图像处理下的粗集料形态特征研究

周兴林，蒋睿锲，冉茂平，赵子翔

（武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430065）

1 引言

国家对基础设施建设投入不断增加，推动了我国高速公路的发展。沥青混凝土路面比一般水泥混凝土路面有施工维护快捷方便、提供更好的驾驶条件行车平稳、减小行车噪音对周围环境干扰少等优点，常使用沥青混凝土作为高速公路的路面材料。而粗集料占沥青混合料总质量的（50～80）%，因此粗集料的形态特征对沥青混合料的使用性能具有重要影响。

目前，通过采用二维图像处理的方法，已经研制了如Video-Grader VDG 40［1］、WipShape［2］、AIMS［3］和AIMS2［4］以及UIAIA［5］和EUIAIA［6-7］等多种图像处理系统用于评价集料的形态特征。研究人员提出了采用圆度［8］、球度［9］、形状指数［3］、棱角性［10］等多种指标用来评价集料的形态特征，有学者［11］对比分析后认为等效圆模型相对来说为计算粗集料粒径的最佳模型。目前，大量研究学者将图像处理技术应用于露石表面纹理构造分析［12］、粗集料二维形态特征指标获取［13］、沥青路表纹理构造均匀性评价［14］、集料的形状特性进行量化研究［15］、计算矿石粒级比例［16］等不同方面，并取得了较好的成果。

数字图像技术相对于人工测量方法能够快速且准确获取粗集料的信息，能够极大的节省人力物力财力，实现粗集料颗粒的形态特征评价，进而定性定量评价粗集料形态特征，帮助选择优质粗集料，提升沥青混凝土路面的使用性能，推动集料检测技术向前发展。鉴于此，研究时选用不同棱角性的石灰岩粗集料为样本，利用图像处理技术获取石灰岩粗集料长短轴、矩形度、圆度等指标，对粗集料形态特征进行研究，从而使混合料性能得到提升。

2 粗集料颗粒形态特征评价指标

粗集料颗粒的形态可以用形状、棱角、纹理三个不同方面并互不关联的特征信息来描述，对集料进行分析评价。粗集料颗粒形态特征包括形状、棱角、纹理等指标，能说明粗集料在宏观、局部、微观不同层次的形态特征。

采用以下指标对集料的形态特征进行分析：长轴和短轴大小及其比例之比描述粗集料的大小指标，矩形度和圆度来描述粗集料的轮廓形状指标，计算等效椭圆周长并用此来对颗粒棱角性进行评价。

2.1 长轴和短轴

用最小矩形将集料颗粒包络起来，矩形长为该粗集料的长轴，矩形度宽则为粗集料的短轴。粗集料颗粒形状参数示意图，如图1所示。经过粗集料颗粒质心的那条直线为主轴，与主轴垂直方向粗集料的长度为短轴，得到最小外接矩形的长和宽。粗集料的粒径大小情况使用长轴和短轴的大小评价，用长轴和短轴的比值反映出粗集料的针状率。

图1 粗集料颗粒形状参数示意图Fig.1 Schematic Diagram of the Shape Parameters of Coarse Aggregate Particle

2.2 矩形度

粗集料颗粒图像投影区域面积A和其最小外接矩形面积Amin的比值为矩形度：

式中：A—粗集料颗粒图像投影区域面积；Amin—集料颗粒最小外接矩形面积。

矩形度反映出粗集料颗粒图像投影区域对去其最小外接矩形的占据程度，当对象区域边界分布不规则，0＜R＜1；当对象区域为矩形时，R=1；当对象区域为圆形时，R=p/4。

2.3 圆度

圆度用来表示粗集俩轮廓相似于圆形的程度，被用来解释其边界的弯曲程度，其计算公式为：

式中：C—粗集料颗粒边界周长；A—粗集料颗粒投影区域面积。

F值恒大于1，F值越大说明粗集料颗粒轮廓形状越偏离圆的形状。

2.4 棱角性

棱角性用来说明粗集料颗粒的凹凸程度，角度的变化越大则粗集料轮廓更加凹或者凸。粗集料颗粒等效椭圆的，如图2 所示。等效椭圆［17-19］在保留玄武岩粗集料颗粒的轮廓形状的前提下，能够减小粒径大小对棱角的影响。

图2 粗集料颗粒等效椭圆与凸面示意图Fig.2 Schematic Diagram of Equivalent Ellipse and Convex Surface of Coarse Aggregate Particles

基于周长的棱角性指标Z*，计算如下：

式中：Z—粗集料颗粒轮廓周长；Ze—粗集料颗粒等效椭圆周长。

为了研究粗集料颗粒与沥青混合料使用性能的相关性，对粗集料颗粒形态特征进行分析，而集料的颗粒越大则对集料的宏观性质影响越大［20］，所以在考虑到单个集料棱角性之后采用面积权来计算粗集料颗粒样本的棱角性。最终得到粗集料棱角的加权平均值Z**，计算公式为：

3 粗集料颗粒图像采集与处理

3.1 粗集料颗粒图像采集

数字图形处理是指用计算机将获取到的自然界图像转换为数字信息并对数字信息进行处理得到自然界对象特征的过程［21］。其具有能进行复杂的运算并且具有高处理精度、应用面广、不易损、适应能力强、可操作性强的特点。

本研究采用的是平行投影的方式对粗集料颗粒图像进行采集，平行投影能准确地反映出物体的实际尺寸，不会将目标图像缩小。当投影平面和投影方向的夹角在九十度的时候，可获取最能体现出粗集料颗粒形态特征的投影图像。采集到的其中两组图像，如图3所示。

图3 粗集料原始图像Fig.3 Original Image of Coarse Aggregate

3.2 粗集料颗粒图像处理

对拍摄到的粗集料颗粒原始图像进行灰度化处理，处理之后接着对图像进行增强再去除阴影部分，然后通过最小阈值法选取阈值，对图像进行二值化处理，低于此阈值的像素值赋值为0，高于此阈值的像素值赋值为1［22］。接着使用Matlab中的Bwperim函数来提取粗集料颗粒的边缘，如图4所示。最后提取出粗集料的长轴、短轴、粗集料颗粒图像投影区域面积、最小外接矩形面积、粗集料颗粒边界周长、粗集料颗粒轮廓周长和粗集料颗粒等效椭圆周长等参数。粗集料颗粒图像分析流程，如图5所示。

图4 边缘检测图Fig.4 Edge Detection Diagram

图5 粗集料颗粒图像分析流程图Fig.5 Image Analysis Flowchart of Coarse Aggregate Particles

4 粗集料颗粒形态特征评价

4.1 不同棱角性粗集料图像处理结果

本研究采集了五组不同棱角性的石灰岩粗集料颗粒的图像，对图像进行灰度化、增强、二值化等处理，使用图像处理技术提取出石灰岩粗集料的长轴、短轴、矩形度、圆度和等效椭圆周长，并对其特征参数分析，完成对粗集料颗粒形态特征的评价。分析石灰岩集料的形态特征，先对其图像进行分析，其图像处理结果，如表1所示。

表1 不同棱角性粗集料图像处理结果Tab.1 Image Processing Results of Different Angular Coarse Aggregates

4.2 不同棱角性粗集料形态特征评价分析

本研究以石灰岩粗集料作为实验对象，利用图像处理技术采集其二维图像，并对图像进行一系列处理，提取出特征参数，进行粗集料形态特征参数进行分析。主要对长轴、短轴、矩形度、圆度和等效椭圆周长等参数进行提取并加以分析，得到五组不同棱角性石灰岩中每颗集料的参数，每组形态特征参数平均值，如表2所示。

表2 石灰岩样本形态特征参数平均值Tab.2 Average Values of Morphological Characteristic Parameters of Limestone Samples

在长短轴、矩形度、圆度及颗粒形状等方面都得到了相应数据，具体分析如下：

4.2.1 矩形度

将不同棱角性的石灰岩粗集料矩形度进行对比分析，可以发现石灰岩粗集料颗粒的矩形度随着棱角性、长轴的增大而减小，变化曲线，如图6所示。

图6 粗集料颗粒矩形度变化曲线Fig.6 Change Curve of Rectangularity of Coarse Aggregate Particles

说明粗集料投影形状随着长轴的增大而越来越偏离矩形的形状，投影对最小外接矩形的占据程度逐渐降低，石灰岩颗粒长轴越小，棱角性越小则形状越接近矩形。

4.2.2 圆度

将不同颗粒的石灰岩粗集料圆度进行对比分析，可以发现石灰岩粗集料颗粒的圆形度随着棱角性、长轴的增大而增大，变化曲线，如图7所示。说明粗集料投影形状随着棱角性、长轴的增大而越来偏离圆形，石灰岩颗粒棱角性越小，长轴越小则形状越接近圆形。

图7 粗集料颗粒圆度变化曲线Fig.7 The Roundness Curve of Coarse Aggregate Particles

4.2.3 棱角性

在棱角性变化方面，石灰岩粗集料颗粒的棱角性随着长轴的增加变化相对较小，曲线趋势线较为平缓，变化曲线，如图8所示。

图8 粗集料颗粒棱角性变化曲线Fig.8 The Angularity Change Curve of Coarse Aggregate Particles

石灰岩样本粗集料颗粒的棱角性分布在1.1左右，且粗集料颗粒角度变化并不大。石灰岩表面凹凸不平的地方少，集料颗粒看起来较为“圆润”。也就是说石灰岩不利于集料间的嵌挤作用和沥青的粘附，不适用于工程研究。

4.2.4 针片状颗粒含量

比较粗集料长轴与短轴后发现没有长短轴之比大于3的，选取石灰岩样本颗粒的针片状含量为0，几乎没有针片状石灰岩粗集料，如图9所示。粗集料影响着道路的使用性能，而目前建造道路对粗集料要求较高，选择的粗集料质量更好，使得针片状粗集料颗粒很少。

图9 粗集料颗粒长短轴比值Fig.9 The Ratio of Long and Short Axis of Coarse Aggregate Particles

5 结语

运用图像技术采集了粗集料的正投影图像并提取出粗集料的长短轴、棱角性、矩形度、圆度等参数，分析评价了粗集料颗粒的二维形态特征，得出以下结论：

（1）粗集料的形态特征是判断粗集料质量及使用性能的条件，其会影响集料的物理性质（即密度、空隙率等）和力学性质（即压碎值、磨耗率等）。

（2）为了能够更好的提取到边缘特征明显的粗集料颗粒图像，本研究在光照良好的情况下进行图像的采集。对原始图像进行图像增强等处理后，删除阴影提取轮廓，采用最小阈值法能够较好分割提取图像中的各个对象，并提取目标轮廓图。但只研究了集料颗粒在某种几何状态下的代表性二维几何特征，尚未做到三维几何特征的研究水平，具有一定的局限性。

（3）采用图像处理技术能够快速准确的提取大量粗集料颗粒的形态特征参数，通过比较不同棱角性的石灰岩粗集料颗粒图像，选取长短轴、矩形度、圆度等参数能够较好的描述粗集料颗粒的形态特征。

（4）使用图像处理技术分析石灰岩粗集料，提取其形态特征参数后进行分析，石灰岩粗集料的矩形度随着棱角性、长轴的增大而增大，越来越偏离矩形度形状；其圆度随着棱角性、长轴的增大而减小，越来越偏离圆形的形状；其棱角性随着长轴的增大其变化并不明显，曲线趋于平缓，石灰岩较为“圆润”，不利于集料间的嵌挤作用和沥青的粘附，不适用于工程研究；石灰岩粗集料样本针片状含量均为0，该批次集料从针片状含量角度来说质量比较好。