基于MATLAB 數字圖像處理技術低水泥含量級配碎石材料的定性分析

王文野

摘要：近年來對低水泥含量級配碎石混合料的研究逐漸從宏觀的路用性能向內部細觀破壞損傷。然而在對低水泥含量級配碎石混合料材料內部細觀研究中CT掃描技術應用后，所得到的圖片如何經過適當處理，進而科學的提取有效數據，成為了進一步細化的科研瓶頸。本文利用MATLAB數字圖像處理技術，實現對掃描圖片直方圖的均衡化和空間域濾波增強。科學的削弱了干擾和噪聲，讓圖像變得清晰，材料內部組成分明，便于計算機數據提取和分析，為低水泥含量級配碎石基層材料的細觀研究的定性分析提供了方法和依據。

關鍵詞：低水泥含量級配碎石;數字圖像處理技術;定性分析

一、數字圖像處理的概念

數字圖像處理實際上是一個或一段能夠被計算機捕捉、處理并識別的數字矩陣。計算機圖像處理中以顏色和灰度級定義和劃分圖片，如 0到255之間的范圍內的矩陣的灰度圖像、二值圖像等，這些圖像的劃分和形式目的是突出和增強試驗圖像中的重要信息。在低水泥含量級配碎石是基層的研究中，CT掃描基層材料試樣后獲得路基基層切面掃描的圖片往往不夠清晰或結構分布不明顯，在不做數字圖片處理的情況下，往往很難識別內部孔徑大小和孔徑數量，后期數據處理和提取無法進行。數字圖像處理利用 MATLAB 圖像處理技術從技術的層面為CT掃描研究基層材料細觀損傷提供了方法和依據。

二、數字圖像處理的適用性

數字圖像處理不會因媒介操作或存儲裝置的變換而導致掃描圖像質量的減弱，并且可逆和再現性能良好。對于經過復雜操作和大量時間試驗后獲得的CT掃描圖片的保存、數據可逆再現以及基礎數據提取具有重要作用。

數字圖像處理使數據提取精度更高。現代攝像和掃描設備技術的更新，使得圖像的數字化精度足以滿足實驗材料的提取精度要求。[1]只要通過MATLAB的計算機數據編程和數組參數的調整就可以很好地實現試驗材料掃描圖像信息的提取，既提高了數字提取的效率又降低了經濟成本。

基于 MATLAB 的數字圖像處理應用能夠很好表達數學公式和邏輯關系，實現線性和非線性運算和處理。

三、低水泥含量級配碎石基層CT掃描圖像增強

（一）灰度直方圖

灰度直方圖展示了圖像的清晰程度，它在圖像局部和整體都起到很好的表示效果，并能很好地以直方圖顯示的方式替代各樣分辨率的圖像，從直方圖的均勻分布程度判定圖片的清晰程度。本文通過MATLAB圖像處理軟件利用函數imhist（I，n），繪制出CT圖像直方圖，如圖1及圖2所示。

從原圖像的直方圖中可以看出，圖像中兩個波峰不夠顯著，且局部過于突出，顯然圖像不夠均勻，這說明CT試驗直接掃描出的圖像對比度不夠，不足以滿足分析研究要求，應增加對比度。本文通過使用Matlab計算機軟件中J=histeq（I ） 函數在原有直方圖處理的基礎上，未解決波峰突出問題，進行均衡化處理，進一步解決直方圖波峰不夠顯著的問題，使圖像各部分趨于均衡，結果如圖處理后圖像如圖3及圖4所示。

經過計算機的運算處理，在直方圖均衡化后，圖像的灰度的比例得到很大程度的改善，各層次分布更加均勻，使得處理后的圖片中能夠進一步看清材料內部的骨架、集料和空隙等組成，并且此項工作具有可逆性。[2]通過處理前后對比觀察，發現經過直方圖均衡化處理過的圖像雖然整體亮度提升，但此次處理缺少選擇數據的方法和過程，造成了無用信息的對比度的增加，灰度級數減少，個別空隙和邊界模糊不清。為使材料圖像各組成部分進一步清晰，邊界進一步明確，有效數據科學提取，進行空間域濾波增強處理。

（二）空間域濾波增強

本文利用空間域濾波中平滑處理方法使圖像中的多余亮點有效減少，同時刪除多余圖像的噪點。在已有的技術處理基礎上增加圖像銳化技術進而保證圖像邊緣和亮度變化率很大的部分的細節足夠突出，使模糊圖片再處理后變得更加清晰，基層材料空隙和裂紋更容易被識別。[3]

經過多種圖片處理方法的對比篩選，最終選擇符合本文研究需求的中值濾波降噪進行圖片的優化處理，其數學函數形式如下。

利用MATLAB軟件中計算函數medfilt2對圖像進行清晰度和識別度比較和平滑處理，最終得到試驗研究所需圖像。

四、CT掃描圖像特征分析

通過MATLAB 圖像處理后的掃描圖像可清楚的看到材料內部的組成分布情況，以及隨著溫度的變化內部裂紋形態。通過MATLAB和圖像分析軟件對掃描圖像的信息進行提取，并在五個代表恒定溫度下（-30℃、-15℃、0℃、15℃，30℃）開展細觀結構變化觀察，定性直觀比較分析得出低水泥含量級配碎石基層材料優缺點[4]。

通過試驗掃描結果的提取發現在五個恒定對低水泥含量級配碎石和普通水泥穩定碎石試件的內部結構細觀組分識別對比可知，低水泥含量級配碎石各層骨料和集料中孔洞、空隙較多，其原因在于水泥用量減少造成的結合粘聚力不足，細致觀察發現雖空隙增多，但分布比較均勻且密集，這源于良好的設計集配，形成了各層次相契合的骨架密實結構。隨著五個代表溫度由低到高的試驗中溫度增高和降低，水泥含量級配碎石比普通水泥穩定碎石材料的收縮程度明顯減小。這源于其中有充足的孔隙空間，在溫度變化時起到了對膨脹和縮小的緩沖，內部孔隙消化了形變帶來的破壞。在發現低水泥級配碎石優點的同時，根據圖片的觀察，發現其在試驗移動中集料易于散落，掃描過程中粗骨料離析現象多于普通水泥穩定碎石材料，源于級配碎石結構雖然可以通過集配的調整和優化達到基層材料骨架結實，集料分布均勻，骨料和集料互相契合形成密實結構，但水泥含量的減少對集料粘聚力的減弱影響巨大，因此在運輸和碾壓過程中對施工工藝提出了更高的要求。

五、結語

（一）基于MATLAB數字圖像處理技術適用于低水泥含量級配碎石材料細觀觀察和研究，具有良好的可逆再現性、為CT掃描圖像增強、數據提取提供保障。

（二）經過觀察基于MATLAB數字圖像處理后的圖片發現，低水泥材料中粒徑不同的骨料和集料按優化計算比例進行嵌入、填充，骨架形成強度，結合料減少造成的多余孔隙作為緩沖帶有效分擔溫度荷載。可見良好的級配設計可以有效減少溫縮變化進而抑制反射裂縫的產生重要因素。

（三）通過觀察發現，低水泥含量級配碎石發生離析情況頻率較多。建議在施工過程中減少材料運輸路程，防止振動離析，路基碾壓時以膠輪壓路機靜壓為主。

參考文獻：

[1]鄭磊.一種雙輸入視頻處理系統的設計與實現[D].武漢：華中科技大學碩士論文，2007.

[2]程新.基于同態濾波的圖像增強算法研究[D].西安：西安郵電大學碩士論文，2016.

[3]金艷.基于CT技術的瀝青混合料三維重構及數值模擬研究[D].阜新：遼寧工程技術大學碩士論文，2015.

[4]張彬，張林江，楊歡，石云華.CT技術的低水泥含量級配碎石基層材料性能[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2017，36（12）：1275-1278.