數(shù)字圖像處理下集料形狀特征量化研究

張毓 董永強

【摘要】本文針對不同巖性集料形狀特征，首先獲取集料二維圖像，基于厚度下的集料體積模型假設(shè)，對二維圖像下的集料體積模型進行研究。提出了集料幾何形態(tài)特征的二維指標(biāo)，玄武巖9.5mm檔集料顆粒研究得出：二維指標(biāo)圓度和凸度都接近于1，而軸度和針度值較小，表明該檔玄武巖集料細長比不大，顆粒形狀比較好。

【關(guān)鍵詞】道路工程；集料；形態(tài)特征；數(shù)字圖像處理

引言

集料棱角性對瀝青混合料性能的影響十分重要的，許多外國學(xué)者都對集料棱角性的評價方法展開系統(tǒng)研究。為此，本文采用數(shù)字圖像處理技術(shù)（DIP）技術(shù)，對不同集料形狀特征量化研究。

1 集料的圖像識別與處理分析

本文通過使用高倍數(shù)碼相機進行集料圖像的獲取，采用白色背景，中間使用一角硬幣參照，以此選取標(biāo)尺能較準確的獲得集料的實際平面尺寸。利用IPP軟件進行形態(tài)分析。

圖像識別的目的是對圖像中感興趣的對象進行測量，以獲得它們的客觀信息，從而對對象的進行分類、評價。而圖像處理的目的則是使這一識別過程更方便、更準確。

對采集到的圖像通過PS進行圖像增強等預(yù)處理，通過MATLAB平滑分析及灰度門限法進行閥值分割。選取玄武巖9.5mm為例，進行PS預(yù)處理后的圖像如下圖1，然后利用IPP軟件進行處理，圖2為IPP處理后的輪廓圖像。

圖1玄武巖9.5mm集料采集圖像

圖2 IPP對玄武巖9.5mm輪廓選取圖

2 集料幾何形態(tài)特征指標(biāo)

集料的形狀特征會影響瀝青混合料的力學(xué)特性和使用性能，針片狀顆粒集料對瀝青混合料的性能不利是我們所不希望出現(xiàn)的。提出基于集料幾何形態(tài)特征可分為二維指標(biāo)。

集料的棱角性所反映的是集料表面輪廓上角度的變化，角度變化越鋒利則表現(xiàn)為更凸或則更凹。這里引用等效橢圓的概念，是由于等效橢圓較好的保持了顆粒形狀，橢圓的棱角性為0，因此，基于周長的棱角性可表征為

（1）

式中：Perimeter為集料輪廓周長；Perimeterconvex為凸面的周長；P為凸度。

依據(jù)等效橢圓可以保留集料輪廓形狀特征，最小化了輪廓形狀對棱角性量化的影響，集料形態(tài)特征量化指標(biāo)可以從等效橢圓的關(guān)系來引出。

（2）

用圓度來表示集料顆粒接近與圓的程度，可表征為

（3）

3 集料形態(tài)特征量化指標(biāo)分析研究

測量結(jié)果中，長度、寬度單位是以像素為單位的，因此要進行單位的轉(zhuǎn)化，已知圖中一角硬幣直徑19mm。選中硬幣的外輪廓進行標(biāo)尺設(shè)定，然后就可以進行測量分析。首先進行誤差分析驗證，如圖3所示，硬幣對象編號51測得的平均直徑結(jié)果為18.963mm。誤差僅為0.95%，表示可以滿足誤差的要求。然后進行集料顆粒的軟件識別計算。

圖3 硬幣對象51號輪廓的獲取圖

量化集料形態(tài)的二維、三維量化指標(biāo)，以玄武巖9.5mm中的40個顆粒為例，分析其七個關(guān)鍵指標(biāo)來評價各指標(biāo)的相互關(guān)系，具體形態(tài)特征量化指標(biāo)計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 玄武巖9.5mm的形態(tài)特征量化指標(biāo)

圖4中玄武巖9.5mm的形態(tài)特征量化指標(biāo)可以看出，圓度和凸度都接近于1，說明玄武巖9.5mm輪廓形狀的變化不大，凸度P基本等于1，集料的凸面周長與集料周長基本一致，表面玄武巖顆粒的棱角性和紋理較小，集料相應(yīng)之間的空隙率也較小，球度DS和形狀因子SF都在1的下方呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，差異性變化不大，其針度介于1.07-2.31之間，扁度介于1.55-2.85之間，而軸度AS（等效橢圓的長短軸比）介于1.09-2.08之間，表明細長比較小，扁平狀和針片狀含量較小，顯然可以得到玄武巖9.5mm集料顆粒的破壞或者在重復(fù)荷載下集料顆粒的定向排列發(fā)生的可能性較小，可以獲得很好的車轍性能。

4 結(jié)語

（1）對采集到的圖像進行PS軟件預(yù)處理，包括圖像增強、灰度變化等，然后通過MATLAB平滑分析及灰度門限法進行閥值分割。使用IPP進行輪廓提取和對象轉(zhuǎn)化便于軟件的計算。

（2）假設(shè)同一料場骨料的來源相同，厚度應(yīng)該或多或少與寬度有一定關(guān)聯(lián)。通過此種體積模型的假

設(shè)進行集料的形態(tài)研究，采用形狀參數(shù)的加權(quán)平均值來計算分析。

（4）以玄武巖9.5mm中的40個顆粒為例，IPP研究得出：玄武巖顆粒的棱角性和紋理較小，集料相應(yīng)之間的空隙率也較小。扁平狀和針片狀含量較小，因此玄武巖9.5mm集料顆粒的破壞或者在重復(fù)荷載下集料顆粒的定向排列發(fā)生的可能性較小，可以獲得很好的抗車轍性能。

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