数字图像处理论文
0 引言
沥青混凝土是一种由多种材料组成的多相复合材料，其材料组成及其相互作用对沥青混凝土的宏观性能起着重要的影响作用。尤其是集料的分布特征，将影响到沥青混凝土空间骨架的构建、沥青砂浆与集料间的相互作用效应，进而影响沥青混凝土的受力特性[1-3].近年来，国内外学者采用各种数值模拟技术，对沥青混凝土的受力响应进行计算机模拟，取得了一定的成果。然而，这些模拟多是采用随机生成的数值模型，不能反映沥青混凝土的真实受力特点。
随着计算机技术的发展，为传统的工程问题提供了一些新的解决方法。对于沥青混凝土的数值模型研究来说，数字图像处理（ Digital Image Processing,DIP） 技术就是一种新的解决方法。DIP是利用计算机对数字图像进行处理，获得某种预期结果的技术[4-6].1998 年，美国研究人员开始着手进行将 DIP 技术引入到土木工程的领域里，然而，其研究成果相对保密。近年来，国内学者也开始了相关的研究，将 DIP 技术引入到混凝土材料的数值模型建立中。在此背景下，本文进行了 DIP 技术在沥青混凝土级配分析中的应用研究。
1 沥青混凝土试件截面图像处理
1. 1 沥青混凝土试件准备
本研究采用的试件为沥青混凝土马歇尔试件，所用石料为玄武岩集料，石料的级配参考 OGFC-13 的中值级配。为了进行对比，试验中共成型了 4 个试件，对其中两块进行竖直切割，另外两块进行水平切割，如图1 所示。竖直切割取2,4 两个截面，水平切割取 3,4,5,6 四个截面，作为后续的研究。
1. 2 数字图像的采集
利用数码相机采集上节所取截面的图像，并通过 ENVI 软件进行前处理[7,8],结果如图 2 所示。
1. 3 图像处理
1） 边缘检测
边缘检测是图像处理的关键步骤之一，为了得到更多的骨料细节，处理过程中需要不断调整检测阈值，直到获取足够精细的边缘图像。
2） 二值化
试件截面图像经过边缘检测后，还需经过二值化处理，在二值化过程中，像素0 表示骨料的边界，像素1 表示骨料和填料。图像经二值化后，一方面可以更好的用符号来表示，另一方面也大幅减少了多余信息，提高了处理速度。其中一个水平截面数字图像的二值化处理效果如图 3a） 所示。
3） 几何矢量化
二值化后，图像可看作为由1 和0 组成的矩阵，其中0 代表边界位置。为了得到边界的具体向量位置，首先需要扫描代表边界的矩阵元素 0,得到边界在图像中的位置，进而通过尺寸转换得到边界的向量位置。几何矢量化得到的具有几何交换格式（ . dxf） 的图像如图 3b） 所示。
2 沥青混凝土形态特征识别
在将采集到的截面图像几何矢量化后，如何将集料特征识别出来，是沥青混凝土级配分析的重点与难点所在。在从截面矢量图中识别集料时，主要采用统计方法来统计集料粒径的大小，再进行分档。在实际试验中，沥青混凝土中的集料是按照特定级配排列的碎石，为了更加准确的识别出集料的特征，在统计分析时需要根据实际的集料颗粒粒径范围来确定阈值，以将识别出的集料进行分档。目前，集料的识别主要有面积等效圆、面积等效正方形及外接正方形三种形式，但采用前两种方法进行集料粒径统计时，统计出的颗粒粒径与实际级配差异性大，部分扁平的集料颗粒更为明显，很难反映实际的集料筛分统计过程。采用外接正方形统计集料粒径时，能够很好的模拟实际筛分过程，统计结果可靠性较高。因此，本文在集料特征识别时采用外接正方形法，所识别出的集料颗粒粒径如图 4 所示，受硬件分辨率的制约，本文在统计不同粒径范围内的集料颗粒面积时只考虑了粒径在1. 18 mm 以上的集料颗粒，而对于粒径在 1. 18 mm 以下的颗粒一般看作沥青砂浆，在计算级配时以原始级配代替。
3 细观结构图像级配特征
面积级配理论是指在进行沥青混凝土内部结构分析时，为了确定集料级配而采用以每档集料的面积百分含量代替实际级配中质量百分含量的一种做法[9,10].本文中根据从矢量化后的图中得到的集料面积，计算出每档集料的面积百分含量，进而根据面积级配理论，可绘制出所分析截面上的面积级配曲线。
本文对多个试件截面进行了数字图像分析，每个试件在各粒径范围内的颗粒含量取各个截面的平均值，则可以反推出各试件的面积级配曲线，如图5 所示。从图5 可以看出，所有试件的面积级配曲线与实际级配曲线保持一致，得到的面积级配曲线完全能够反映试件的实际级配； 同时也表明沥青混凝土马歇尔试件内部集料在由上到下的范围内分布比较均匀。结果证明了面积级配理论的合理性，采用图像处理技术识别沥青混凝土级配的方法在检验级配的过程中是有效的，得到的结果能较好地反映沥青混凝土的细观结构，可以为沥青混凝土细观结构模型的建立提供理论支持。
4 结语
通过数字图像处理技术对大孔隙环氧沥青混凝土的集料形态进行了研究，获取了沥青混凝土截面的级配，并与实际级配进行对比分析，结论如下：
1） 通过数字图像处理技术可以获取大孔隙环氧沥青混凝土试件截面具有几何交换格式（ . dxf） 的图像文件，为沥青混凝土试件细观结构的建模提供了前提条件。
2） 从沥青混凝土的图像级配曲线来看，图像级配的走向、规律、范围与实际级配有着较好的相关性，图像级配在一定程度上可以反映实际级配状况。
3） 数字图像处理技术可以很好的识别沥青混凝土的级配等宏观参数，表明数字图像处理技术可以较好的成为宏观结构和细观结构的载体，为沥青混凝土的细观结构研究提供技术支持。