本發(fā)明涉及一種基于二維數(shù)字圖像處理的瀝青混合料接觸特性的評(píng)價(jià)方法。屬于路面材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

瀝青混合料是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多相材料，由集料、瀝青膠漿、空氣組成。深入研究瀝青混合料中集料形狀特征以及其在混合料內(nèi)部的分布即細(xì)觀結(jié)構(gòu)，對(duì)瀝青混合料宏觀性能的調(diào)節(jié)與控制將具有更好的指導(dǎo)作用。數(shù)字圖像處理技術(shù)利用相機(jī)或ct圖像處理技術(shù)獲取瀝青混合料切片截面圖像，基于此方法研究混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性兼?zhèn)涓咝耘c精確性。

近年來(lái)，隨著電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高精度圖像的獲取不再成為研究中的難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外研究中已經(jīng)對(duì)集料外形、棱角性、表觀紋理等特性進(jìn)行分析與研究，但對(duì)于集料間接觸特性研究較少。本發(fā)明基于二維數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)不同級(jí)配瀝青混合料接觸特性進(jìn)行量化分析，并提出評(píng)價(jià)指標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于通過(guò)對(duì)瀝青混合料細(xì)觀特性的研究，提出一種基于二維數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)不同級(jí)配瀝青混合料接觸特性進(jìn)行量化分析，并提出評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法。

為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明涉及的一種基于二維數(shù)字圖像處理的瀝青混合料接觸特性的評(píng)價(jià)方法，包括圖像獲取步驟和圖像預(yù)處理步驟；所述圖像獲取步驟依次包括圓柱體試件的制作、切片試件的制作以及對(duì)切片垂直方向截面的高精度二維圖像掃描步驟；所述圖像預(yù)處理步驟依次包括將高精度二維圖像轉(zhuǎn)換灰度圖步驟、應(yīng)用閾值法從瀝青膠漿和空隙中區(qū)分出粗集料步驟、將灰度圖分割為一組相同大小的矩形圖分別進(jìn)行閾值優(yōu)選以及對(duì)顆粒輪廓進(jìn)行檢查和修正；其特征在于：還包括接觸定義步驟和指標(biāo)計(jì)算步驟；

在所述接觸定義步驟中，接觸距離定義為集料邊界的像素點(diǎn)距離其他任意一個(gè)集料的邊界像素點(diǎn)的最小距離，集料邊界像素點(diǎn)的接觸距離如果小于預(yù)先設(shè)定的最大接觸距離，則定義此像素點(diǎn)為接觸像素點(diǎn)；兩個(gè)集料之間的接觸像素點(diǎn)組成接觸線，接觸線的長(zhǎng)度為將接觸線像素點(diǎn)總個(gè)數(shù)換算為長(zhǎng)度單位所得的毫米值，接觸線的方向被定義為從開(kāi)始點(diǎn)到接觸線的終點(diǎn)的輔助直線與圖像的水平軸的夾角；

在所述指標(biāo)計(jì)算步驟中，首先對(duì)經(jīng)過(guò)圖像獲取和預(yù)處理步驟獲得的瀝青混合料試件粗集料間的接觸距離、接觸線長(zhǎng)度和方向以及接觸線個(gè)數(shù)指標(biāo)進(jìn)行確定；

然后給出接觸距離分布指標(biāo)、接觸長(zhǎng)度分布指標(biāo)以及接觸方向三類指標(biāo)并計(jì)算各類指標(biāo)數(shù)值；

1)所述接觸距離分布指標(biāo)包括平均接觸距離dave、接觸距離不大于0.5mm所占比pd≤0.5mm以及接觸距離不大于1mm所占比pd≤1mm，其計(jì)算公式分別如下：

其中：

n：一個(gè)截面內(nèi)所有集料邊界像素點(diǎn)總個(gè)數(shù)；

di：邊界像素點(diǎn)i的接觸距離，單位為mm；

nd≤0.5mm：接觸距離不大于0.5mm邊界像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；

nd≤1mm：接觸距離不大于1mm邊界像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；

2)所述接觸長(zhǎng)度分布指標(biāo)包括接觸線總長(zhǎng)lsum、接觸個(gè)數(shù)no.contact以及平均接觸長(zhǎng)度lave；其中，lsum表示一個(gè)截面內(nèi)所有接觸像素點(diǎn)的換算長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)值，no.contact表示一個(gè)截面內(nèi)接觸總個(gè)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，lave為lsum與no.contact的比值，其計(jì)算公式分別如下：

其中：

as：標(biāo)準(zhǔn)圖像尺寸15000mm²，150*100mm矩形；

ai：截面i面積，單位為mm²；

li：截面i實(shí)際接觸總長(zhǎng)單位為mm；

no.contacti：截面i實(shí)際接觸總對(duì)數(shù)；

3)所述接觸方向指標(biāo)包括接觸線傾角均值θ、接觸線傾角集中度δ；其計(jì)算公式分別如下：

其中：

θk：各截面接觸線k與水平軸夾角；

n：各截面中接觸線總條數(shù)。

本發(fā)明進(jìn)一步確定的技術(shù)方案為：在所述圖像獲取步驟中，對(duì)切片垂直方向截面的掃描過(guò)程中，所述切片用黑箱罩住。

進(jìn)一步的，在所述圖像預(yù)處理步驟中，首先要對(duì)切片圖像施加綠色的濾鏡以稀釋集料部分存在的藍(lán)色通道像素點(diǎn)。

進(jìn)一步的，在所述接觸定義步驟中，所述預(yù)先設(shè)定的最大接觸距離設(shè)定為0.5mm。

進(jìn)一步的，在所述圖像預(yù)處理步驟中，在圖像分割時(shí)，應(yīng)用閾值法從瀝青膠漿和空隙中區(qū)分出粗料集；所述粗料集顆粒大于1.18mm。

進(jìn)一步的，在所述圖像預(yù)處理步驟中，在圖像分割前應(yīng)用頂帽變換和中值濾波算法分別消除亮度不均和圖像噪聲。

本發(fā)明提出了瀝青混合料的集料接觸特性的評(píng)價(jià)方法，定義了接觸距離分布指標(biāo)、接觸長(zhǎng)度分布指標(biāo)以及接觸方向三類指標(biāo)，將瀝青混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化表征。在本發(fā)明的基礎(chǔ)上，可以建立瀝青混合料的集料接觸特性與其宏觀力學(xué)性能的關(guān)系，從而通過(guò)瀝青混合料的集料接觸特征評(píng)價(jià)瀝青混合料的宏觀力學(xué)性能。本發(fā)明為瀝青混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)數(shù)字化表征以及宏觀力學(xué)性能數(shù)字化評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)，為提高瀝青混合料的路用性能提供了全新的研究思路，具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明切片試件的制作示意圖。

圖2(a)為圖像預(yù)處理分割示意圖；圖2(b)、(c)和(d)為接觸定義示意圖。

圖3(a)、(b)、(c)以及圖(d)為ac-13圖像處理過(guò)程示意圖。

圖4(a)、(b)、(c)以及圖(d)為sup-13圖像處理過(guò)程示意圖。

圖5(a)、(b)、(c)以及圖(d)為sma-13圖像處理過(guò)程示意圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例涉及一種基于二維數(shù)字圖像處理的瀝青混合料接觸特性的評(píng)價(jià)方法，其評(píng)價(jià)方法包括如下幾個(gè)步驟：

(1)圖像獲取

本發(fā)明利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型高180mm，直徑150mm的圓柱體試件，再將整體試件通過(guò)轉(zhuǎn)芯、切割等操作，得到目標(biāo)尺寸為高150mm，直徑100mm的圓柱體試件，如圖1所示。再將目標(biāo)尺寸圓柱體試件以10mm為間隔，沿頂面至底面方向進(jìn)行切片操作，每個(gè)試件共切割8面，選取中間的6個(gè)切片，從而獲得12個(gè)垂直方向截面樣本。之后，使用高精度掃描儀，分辨率選用762dpi，即0.0334mm/像素對(duì)六片共12個(gè)樣本截面進(jìn)行高精度二維圖像掃描，掃描過(guò)程中使用黑箱將試件罩住，避免光線對(duì)圖像精度的影響。

(2)圖像預(yù)處理

如圖2(a)所示，首先對(duì)高精度的切片圖像施加綠色的濾鏡以稀釋集料部分存在的較多藍(lán)色通道像素點(diǎn)。圖像分割前，利用matlab相關(guān)算法將圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖的形式以便于后續(xù)的分析。應(yīng)用頂帽變換和中值濾波算法分別消除亮度不均勻和圖像噪聲。在分割圖像時(shí)，應(yīng)用閾值法從瀝青膠漿和空隙中區(qū)分出粗集料即顆粒大于1.18mm，如圖2(b)所示。圖像分割過(guò)程中，將掃描圖像分割為16個(gè)等大的矩形區(qū)分別進(jìn)行閾值選取，每個(gè)區(qū)域的最優(yōu)閾值計(jì)算采用otsu自適應(yīng)算法。分割結(jié)束后，對(duì)整體二進(jìn)制圖像應(yīng)用分水嶺變換和腐蝕膨脹算法，對(duì)顆粒輪廓進(jìn)行檢查和修正。

(3)接觸定義

接觸距離定義為集料邊界的像素點(diǎn)距離其他任意一個(gè)集料的邊界的最小距離。每一個(gè)集料的每一個(gè)像素點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)一個(gè)接觸距離。如圖2(c)所示，集料邊界像素點(diǎn)的接觸距離如果小于預(yù)先設(shè)定的最大接觸距離，推薦值為0.5mm，則定義此像素點(diǎn)為接觸像素點(diǎn)。在圖2(c)中，o1和o2是集料a邊界上的兩個(gè)像素點(diǎn)，集料a的潛在接觸區(qū)域被定義為以邊界像素點(diǎn)如o1和o2作為圓心并以預(yù)先確定的最大接觸距離為半徑的圓形區(qū)域。對(duì)于點(diǎn)o1，其他集料的像素點(diǎn)被檢測(cè)在此圓形區(qū)域，那么稱o1為接觸像素，o1到其他集料的邊界像素的最小距離被指定為接觸距離，并且每一個(gè)接觸像素都有相應(yīng)的接觸距離。對(duì)于點(diǎn)o2，其他集料的像素點(diǎn)沒(méi)有被檢測(cè)在此圓形區(qū)域，于是o2不是接觸像素點(diǎn)。如圖2(d)所示，同兩個(gè)集料之間的接觸像素點(diǎn)組成接觸線，接觸線的長(zhǎng)度和方向也被獲取分析。接觸線的長(zhǎng)度為將接觸線像素點(diǎn)總個(gè)數(shù)換算為長(zhǎng)度單位所得的毫米值，接觸線方向定義為接觸線起點(diǎn)和終點(diǎn)的連線與圖像的水平軸的夾角。由于兩個(gè)集料之間的接觸線可以是波狀和連續(xù)的，所以接觸的方向被定義為從開(kāi)始點(diǎn)到接觸線的終點(diǎn)的輔助直線與圖像的水平軸的夾角。

如圖3，分別為ac-13試件的圖像處理過(guò)程，圖3(a)是試件未經(jīng)任何處理的圖像，圖3(b)在原圖基礎(chǔ)上加上了綠色濾鏡，圖3(c)為matlab軟件處理后的二值化圖像，圖3(d)在(c)的基礎(chǔ)上去掉了細(xì)集料的圖像。圖4，圖5分別為sup-13和sma-13試件圖像處理過(guò)程，過(guò)程和試件ac-13一致。

(4)指標(biāo)計(jì)算

通過(guò)圖像獲取與處理過(guò)程，得到瀝青混合料試件粗集料>1.18mm間的接觸距離，接觸線長(zhǎng)度及方向，接觸線個(gè)數(shù)等指標(biāo)。本發(fā)明提出以下三類指標(biāo)，評(píng)價(jià)瀝青混合料接觸特性：

①接觸距離分布指標(biāo)

通過(guò)計(jì)算每個(gè)集料接觸邊界像素點(diǎn)間相應(yīng)距離，提出三大指標(biāo)：平均接觸距離(dave，如公式1所示)、接觸距離不大于0.5mm所占比(pd≤0.5mm，如公式2所示)以及接觸距離不大于1mm所占比(pd≤1mm，如公式3所示)。

其中：

n：一個(gè)截面內(nèi)所有集料邊界像素點(diǎn)總個(gè)數(shù)；

di：邊界像素點(diǎn)i的接觸距離(mm)；

nd≤0.5mm：接觸距離不大于0.5mm邊界像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；

nd≤1mm：接觸距離不大于1mm邊界像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。

②接觸長(zhǎng)度分布指標(biāo)

本發(fā)明基于選取接觸距離閾值0.5mm，獲取截面圖像接觸線特性，以此提出三大指標(biāo)：接觸線總長(zhǎng)lsum、接觸個(gè)數(shù)no.contact以及平均接觸長(zhǎng)度lave。由于一種混合料試件12個(gè)樣本截面的尺寸各異，需要將各截面的數(shù)據(jù)換算成標(biāo)準(zhǔn)圖像尺寸下的標(biāo)準(zhǔn)值，換算因子為標(biāo)準(zhǔn)圖像面積與各截面面積的比值。其中，lsum表示一個(gè)截面內(nèi)所有接觸像素點(diǎn)的換算長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)值，如公式5所示，no.contact表示一個(gè)截面內(nèi)接觸總個(gè)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，如公式6所示，lave為lsum與no.contact的比值，如公式4所示。

其中：

as：標(biāo)準(zhǔn)圖像尺寸15000mm²，150*100mm矩形；

ai：截面i面積，單位mm²；

li：截面i實(shí)際接觸總長(zhǎng)，單位為mm；

no.contacti：截面i實(shí)際接觸總對(duì)數(shù)。

③接觸方向指標(biāo)

本發(fā)明提出兩大指標(biāo)：接觸線傾角均值θ和接觸線傾角集中度δ以評(píng)價(jià)接觸線方向分布特性，如公式7、公式8所示。

其中：

θk：各截面接觸線k與水平軸夾角；

n：各截面中接觸線總條數(shù)。

表1-1為ac-13，sma-13，sup-13的試件經(jīng)由程序處理后得到的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值。

表1-1試件接觸特性參數(shù)

從表中可以看出，sma-13混合料的接觸總長(zhǎng)度最大，平均接觸長(zhǎng)度最大，平均接觸距離較小。因此，sma-13混合料體現(xiàn)出較好的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)以及較好的接觸特征。該結(jié)論也可以看出本發(fā)明提出的集料接觸特征的評(píng)價(jià)方法的合理性與科學(xué)性。

除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。