本發(fā)明屬于道路建筑材料領(lǐng)域，涉及一種基于數(shù)字圖像分析技術(shù)的粗集料棱角性評(píng)價(jià)方法。

背景技術(shù)：

粗集料棱角性(Angularity of coarse aggregates)主要反映了粗集料顆粒輪廓上的凸起程度，是影響粗集料形成嵌擠結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要因素。對(duì)瀝青混合料施工和易性和路用性能的影響非常顯著。

汪海年等人提出了用MASCA(Morphology analysis system of coarse aggregate)方法評(píng)價(jià)粗集料的棱角性，評(píng)價(jià)方法包括顆粒周長法和分形幾何法兩種方法。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)2種方法對(duì)粗集料棱角性的評(píng)價(jià)結(jié)果基本保持一致，表現(xiàn)出了相近的變化規(guī)律。

王火明等人探討了粗集料的棱角性試驗(yàn)方法，從集料棱角性定義出發(fā)，考慮到了其對(duì)瀝青混合料路用性能的影響。提出振裝密度、松裝密度以及流動(dòng)時(shí)間3種評(píng)價(jià)粗集料棱角性的試驗(yàn)方法，并且對(duì)石灰?guī)r碎石、玄武巖碎石和破碎河灘料的棱角性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，研究表明了振裝密度、松裝密度以及流動(dòng)時(shí)間對(duì)于粗集料棱角性均有較好的區(qū)分度。

熊琴等人研究了在自然光下采集粗集料圖像，使用matlab軟件處理進(jìn)行分割圖像。根據(jù)集料本身的特性，分割方式不采用常用的灰度閥值分割，而是直接對(duì)真彩圖分三個(gè)通道分別分割處理，成功得到各個(gè)顆粒的輪廓投影圖。計(jì)算提取輪廓的相應(yīng)指標(biāo)，具體指標(biāo)有長軸、短軸、長軸/短軸、矩形度、形狀指數(shù)和棱角性，以這些方式評(píng)價(jià)粗集料的形狀特征。

林輝等人研究用CCD相機(jī)和“逆光箱”來獲取粗集料圖像，再用Photoshop CS2的鏡頭校正濾鏡對(duì)圖像失真進(jìn)行校正，然后用Image-Pro Plus對(duì)粗集料圖像進(jìn)行識(shí)別，最后獲取粗集料的棱角性。

劉振清等人利用ASTM D3398-97試驗(yàn)方法的改進(jìn)表征法計(jì)算了粗集料顆粒指數(shù)I_ap，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)提出了粗集料半徑法棱角性指數(shù)I_Arm和梯度法棱角性指數(shù)I_Agm的計(jì)算公式。

在評(píng)價(jià)粗集料的性能方面，粗集料的棱角性對(duì)瀝青混合料的路用性能有很大影響，目前常用的粗集料棱角性評(píng)價(jià)方法有間接法和直接法兩大類。間接法是指利用試驗(yàn)方法對(duì)按一定方式堆積成型的粗集料整體的宏觀性質(zhì)進(jìn)行測定，如粗集料的未壓實(shí)空隙率、松裝密度、流動(dòng)時(shí)間等。間接法簡單易行，可以表征全部被測試粗集料的整體特征，是基于統(tǒng)計(jì)概念的試驗(yàn)方法。然而，間接法的缺點(diǎn)是不能直接地、有效地表征每個(gè)粗集料顆粒個(gè)體的形態(tài)特征， 目標(biāo)不太明確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于數(shù)字圖像分析技術(shù)的粗集料棱角性評(píng)價(jià)方法，可直接地通過粗集料的量化指標(biāo)評(píng)價(jià)其棱角性，為集料的選擇提供參考。

本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：

一種基于數(shù)字圖像分析技術(shù)的粗集料棱角性評(píng)價(jià)方法，所述方法針對(duì)粗集料，所述方法包括數(shù)字圖像采集設(shè)備和圖像處理系統(tǒng)。

在上述方案中優(yōu)選的是，包括以下各步驟：

步驟一：選擇粗集料，測試粗集料的各項(xiàng)性能；

步驟二：進(jìn)行水洗篩分，得到單一粒徑的粗集料；

步驟三：利用數(shù)字圖像采集設(shè)備獲取所述單一粒徑的粗集料圖像；

步驟四：利用圖像處理系統(tǒng)對(duì)獲取的所述粗集料圖像進(jìn)行處理與識(shí)別；

步驟五：獲取單個(gè)粗集料顆粒的基本參數(shù)，所述基本參數(shù)包括面積、周長、長軸和/或短軸等；

步驟六：將粗集料棱角性給予量化，量化指標(biāo)包括圓度、棱角度、平均最小曲率半徑、圓形度、凸度及基于等效橢圓提出的棱角性指標(biāo)、顆粒等效橢圓的周長與顆粒周長的比值、顆粒等效橢圓的周長與顆粒凸面的周長的比值等指標(biāo)；

步驟七：評(píng)價(jià)粗集料的棱角性，為粗集料的選擇提供參考。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟一中，粗集料均出自同一批次。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟一中，粗集料的粒徑均大于4.75mm。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟三中，數(shù)字圖像采集設(shè)備的分辨率為320～1200萬像素。

所述數(shù)字圖像采集設(shè)備選擇的分辨率范圍，可使圖像清晰度達(dá)到最好，最清晰。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟三中，數(shù)字圖像采集設(shè)備的光敏感度ISO為80～300。

所述數(shù)字圖像采集設(shè)備選擇的光敏感度ISO范圍，可使圖像清晰度達(dá)到最好，最清晰。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟三中，數(shù)字圖像采集設(shè)備獲取的圖像位深度為216～232。

所述數(shù)字圖像采集設(shè)備選擇的圖像位深度范圍，可使圖像清晰度達(dá)到最好，最清晰。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟三中，采用逆光設(shè)施獲取單一粒徑的粗集料圖像。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述逆光設(shè)施為逆光箱，所述逆光箱由鋁合金構(gòu)成框架，四周圍有不透光的錫紙，頂面是一塊粘有白色背景紙的透明有機(jī)玻璃板，框內(nèi)擺放粗集料，在箱內(nèi)放有高光燈作為逆向光源。

拍攝時(shí)將粗集料顆粒以最穩(wěn)方式且彼此互不粘結(jié)地放置在玻璃板上，在保證沒有其他光源影響的情況下進(jìn)行(適宜在暗室，關(guān)閉相機(jī)閃光燈)。逆向光源由于被包圍在一個(gè)四周和底部不透光的箱子里，因此頂面透光的有機(jī)玻璃板被照亮且均勻，而粗集料表面由于幾乎接收不到任何光線，而呈現(xiàn)深暗色，此時(shí)獲得圖像，這時(shí)的圖像成為原圖像。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟四中，處理圖像時(shí)，利用圖像處理軟件將原圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像?？蓛?yōu)選為用Image-pro Plus圖像軟件。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟四中，處理得到的灰度圖像位深度為28～220。

處理得到的灰度圖像位深度范圍，可使圖像清晰度達(dá)到最好，最清晰。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟四中，在處理圖像時(shí)，對(duì)圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶?duì)比度增強(qiáng)處理。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟四中，對(duì)粗集料的圖像進(jìn)行處理與識(shí)別采用Image-pro Plus圖像軟件。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟六中，所述粗集料的量化指標(biāo)與粗集料棱角性有關(guān)，與粗集料顆粒的大小無關(guān)。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟六中，所述粗集料的量化指標(biāo)必須對(duì)粗集料顆粒的輪廓變化很敏感，對(duì)粗集料顆粒的方向性不敏感。

本發(fā)明屬于粗集料棱角性評(píng)價(jià)方法的直接法的一種，直接法彌補(bǔ)了間接法的不足，可以對(duì)粗集料顆粒的棱角性進(jìn)行快速識(shí)別測量、定性描述，并可能對(duì)單個(gè)粗集料顆粒進(jìn)行直接地測量，其測試目標(biāo)明確，試驗(yàn)有代表性。

本發(fā)明的粗集料棱角性評(píng)價(jià)方法基于數(shù)字圖像技術(shù)，通過粗集料的量化指標(biāo)評(píng)價(jià)其棱角性，為集料的選擇提供參考。因此，本發(fā)明具有明顯的實(shí)用價(jià)值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種基于數(shù)字圖像分析技術(shù)的粗集料棱角性評(píng)價(jià)方法的一優(yōu)選實(shí)施例中逆光箱的設(shè)計(jì)示意圖；

圖2是本發(fā)明圖1所示優(yōu)選實(shí)施例中拍攝的粗集料圖像的原圖像；

圖3是本發(fā)明圖1所示優(yōu)選實(shí)施例中拍攝的粗集料圖像的灰度處理后圖像；

圖4是圖3經(jīng)后續(xù)處理的灰度圖像；

圖5是本發(fā)明圖1所示優(yōu)選實(shí)施例中灰度值方分布；

圖6是本發(fā)明圖1所示優(yōu)選實(shí)施例中等效橢圓示意圖；

圖7是本發(fā)明圖1所示優(yōu)選實(shí)施例中9.5mm粗集料二值圖。

具體實(shí)施方式

為了進(jìn)一步了解本發(fā)明的技術(shù)特征，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地闡述。實(shí)施例只對(duì)本發(fā)明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的基礎(chǔ)上做出的任何非實(shí)質(zhì)性的修改，都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1：

選自同一批次的粒徑為4.75mm～9.5mm、9.5mm～13.2mm的石灰?guī)r粗集料，按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)中的相關(guān)規(guī)定測試其性能，見表1.1和表1.2。

表1.1 9.5-13.2mm粗集料性能指標(biāo)檢測結(jié)果

表1.2 4.75-9.5mm粗集料性能指標(biāo)檢測結(jié)果

本實(shí)例所采用的各檔石灰?guī)r粗集料性能指標(biāo)檢測結(jié)果均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī) 范》(JTG F40-2004)中有關(guān)規(guī)定。經(jīng)水洗篩分得到單一粒徑為9.5mm的石灰?guī)r粗集料。

本實(shí)例中對(duì)于圖像的采集選用Sony DSC-T2型數(shù)碼相機(jī)，其相關(guān)參數(shù)見表1.3。

表1.3Sony DSC-T2數(shù)碼相機(jī)性能參數(shù)

在一個(gè)逆光設(shè)施中拍攝，使得獲取的粗集料在光源與獲取圖像的相機(jī)之間。處于暗室，在相機(jī)閃光燈關(guān)閉的情況下獲取粗集料的原始圖像。對(duì)粗集料的圖像識(shí)別分析采用Image-pro Plus圖像軟件。該軟件能測定出粗集料顆粒的基本數(shù)值，如面積，周長，長短軸等，并且能導(dǎo)出粗集料顆粒輪廓的數(shù)據(jù)文件。

在自然光環(huán)境下拍攝的粗集料圖像，出現(xiàn)了并不想要的粗集料顆粒陰影和顆粒內(nèi)部不均勻的灰度變化，這將給后續(xù)圖像精確識(shí)別帶來很大麻煩。為了制造出逆光設(shè)施，使得粗集料顆粒陰影和內(nèi)部不均勻的灰度變化對(duì)圖像識(shí)別的影響盡可能的減小。本實(shí)例設(shè)計(jì)了一個(gè)“逆光箱”，作為本文的逆光設(shè)施，它的裝置示意如圖1，其中附圖標(biāo)記1為逆光箱、2為數(shù)碼相機(jī)、3為粗集料、4為光源。

“逆光箱”由鋁合金構(gòu)成框架，四周圍有不透光的錫紙，頂面是一塊粘有白色背景紙的透明有機(jī)玻璃板，框內(nèi)擺放粗集料，在箱內(nèi)放有高光燈作為逆向光源。拍攝時(shí)將粗集料顆粒以最穩(wěn)方式且彼此互不粘結(jié)地放置在玻璃板上，在保證沒有其他光源影響的情況下進(jìn)行(適宜在暗室，關(guān)閉相機(jī)閃光燈)。逆向光源由于被包圍在一個(gè)四周和底部不透光的箱子里，因此頂面透光的有機(jī)玻璃板被照亮且均勻，而粗集料表面由于幾乎接收不到任何光線，而呈現(xiàn)深暗色，此時(shí)獲得圖像，這時(shí)的圖像成為原圖像，見圖2。

由圖2可以看出，原圖像幾乎看不到內(nèi)部的顆粒陰影，且外部輪廓清晰，僅有的會(huì)對(duì)內(nèi)部灰度變化帶來影響的只有一些內(nèi)部的棱角輪廓線。背景和集料可謂是“涇渭分明”，在之后的閾值分割上會(huì)帶來很大的便利。僅有的影響只是一些極小的灰色陰影，但是灰色陰影在Image-Pro Plus中的面積會(huì)非常小，很容易區(qū)別出粗集料和陰影，且還保留了精細(xì)的圖像輪廓。

圖像處理的具體步驟如下：

1)將獲取的粗集料原圖像利用圖像處理軟件Image-Pro Plus轉(zhuǎn)換為灰度圖像，見圖3；

2)對(duì)圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶?duì)比度增強(qiáng)處理，得到后續(xù)處理的灰度圖像如圖4；

3)將灰度圖采用閾值分割方法轉(zhuǎn)化為二值圖如圖5；

4)將粗集料的棱角性給予量化值。

為了量化粗集料顆粒的棱角性，本實(shí)例引入等效橢圓的概念，等效橢圓的示意圖如圖6所示，其中1為等效橢圓、2為顆粒、3為凸面。

由于等效橢圓與顆粒的面積、1階矩和2階矩相同，其中，1階矩代表顆粒的長軸，2階矩代表顆粒的短軸，長軸和短軸保留了顆粒原始的輪廓形狀特征，所以最小化了輪廓與形狀對(duì)量化棱角性的影響。這是粗集料棱角性量化指標(biāo)引用提出的指標(biāo)，計(jì)算公式見式(1-1)。

其中，Angularity表示粗集料量化的棱角性；

Perimeter表示粗集料顆粒輪廓的周長；

Perimeter_ellipse表示粗集料顆粒等效橢圓的周長，利用圖像處理軟件Image-Pro Plus根據(jù)粗集料的二值圖得出。

以上指標(biāo)只測定了單個(gè)粗集料顆粒的棱角性，但是某一粒徑粗集料不是單個(gè)出現(xiàn)在瀝青混合料中，而是以一定的比例出現(xiàn)在瀝青混合料中，考慮到這一點(diǎn)，在計(jì)算粗集料的棱角性時(shí)需要計(jì)算其整體的棱角性，本實(shí)例對(duì)粗集料的棱角性進(jìn)行了面積加權(quán)，得到粗集料棱角性指標(biāo)的面積加權(quán)值，見公式(1-2)

其中，表示粗集料棱角性的平均值；

Angularity表示單個(gè)粗集料顆粒的棱角性；

Area表示單個(gè)粗集料顆粒的圖像投影面積。

通過以上步驟，使用Image-Pro Plus軟件將獲取的9.5mm粗集料的周長、面積，等效橢圓的周長、面積參數(shù)等導(dǎo)出到Excel表格中，并使用棱角性量化指標(biāo)計(jì)算出9.5mm粗集料的棱角性量化值，見表1-3。

表1-3 9.5mm粗集料棱角性量化結(jié)果

表1-3可得，9.5mm粗集料棱角性指標(biāo)的面積加權(quán)值為：

圖7為9.5mm粗集料棱角性量化值的二值圖。

由表1-3和圖7分析可知，9.5mm粗集料棱角性量化值為1.05～1.25，且主要集中在1.08～1.16。