瀝青混合料CT圖像分割技術(shù)及其效果分析

劉佳輝，李 智

（華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510640）

瀝青混合料CT圖像分割技術(shù)及其效果分析

劉佳輝，李 智

（華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510640）

在最大類間方差法（OTSU法）的基礎(chǔ)上，設(shè)計了環(huán)狀分塊方法，用以解決在處理路面芯樣CT圖像灰度圖無明顯雙峰，目標(biāo)集料顆粒與瀝青膠漿背景分割的技術(shù)難題，并著重從圖像分割效果方面設(shè)計試驗，開展了評價研究。結(jié)果表明:采用環(huán)狀分塊和OTSU法相結(jié)合的改進(jìn)算法，圖像的分割質(zhì)量明顯提高。進(jìn)一步與最佳閾值法（手動）相比較，采用粗集料顆粒面積比作為指標(biāo)，定量地評價了環(huán)形分塊OTSU法的精度，結(jié)果理想。

瀝青混合料;圖像分割;環(huán)形分塊;OTSU法

基于工業(yè)CT技術(shù)對于瀝青混合料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)研究［1］，其數(shù)字圖像處理及其各組分的準(zhǔn)確分割十分關(guān)鍵，也是國內(nèi)外的研究熱點之一［1-4］。但這些研究中所用圖像大都是基于對試件切片后通過CCD相機(jī)獲取的，其灰度直方圖具有明顯雙峰［1-2］。由于CT圖像成像原理的不同［5-6］，導(dǎo)致試件圖像中心軸不同距離的位置呈現(xiàn)明暗程度差異（中間暗，周邊亮），其灰度（或CT數(shù)）圖未呈現(xiàn)明顯的雙峰或多峰。大量的實驗證明，普通瀝青混凝土試件和實際路面采集回來的芯樣的CT圖像一般沒有明顯雙峰（圖1），且隨著集料本身成分的非均勻性情況的加重，所獲得圖像的亮度不均勻性問題也更加突出。筆者針對這一技術(shù)難題，提出了一種環(huán)狀分塊和最大類間方差法（OTSU法）相結(jié)合的自適應(yīng)閾值選取方法，從提高運算速度和分割精度兩方面對最大類間方差法進(jìn)行了改進(jìn)性試驗研究;另一方面，設(shè)計對比試驗，對該方法的準(zhǔn)確性和效果進(jìn)行了評價。

圖1 瀝青混合料CT掃描斷面圖及直方圖Fig.1 Mixture and histogram of section diagram of asphalt scanned by CT

1 改進(jìn)最大類間方差法的算法與實現(xiàn)

1.1 最大類間方差法（OTSU法）

最大類間方差法（OTSU或大津法）是一種自適應(yīng)的閾值確定方法［7-9］，其基本原理是將圖形分為目標(biāo)和背景兩部分，兩類之間的方差越大，說明兩類之間的差別越大，將目標(biāo)誤認(rèn)為背景或者將背景誤認(rèn)為目標(biāo)都會使得兩部分差別變小，因此，使類間的方差最大就意味著錯分的概率最小。

經(jīng)過對瀝青混合料CT圖像的具體實驗發(fā)現(xiàn)，最大類間方差法致命的缺陷是當(dāng)目標(biāo)物與背景灰度差不明顯或者掃描圖像亮度不均勻時，會出現(xiàn)無法忍受的大塊黑色區(qū)域，甚至?xí)G失整幅圖像的信息，同時它對噪聲和目標(biāo)大小十分敏感。

1.2 基于環(huán)狀分塊和OTSU法的改進(jìn)法

針對CT成像圖像中同種物質(zhì)（集料）在圖像中從中心到邊緣灰度逐漸增大的特點，慮將圖像分成不同的同心圓環(huán)處理，對各圓環(huán)分別用OTSU法進(jìn)行自適應(yīng)閾值法分割圖像，稱該方法為改進(jìn)的最大類間方差法。具體算法步驟為:

1）為取得良好分割效果，必須對原始圖像進(jìn)行一些預(yù)處理工作，主要有圖像類型轉(zhuǎn)換、濾波降噪、數(shù)字形態(tài)學(xué)運算、孔洞填充等步驟，所有過程均采用MATLAB語言編程實現(xiàn)，這里不再贅述。

2）將預(yù)處理后的整幅圖像分為一系列相互之間由50%重疊的圓環(huán)（中心為圓盤）的子圖像，如圖2（這里以5環(huán)為例）。

圖2 分割后的子圖像Fig.2 Segmented sub-images

3）對各子圖像采用OTSU法分別求算目標(biāo)和背景的灰度閥值

按照上述算法將原始圖像分為5張圓環(huán)（中心為圓盤）的圖像，其中一環(huán)代表一個子圖像，圖3表示各子圖像的灰度直方圖，表1為分塊數(shù)為5時各環(huán)分割閾值統(tǒng)計。

圖3 各子圖像灰度直方圖Fig.3 Histogram of each sub-images

表1 分塊數(shù)為5時分割閾值Table 1 Segmentation threshold table of 5 blocks

4）將整幅圖像分為與第2步環(huán)中線位置重合相互之間連續(xù)但不重疊的圓環(huán)（中心為圓盤）的子圖像，利用第3步求出的閥值區(qū)分得到目標(biāo)圖像，將各子圖像組合得到整幅圖像的目標(biāo)分割圖像。環(huán)形分塊分處理組合后得到的圖像如圖4。

圖4 環(huán)狀分塊OTSU法分割處理圖像（5環(huán)）Fig.4 Images processed by method of circular block OTSU（5 rings）

5）利用OTSU法分步處理圖像可以逐步分割出背景、空隙、瀝青膠漿和集料。OTSU法每次只能將圖像分成背景和目標(biāo)，對前一次分割得到的目標(biāo)再次使用OTSU法分割，這樣第1次分割的背景即為空隙圖像背景和空隙，對第1次分割的背景再次分割的目標(biāo)可視為空隙，第3次分割的目標(biāo)可視為集料，空隙與集料間的部分可視為瀝青膠漿，得到的圖像如圖4（c）大津法分割處理的圖像，圖中深灰色為區(qū)分出的集料，淺灰色為區(qū)分出的瀝青膠漿，黑色為區(qū)分出的空隙。從圖4（c）可以看出，分割的整體效果很好。

但環(huán)形分塊+OTSU的改進(jìn)法分割效果是否準(zhǔn)確還需要進(jìn)一步驗證。

2 應(yīng)用改進(jìn)算法進(jìn)行圖像分割的對比效果分析

考慮到集料顆粒在整個圖像中的重要性，進(jìn)一步對比驗證研究主要圍繞集料成分來進(jìn)行，具體驗證工作包括3個方面:效果比對、運算效率（耗時）和精度分析。

效果對比研究實驗方案為:以環(huán)形分塊和OTSU結(jié)合的改進(jìn)法為基礎(chǔ)，同時選擇了經(jīng)典OTSU法［8-9］、模式識別領(lǐng)域的混合高斯模型（GMM）［10］和模糊 C 均值聚類（FCM）［11］3 種方法對瀝青路面芯樣且只具有灰度直方圖單峰的瀝青混合料CT圖像進(jìn)行處理，檢驗了改進(jìn)算法的有效性，圖5為4類處理方法對同一掃描斷面圖最終分割二值圖。

圖5 瀝青混合料芯樣CT圖像分割效果比較Fig.5 Comparison chart of asphalt core sample CT image segmentation

由圖5明顯可以看出，環(huán)形分塊OTSU法分割的效果較另外3種方法優(yōu)勢明顯，集料邊界比較清晰，大粒徑的顆粒幾乎都能完整的顯示出來，整體效果很好。相比之下，另外3種方法都出現(xiàn)了致命的問題。OTSU法次之，F(xiàn)CM法再次之，GMM方法分割最差。

4種方法在處理時間上也存在較大的差異，瀝青混合料圖像分割耗時比較見表2。

表2 瀝青混合料圖像分割耗時比較Table 2 Time-consuming comparison table of asphaltimage segmentation

數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在綜合分割效果和運算效率兩種因素的情況下，針對瀝青混合料AC-20C芯樣CT圖像的自身特性，選擇環(huán)形分塊和OTSU相結(jié)合方法作為集料顆粒分割的主要處理方法，可以獲得較滿意的分割結(jié)果，使圖像能夠?qū)崿F(xiàn)較好的二值化效果。

3 改進(jìn)算法分割精度的評價

采用人工手動處理某張圖像，可以很好的將集料顆粒識別出來，相當(dāng)于十分準(zhǔn)確的判別了分割閾值，稱之為最佳閾值法（手動），為評價改進(jìn)法的準(zhǔn)確性，可針對特定圖像，與最佳閾值法（手動）相比較，同時引入粗集料顆粒面積比［1，3］為指標(biāo)，定量地評價了環(huán)形分塊OTSU法的精度。

3.1 扇形掃描方法

對于通過CT掃描獲得的瀝青混合料試件圓形截面來說，采用扇形掃描較為合適，如圖6。

圖6 扇形掃描示意Fig.6 Sketch map of sector scanning

以試件截面y軸正向為起點，以圓心為轉(zhuǎn)軸，沿順時針方向θ為掃描角度，得到一系列扇形斷面，將掃描斷面內(nèi)累計粗集料顆粒面積之和與扇形面積的比值定義為顆粒面積比，分別計算每次掃描區(qū)域內(nèi)的顆粒面積比，通過對兩種方法處理獲得的圖像的顆粒面積比的統(tǒng)計分析來評價改進(jìn)算法的準(zhǔn)確性。根據(jù)實驗分析，扇形掃描面積以最大顆粒面積的兩倍為宜。筆者研究通過分析計算后得到掃描角度θ為15°，則每個截面被劃分為24個區(qū)域。

3.2 分割精度的評價

從同一試件得到的CT圖像中隨機(jī)抽出8張，分別按環(huán)形OTSU改進(jìn)法和最佳閾值法（手動）進(jìn)行處理，然后通過本文方法分別對處理后的圖像進(jìn)行掃描得到各幅圖的顆粒面積比的數(shù)據(jù)，用統(tǒng)計學(xué)方法分析評價改進(jìn)算法的精度，從而驗證改進(jìn)算法的可行性。其中，第1張截面圖像和其被處理后的圖像如圖7。

圖7 圖像分割效果對比圖Fig.7 Comparison chart of image segmentation

按照本文所述的方法分別對兩種方法處理后的圖像進(jìn)行掃描分析顆粒面積比數(shù)據(jù)，掃描結(jié)果如表3和圖8。

表3 截面顆粒面積比掃描結(jié)果對比Table 3 Comparison table of scan results of section particle area ratio

由表3可知，環(huán)形OTSU改進(jìn)法分析處理瀝青混合料CT掃描圖像的識別的準(zhǔn)確性與手動處理評價結(jié)果表明，整體數(shù)據(jù)基本呈現(xiàn)負(fù)偏差（即存在漏判），但偏差很小，顆粒面積比的偏差量介于-0.068～0.021之間。進(jìn)一步的統(tǒng)計分析顯示（圖8），兩種方法的結(jié)果具有較好的相關(guān)性。

圖8 兩種處理手段結(jié)果對比Fig.8 Results comparison chart of means of two treatments

4 結(jié)論

筆者以O(shè)TSU法為基礎(chǔ)，經(jīng)大量真實圖像進(jìn)行仿真實驗，提出了一種環(huán)形分塊OTSU改進(jìn)法，用以解決瀝青路面芯樣CT圖像灰度圖無明顯雙峰，無法實現(xiàn)有效地提取集料的難題。通過以集料顆粒為對象，分別對分割效果、運算效率和識別準(zhǔn)確性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，環(huán)形分塊OTSU改進(jìn)法分割的效果優(yōu)勢明顯，OTSU法次之，F(xiàn)CM法再次之，GMM法分割效果最差。運算效率上，環(huán)形分塊OTSU改進(jìn)法優(yōu)于OTSU法，GMM法和FCM法相對較差。識別精度分析顯示，改進(jìn)法的識別準(zhǔn)確性較高，改進(jìn)法與對比法的相關(guān)性較好。

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Image Segmentation and Its Effect of Asphalt Mixtures Using Computed Tomography Images Method

LIU Jia-hui，LI Zhi
（School of Civil Engineering ＆ Transport，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

A circular blocking method is designed on the basis of OTSU method.This method is proposed to resolve the technical problems of segmentation between target aggregate particles and asphalt mortar background in CT image gray of pavement core samples without obvious bimodal.Moreover，evaluation studies are carried out through designing experiments emphatically from image segmentation.The results show that the quality of image segmentation has been improved significantly by using circular blocking method and OTSU method together.Furthermore，comparing with the optimal threshold method（Manual），the accuracy of the circular block OTSU method is evaluated quantitatively by using area ratio of aggregate particles as an indicator，and the result turns out to be ideal.

asphalt mixture;image segmentation;circular blocking;OTSU

U414.1

A

1674-0696（2011）06-1335-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.18

2010-04-12;

2011-06-28

湖南省交通廳科技進(jìn)步與創(chuàng)新計劃項目（200809）;廣東省交通廳重點工程項目（2009-01-003）;華南理工大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目（2009ZM0099）

劉佳輝（1987-），男，湖南衡陽人，碩士研究生，主要從事路面材料方面的研究。E-mail:liujiahui213@163.com。