數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，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特征的二維指標，玄武巖9.5mm檔集料顆粒研究得出：二維指標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。

【關鍵詞】道路工程；集料；形態特征；數字圖像處理

引言

集料棱角性對瀝青混合料性能的影響十分重要的，許多外國學者都對集料棱角性的評價方法展開系統研究。為此，本文采用數字圖像處理技術（DIP）技術，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 集料幾何形態特征指標

集料的形狀特征會影響瀝青混合料的力學特性和使用性能，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的。提出基于集料幾何形態特征可分為二維指標。

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，集料形態特征量化指標可以從等效橢圓的關系來引出。

（2）

用圓度來表示集料顆粒接近與圓的程度，可表征為

（3）

3 集料形態特征量化指標分析研究

測量結果中，長度、寬度單位是以像素為單位的，因此要進行單位的轉化，已知圖中一角硬幣直徑19mm。選中硬幣的外輪廓進行標尺設定，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

量化集料形態的二維、三維量化指標，以玄武巖9.5mm中的40個顆粒為例，分析其七個關鍵指標來評價各指標的相互關系，具體形態特征量化指標計算結果如圖4所示。

圖4 玄武巖9.5mm的形態特征量化指標

圖4中玄武巖9.5mm的形態特征量化指標可以看出，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的下方呈現出相似的變化規律，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荷載下集料顆粒的定向排列發生的可能性較小，可以獲得很好的車轍性能。

4 結語

（1）對采集到的圖像進行PS軟件預處理，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化便于軟件的計算。

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

設進行集料的形態研究，采用形狀參數的加權平均值來計算分析。

（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荷載下集料顆粒的定向排列發生的可能性較小，可以獲得很好的抗車轍性能。

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