不同高度下摊铺路面的数字图像差异性研究

周建昆，曹源文，温永杰，赵 江，白丽萍

(1.西南交通建设集团股份有限公司，云南 昆明 650034；2.重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074；3.云南建投博昕工程建设中心试验有限公司，云南 昆明 650224)

0 引 言

随着数字化技术的飞速发展，数字图像处理技术在公路工程建设与检测中得到了广泛的应用，特别是在沥青路面质量检测方面，提供了一种新的高效、实时、无损的检测手段。万成等[1]对沥青混合料中集料颗粒的平均粒度和级配均匀程度通过数字图像处理技术进行了分析评价；杨献章等[2-3]通过数字图像处理技术对路面钻芯取样试件进行了分析，通过对芯样截面图像的空隙、集料分布、沥青胶浆进行提取，分析了芯样的均匀性；李想等[4]采用数字图像灰度差表征沥青混合料的表面构造深度，并通过试验验证其具有较高的准确性；梁乃兴等[5]对沥青混合料路面进行图像采集，通过熵权法对沥青混合料图像的均匀性进行了评价；孙波成[6]提出了一种基于数字图像处理技术的沥青路面裂缝识别技术；曾晟等[7]基于数字图像处理技术通过四边静矩算法对摊铺沥青混合料均匀性进行了评价。虽然国内外学者基于数字图像处理技术对沥青路面质量评价开展了大量的试验与现场实测分析，但针对图像采集高度对沥青混合料图像的影响方面并没有进行相关研究。笔者通过对不同采集高度下沥青混合料图像对应实际路面尺寸进行分析，并对不同采集高度沥青混合料图像中集料颗粒的增加量和集料识别准确度进行分析，开展图像采集高度与数字图像差异性的研究。

1 沥青混合料图像采集

通过数字图像处理技术对沥青混合料摊铺质量进行评价，首先需要制定合适的图像采集方案并准确地对摊铺沥青混合料图像进行采集，为后续图像处理与摊铺质量评价奠定基础。笔者采用CCD高清工业相机对沥青混合料图像进行采集。

通过CCD高清工业相机，将采集到的光电信号通过DSP处理器进行数字信号转化，并存储于计算机中得到数字图像，CCD高清工业相机图像采集流程如图1。

图1 CCD高清工业相机图像采集流程

为了对不同采集高度下摊铺沥青混合料数字图像差异性进行研究，通过图像采集装置在不同高度对沥青混合料数字图像进行采集，如图2。

图2 图像采集设备

图2中，图像采集装置由底座、导杆、悬杆、和相机支架组成。悬杆由可调节滑块与导杆连接，通过上下调节悬杆获得不同高度下沥青混合料数字图像。

采用CCD高清工业相机为定焦相机，采集范围为正方形区域，采集图像分辨率为2 736×2 736像素，图像采集示意如图3。

图3 图像采集示意

由图3可知，随着采集图像高度H的增加，图像采集区域的宽度B也随之增加。

2 沥青混合料数字图像预处理

基于数字图像处理技术对沥青混合料摊铺质量进行评价，即对采集得到的沥青混合料数字图像中集料颗粒的分布特征进行评价。其前提条件是需要准确提取沥青混合料数字图像中的集料颗粒。通过CCD高清工业相机采集得到的沥青混合料RGB图像如图4。

由图4可知，通过工业相机采集到的沥青混合料数字图像中，集料颗粒被沥青胶浆裹覆，影响了集料颗粒提取的准确性，需要对数字图像进行图像预处理。为了降低图像运算量，增加图像中集料颗粒提取的准确性，通过图像灰度化、二值化处理、形态学运算对沥青混合料数字图像进行预处理。

图4 沥青混合料RGB图像

2.1 彩色图像灰度化

通过工业相机采集到的沥青混合料RGB彩色图像中，由于每个像素点均有红、绿、蓝3个色彩通道组成的像素矩阵组成，在图像分析中数据量大，对图像分析效率及准确性造成影响，因此需要通过图像灰度化转换成沥青混合料灰度图像。RGB彩色图像与灰度图像的转化公式如式(1)：

Gray=0.299×R+0.587×G+0.114×B

(1)

式中:R为像素点对应红色通道的值；G为像素点对应绿色通道的值；B为像素点对应蓝色通道的值。

2.2 灰度图像转变为二值图像

在沥青混合料数字图像分析中，通常将集料颗粒作为目标，将沥青胶浆和空隙作为背景进行分析。因此，为了对沥青混合料图像中集料颗粒进行提取，方便后续图像分析的进行，需要将图像中灰度值进行相应的0、1化，即二值化处理。通过二值化处理后的沥青混合料二值图像只保留了集料颗粒，空隙和沥青胶浆作为背景被去除。通过大津法(最大类间方法)对灰度图像进行二值化处理，沥青混合料二值图像如图5。

图5 二值图像

2.3 图像的小颗粒过滤

在对沥青混合料数字图像进行均匀性研究时，相关研究表明，尺寸较大的集料颗粒对沥青混合料的均匀性影响程度较大，较小颗粒对均匀性的贡献度较小，因此通过MATLAB图像处理工具中bwselect函数[9]对沥青混合料二值图像中小于9.5 mm的集料颗粒进行过滤，保留图像中大于9.5 mm的集料颗粒，小颗粒过滤后二值图像如图6。

图6 二值图像的对象选择

图6中白色部分为大于9.5 mm尺寸的集料颗粒，图像中沥青胶浆、空隙及较小尺寸的集料颗粒作为背景被去除，为后续分析提供基础。

3 不同采集高度下沥青混合料数字图像差异性研究

采集高度不同，沥青混合料图像对应区域范围不同。当图像采集高度过低，图像对应区域相对较小，对沥青混合料摊铺质量的评价不具有代表性；当采集高度过高，会对图像预处理结果造成影响。因此，采用图像采集装置(图2)，分别在距离地面50～100 cm高度范围内，每10 cm作为一个采集高度进行图像采集，每个高度下采集20张图像，对不同采集高度下沥青混合料数字图像差异性进行研究。

3.1 不同采集高度图像与实际路面宽度相关性分析

将不同采集高度下沥青混合料图像与实际路面对应尺寸进行标定。50、60、70、80、90、100 cm图像采集高度下，对应实际尺寸如表1。

表1 采集图像实际路面宽度

图像对应实际路面宽度均值随着图像采集高度的变化规律如图7。

图7 不同高度下图像实际宽度

由图7可知，图像采集高度与实际路面宽度成正相关关系。随着图像采集高度的增加，图像对应区域实际路面宽度成比例增加，其回归关系如式(2):

Y=0.910 8X-1.110 7

(2)

式中：X为拍摄高度；Y为实际宽度。

由式(1)分别计算出50、60、70、80、90、100 cm采集高度下对应路面实际标准宽度，如表2。

表2 各高度对应的实际沥青路面大小

3.2 不同图像采集高度集料增加量分析

由3.1节研究结论可知，随着图像采集高度的增加，图像对应区域沥青路面实际宽度随之增加，图像中集料颗粒数目也相应增加。笔者通过定义图像颗粒增加量Ai表征采集高度Hi-1下图像中集料数量Ni-1相较于采集高度Hi下图像中集料颗粒数量Ni增加的数目，即Ai=|Ni-Ni-1|。随着图像采集高度增加，图像中集料颗粒增加示意如图8。

图8 集料颗粒增加量示意

以图像中9.5 mm以上集料颗粒为研究对象，分别统计50～100 cm不同采集高度下图像中集料颗粒数量，结果如表3。

表3 不同采集高度图像中9.5 mm以上粒径颗粒数量

由不同采集高度下图像对应集料颗粒数量结果(表3)，计算随着采集高度增加图像中集料颗粒增加量Ai，不同采集高度下对应20组图像颗粒增加量结果如图9。

图9中：A1～A5分别表示60 cm较50 cm、70 cm较60 cm、80 cm较70 cm、90 cm较80 cm、100 cm较90 cm采集高度的颗粒增加量。

由图9可知，在50、60 cm采集高度下，图像中集料颗粒增加量较高，Ai>25，较高的图像增加量会对后续图像的分析产生误差。而其他图像采集高度下颗粒增加量均小于25，因此笔者暂定图像采集高度为60～100 cm之间。

图9 颗粒增加量对比

3.3 集料尺寸精确度与采集高度相关性分析

随着图像采集高度的增加，图像对应区域实际路面尺寸随之增加，实际路面中相同大小的集料颗粒在图像中对应图像尺寸随着图像采集高度的增加而减小。集料颗粒在不同采集高度下图像中对应像素尺寸不同会对后续数字图像法评价沥青路面摊铺质量造成一定的数据偏差。例如，在高度增加后，由于图像中对应像素尺寸减小，因为误差的存在，图像中9.5 mm的集料尺寸小于9.5 mm，从而对集料分档尺寸造成影响，进而影响后续的分析。因此，笔者通过分析不同采集高度下图像中集料颗粒的尺寸精确度，确定图像采集的最佳高度。

定义图像采集高度H下某一粒径集料尺寸的颗粒数Mi与上一图像采集高度Hi-1下该尺寸集料颗粒数Mi-1的比，记作λ，作为表征该图像采集高度下集料尺寸识别精确度，计算公式如式(3)：

(3)

由于随着图像采集高度的增加，图像对应实际路面尺寸也随之增加。为了避免集料颗粒的增加所造成的误差，笔者对不同采集高度下集料颗粒尺寸的准确性进行分析时，以50 cm高度下采集的图像区域作为标准，对60～100 cm采集高度下的图像进行裁剪，保证图像对应实际路面区域和集料颗粒数目的一致性。

以50 cm高度下采集的图像对应区域实际尺寸为标准，对裁剪后不同高度下图像以式(3)进行计算，分别计算出不同采集高度下采集图像中集料颗粒识别精确度，结果如图10。

图10 各高度下的精确度

由图10可知，随着采集高度的增加，集料颗粒识别精确度减小，且当采集高度大于90 cm时，集料颗粒识别精确度大幅度降低，对沥青混合料数字图像的分析准确性造成影响。

综合不同采集高度下集料颗粒增加量和集料颗粒识别精确度分析结果可知，在70～80 cm高度下进行图像采集得到的沥青混合料数字图像，相较于其他高度下采集得到的数字图像对应颗粒增加量较低，且集料颗粒识别精确度为0.97，识别精确度较高，因此为了更好的对沥青混合料数字图像进行分析，笔者选取最佳拍摄高度为70～80 cm。

4 结 论

笔者通过数字图像对沥青混合料数字图像进行预处理，并对采集高度与对应路面实际尺寸、集料颗粒增加量和集料颗粒识别精确度进行分析，开展了不同采集高度下沥青混合料图像差异性相关研究，主要研究结论如下：

1)基于数字图像处理技术，通过RGB图像灰度化、灰度图像二值化、二值图像小颗粒过滤对沥青混合料图像进行预处理，为后续图像分析研究奠定基础。

2)通过自制图像采集设备，在不同采集高度下对沥青混合料进行图像采集，并通过对图像对应实际路面尺寸进行研究。研究结果表明，随着采集高度的增加，图像对应实际路面尺寸成比例增加，对应关系式为Y=0.910 8X-1.110 7。

3)通过对不同采集高度下图像颗粒增加量和颗粒识别精确度进行研究，综合颗粒增加量和识别精确度结果，最终采用70～80 cm高度作为最佳图像采集高度。