許多以成功的數位影像處理應用還是更多開發中的應用，都屬於這兩類。影像處理技術最早期的應用之一可回溯到二十世紀初，用來改善倫敦和紐約間經海底電纜發送之圖像的品質，一直到五零年代，隨著大型數位計算機和太空科學研究計畫的出現，大家才注意到影像處理的潛力。1964 年在美國航太總署的噴射推進實驗室開始用計算機技術改善從太空探測器獲得的影像，當時用計算機處理由巡航者七號(Ranger 7)傳回的月球照片，以校正電視攝影機所存在的幾何失真或響應失真。其後有一連串的星際探測計畫，一直到現在都在持續不斷送回更多影像。從 1964 年起今，影像處理領域有快速的發展。除了太空計畫中的應用，目前數位影像處理技術還用於解決其他問題。主要的應用領域如下。生物醫學領域：首先用於細胞分類、染色體分類和放射影像的處理。醫學影像的種類包含 X 光影像、同位素影像、核磁共振影像、超音波影像、紅外線影像以及顯微影像等。對這些影像增強對比度或將亮度準位著色等之處理，可以幫醫師診斷如肺病、腫瘤及心血管等疾病。遙測資料分析： 19.

(35) 遙測常以顏色為依據，由飛機、衛星及太空船上的多光譜(multi-spectral) 掃描器攝得影像，範圍從可見光至紅外光(有時含紫外光)分成幾個頻帶，每個頻帶所攝得的顏色都不同，可用於土地使用、作物收成、作物病害偵測、森林集水資源調查、環境污染偵測、地質與地形分析、礦物探勘及氣象預測等。科學研究：例如考古學家可用影像處理方法復原模糊或其它惡化狀況的珍貴文物影像。在物理學上可增強在高能態電漿及電子顯微鏡等的實驗影像，以增加對實驗結果的瞭解。一般工商業應用：例如用於非破壞性影像處理的檢測，又如運動員運動影像分析、機械人自走、道路狀況判斷、條碼讀取、指紋、瞳孔、顏面等影像之身份辨識等。通訊與電腦資料儲存：包含傳真機、影像電話及視訊會議等都採用影像資料壓縮的技術，使通訊更快速。此外，採同樣的技術可大大降低影像資料儲存量以降低儲存負擔。整個影像處理的領域仍在蓬勃發展中，其原因有：(1)電腦功能對價格比越來越高；(2)影像擷取與顯示設備更加普遍與便利；(3)影像處理的觀念普及，容易創造新的應用。. 3.2 影像的表示［15］影像以其最廣義的觀點是指用視覺來看的物件。舉凡照片、圖畫、電視畫面以及由透鏡、光柵及全息圖 (hologram) 所構成的光學成像等均屬之。令 F ( x, y , t , λ ) 代表上述影像源在空間座標 ( x, y ) ，時間 t 且波長為 λ 情況下所散發之. 空間能量分布，此分佈通成可視為一個具正時數且有上界的光強度函數，亦即 0 < F ( x, y , t , λ ) ≤ A. (3.2-1). 其中 A 為最大的影像強度。此外不論就實際影像的考量或數學上討論的方便，. x 、 y 與 t 應該也是有界的，例如. 20.

(36) 0 ≤ x ≤ Lz 0 ≤ y ≤ Lt. (3.2-2). 0≤t ≤T 我們對上述光強度函數的反應常用瞬間強度來表示： ∞. f ( x, y, t ) = ∫ F ( x, y, t , λ )V (λ )dλ 0. (3.2-3). 其中 V (λ ) 為相對亮度效率函數，換言之是人類視覺的頻譜響應。同理人對色彩的反應也可以用類似(3.2-3)式的方式來表示。對一個任意的紅-綠-藍座標系統，其三原色的瞬間值為. f f f. ∞. R. ( x, y, t ) = ∫ F ( x, y, t , λ )R(λ )dλ. G. ( x, y, t ) = ∫ F ( x, y, t , λ )G (λ )dλ. B. ( x, y, t ) = ∫ F ( x, y, t , λ )B(λ )dλ. 0. ∞. 0. ∞. 0. (3.2-4a) (3.2-4b) (3.2-4c). 其中 R (λ ) 、 G (λ ) 、 B (λ ) 分別為對紅、綠、藍三原色的頻譜響應。如果是更多個感應的影像，則第 i 個頻譜的影像為. f. ∞. i. ( x, y, t ) = ∫ F ( x, y, t , λ )Si(λ )dλ 0. (3.2-5). 其中 Si (λ ) 是第 i 個感應器的頻譜響應。如果影像內容不隨時間變化，或相當於 t = t 0 (一個定值)時所得影像，則 (3.2-1)式到(3.2-5)式中的時間因子可移除，此時所得影像稱為靜態影像(例如一張照片)，反之稱為動態影像(例如電視的連續畫面)。因此一個單色(monochrome) 靜態影像可用一個二維的光強度函數 f ( x, y ) 來表示，其中 x 與 y 表空間座標，而任意點 ( x, y ) 的 f 值與在該點影像的亮度(或灰階度)成正比。一個數位影像是影像 f ( x, y ) 在空間座標和亮度上都數位化後的影像。可將數位影像視為一個矩陣，矩陣的行與列的值決定一個點，而對應的矩陣元素直就是該點的灰階度。此種矩陣的元素值稱為像素(picture element 或 pixel)，所對應的灰階度可稱為像素值。因此像素可以說是數位影像的最基本單位。. 21.