砂石骨料加工質(zhì)量控制技術(shù)研究

摘 要：本文提出了一種基于圖像處理技術(shù)的砂石骨料加工質(zhì)量控制方法。首先，比較線性和非線性灰度化技術(shù)，采取近似線性化處理實現(xiàn)砂石骨料圖像的灰度化。其次，采用閾值篩選技術(shù)，實現(xiàn)砂石骨料圖像的二值化。最后，比較Robert算子、Sobel算子和Canny算子，采用Canny算子實現(xiàn)砂石骨料圖像的邊緣檢測。基于邊緣檢測結(jié)果可以精準地計算砂石骨料的顆粒度，從而有效控制砂石骨料加工質(zhì)量，效果明顯好于稱重法和目測法。

關(guān)鍵詞：砂石骨料；加工質(zhì)量控制；二值化；邊緣檢測

中圖分類號：TV 42 " 文獻標(biāo)志碼：A

自改革開放以來，我國大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的范圍和規(guī)模不斷擴大，不僅為經(jīng)濟快速發(fā)展提供了有力支撐，也提高了廣大民眾的生活質(zhì)量[1]。作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵原料，混凝土的配置必然包括砂石骨料。根據(jù)顆粒度、間隙率等的不同，砂石骨料可劃分出不同等級。不同的應(yīng)用場合和技術(shù)條件的改變，需要不同等級的砂石骨料[2]。可見，砂石骨料的加工工藝必須充分考慮骨料等級的控制，這也是加工質(zhì)量控制的核心所在。在傳統(tǒng)的加工質(zhì)量控制方法中，一般采用稱重法比較目標(biāo)骨料和樣本等級骨料的質(zhì)量，并以此作為是否滿足加工質(zhì)量要求的判斷。該方法效率較高，但無法準確判斷骨料顆粒度、骨料間隙率等關(guān)鍵參數(shù)。目前，基于圖像處理的檢測技術(shù)獲得了快速發(fā)展，為砂石骨料加工質(zhì)量的有效控制提供了新的途徑[3]。本文將從二值化、邊緣檢測等圖像處理技術(shù)出發(fā)，構(gòu)建砂石骨料加工質(zhì)量控制的全新技術(shù)框架。

1 砂石骨料圖像的灰度處理

在砂石骨料加工系統(tǒng)中，將攝像機作為圖像采集裝置，并應(yīng)用圖像處理技術(shù)對砂石骨料的顆粒度、骨料間隙等進行檢測，有效控制砂石骨料加工質(zhì)量。

拍攝得到的砂石骨料的彩色圖像需要轉(zhuǎn)換成灰度圖像，包括非線性處理和線性處理2類方法。

1.1 線性化處理

線性化處理方法的實質(zhì)是根據(jù)三原色分量的線性組合來表達從彩色圖像到灰度圖像的處理過程，如公式（1）所示。

f=ω1R+ω2G+ω3B " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：f為轉(zhuǎn)換成灰度圖像的灰度值；R、G和B為原彩色圖像中的三原色色度值；ω1、ω2和ω3為R、G、B的系數(shù)，也就是最終合成f時的每個像素中紅色、綠色、藍色所占的權(quán)重。

當(dāng)ω1、ω2、ω3分別取（1，0，0）、（0，1，0）、（0，0，1）時，分別表示僅用紅色、綠色、藍色中一種成份值表達原彩色圖像灰度后的效果。但這樣的效果只表達了原圖像的單一通道。因此，學(xué)者們將ω1、ω2和ω3同時賦予非零值，保證與原圖像相比，灰度化后的圖像不失真。通過大量試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ω1、ω2和ω3取0.299、0.587和0.114時，灰度化的效果最理想，即與原彩色圖像相比，灰度化后幾乎沒有失真。因此，這組系數(shù)是灰度化處理中的最佳線性組合，在灰度化處理中廣泛采用。

1.2 非線性化處理

在非線性化處理中，典型的灰度處理方法是極值法，如公式（2）所示。

（2）

與線性處理法相比，極值法的處理速度有一定程度提升，但失真程度嚴重。因此，在圖像處理中一般采用線性化處理的近似方案。

1.3 線性方案的近似處理

灰度化處理通常在計算機等數(shù)字處理設(shè)備上進行，因此公式（1）、公式（2）需要通過如公式（3）所示的近似方法實現(xiàn)。

（3）

公式（2）的近似所得R、G和B的系數(shù)ω1、ω2和ω3為（0.297，0.594，0.109），雖然偏離了最佳線性組合，但和最佳線性組合的效果非常接近。通過右移運算代替除法運算，可大幅提高運算速度。采用這種方法的處理流程如圖1所示。

2 砂石骨料圖像的二值化

經(jīng)過灰度化后，砂石骨料圖像中的像素范圍被限制在0～255，但仍有256種可能的情況，為了更容易地區(qū)分骨料和背景，需要進行二值化處理。

二值化的過程實質(zhì)上是一種閾值篩選技術(shù)，在實際工業(yè)場景中拍攝的圖像，其字符像素和背景像素的灰度值通常有較大的區(qū)間跨越，這就為閾值篩選提供了可能性。二值化的一個簡單實現(xiàn)方式如公式（4）所示。

（4）

式中：T為根據(jù)像素分布確定的閾值。

經(jīng)過二值化處理后得到的砂石骨料二值化圖像如圖2所示。

3 砂石骨料圖像的邊緣檢測

在砂石骨料圖像中，各種顆粒度的砂石都有一定的區(qū)域邊界。為了準確提取這些砂石顆粒度，需要進行邊緣檢測。邊緣檢測是很多高級圖像分析功能的基礎(chǔ)，例如圖像分割、輪廓提取等。

從技術(shù)角度看，邊緣檢測通常根據(jù)邊緣特征兩側(cè)的梯度變化進行檢測，因此形成了很多以梯度算子為代表的邊緣檢測方法，如Robert算子、Sobel算子、Canny算子以及Canny算子。

3.1 Robert邊緣檢測

在各種邊緣檢測方法中，Robert算子是最簡單的方法，也是基礎(chǔ)性方法。其基本原理是通過求導(dǎo)數(shù)獲得原始圖像信息的梯度，從而獲得邊緣。像素點的梯度如公式（5）所示。

（5）

梯度本身是一個矢量，其準確表達包括幅度和相位2個角度，分別如公式（6）、公式（7）所示。

（6）

（7）

梯度是一個二維矢量，因此除了梯度大小以外，還要明確梯度的方向。在圖像邊緣變化的過程中，梯度都指向其變化最劇烈的位置。梯度的計算公式比較復(fù)雜，在實際計算過程中，通常以梯度模板代替梯度算子，不同模板的梯度求取過程的運算量和復(fù)雜度也不同。

Robert算子是卷積模板中最簡單的一種，它表達了一種簡單的局部差分運算。Robert算子特別適合執(zhí)行邊緣特征尖銳且圖像噪聲較小的邊緣檢測。

3.2 Sobel邊緣檢測

除了Robert算子，還有更復(fù)雜的邊緣檢測算子，Sobel算子就是非常典型的一種。Sobel算子比Robert算子復(fù)雜體現(xiàn)在2個方面。一方面是Robert算子僅在一個方向上求取梯度，而Sobel算子同時在2個方向上求取梯度；另一方面是Robert算子僅求取梯度，Sobel算子在求取梯度的過程中還進行了濾波處理。2個方向上的梯度計算流程如圖3所示。

3.3 Canny邊緣檢測

Robert算子和Sobel算子都是比較簡單的邊緣檢測算子，因此其邊緣檢測的效果還有一定的提升空間。與Robert算子和Sobel算子相比，Canny算子比較復(fù)雜，它能同時進行去噪、定位、檢測和提取，雖然處理過程復(fù)雜，但其邊緣檢測效果有明顯提升。具體的算法流程如下所示。

首先，對原始圖像進行濾波去噪，本文選擇高斯濾波器，以適應(yīng)大多數(shù)噪聲的高斯分布特征。其次，根據(jù)Sobel算子的思想，同時從2個方向進行梯度計算。再次，獲得各像素點的梯度大小后，計算梯度的方向，即邊緣變化最明顯的位置。從次，在水平和垂直2個方向基礎(chǔ)上，再增加2個對角線方向，從而將雙向梯度的計算和求解擴展到4個方向，使后續(xù)的邊緣提取覆蓋范圍更大、更可信。最后，根據(jù)多個方向的檢測和比較，判斷其中不正確的邊緣特征，將這些邊緣特征去掉。

最后一步操作在實際過程中具有較大難度，需要結(jié)合圖像內(nèi)容的具體情況進行具體分析。在真正邊緣特征和虛假邊緣特征間，通常會存在灰度上的差異，該差異需要通過事先確定的閾值來加以區(qū)分。顯然，如果閾值的設(shè)定合理，這一步的真?zhèn)闻袆e就會更準確，如果閾值設(shè)定不合理，就可能導(dǎo)致真正的邊緣特征被誤判為虛假的邊緣特征，從而導(dǎo)致整個邊緣檢測結(jié)果不準確。

本文以Canny算子為檢測手段，進行砂石骨料的邊緣檢測。邊緣檢測與砂石骨料質(zhì)量控制的關(guān)系框圖如圖4所示。

4 砂石骨料加工過程的顆粒度測算控制試驗

砂石骨料加工過程中質(zhì)量控制的關(guān)鍵是對砂石骨料的顆粒度進行控制，使其滿足預(yù)期的顆粒度直徑要求，并保持足夠的均勻程度。本文采用圖像處理、視覺檢測的方法，監(jiān)測砂石骨料加工的顆粒度，篩出不滿足要求的重新加工，以達到質(zhì)量控制的目的。

上述研究工作從圖像處理技術(shù)的角度出發(fā)，對砂石骨料圖像進行灰度化處理、二值化處理和邊緣檢測處理，得到每一顆砂石的輪廓邊緣，從而實現(xiàn)砂石骨料顆粒度的自動化計算，這對控制砂石骨料加工質(zhì)量具有非常重要的意義。

為了形成砂石骨料加工質(zhì)量的控制效果評價，本文將目測法和稱重法作為比較方法。3種方法對6個等級砂石骨料顆粒度的等級控制如圖5所示。

根據(jù)圖5的對比情況可知，本文方法可以精確測得每一顆砂石顆粒的輪廓，從而給出精準的計算，因此所得砂石骨料顆粒度等級控制準確率也明顯高于目測法和稱重法，可達95%以上。

5 結(jié)論

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是我國現(xiàn)代化建設(shè)的重要組成部分，所需混凝土等基本原材料品質(zhì)取決于高質(zhì)量的砂石骨料加工。為了有效控制砂石骨料加工質(zhì)量，本文在圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了新的控制方法，對砂石骨料原始彩色圖像進行灰度化處理、二值化處理和邊緣檢測，識別每一顆砂石的輪廓，進而精確計算砂石顆粒度。試驗結(jié)果表明，本文基于圖像處理的砂石骨料加工質(zhì)量控制方法的效果明顯優(yōu)于稱重法和目測法，可有效控制砂石骨料加工質(zhì)量。

參考文獻

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