基于圖像灰度的飾面砂漿泛堿程度表征方法的研究

趙海鑫，孫 瑩，袁可佳，李志新

(1.南陽理工學院土木工程學院，南陽 473004； 2.南陽市城鄉規劃局，南陽 473000；3.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045)

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基于圖像灰度的飾面砂漿泛堿程度表征方法的研究

趙海鑫1，孫 瑩2，袁可佳1，李志新3

(1.南陽理工學院土木工程學院，南陽 473004； 2.南陽市城鄉規劃局，南陽 473000；3.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045)

飾面砂漿； 圖像灰度； 泛堿； 表征方法

1 引 言

水泥基飾面砂漿中水化生成的Ca(OH)2會伴隨水分的蒸發遷移至砂漿表面并與空氣中的CO2反應生成難溶于水的白色CaCO3形成泛堿現象[1]。泛堿問題嚴重阻礙了水泥基飾面砂漿的大規模推廣應用，有相關文獻研究了泛堿機理、影響泛堿的因素及抑制泛堿的方法，但目前對泛堿程度的表征方法缺少共識。王培銘[2]等根據視覺效果將泛堿程度劃分為:無可見泛堿、輕微泛堿、中度泛堿、重度泛堿四個等級，該評價方法以定性為主，主觀性較強。張星[3]采用圖像分析軟件Image-ProPlus6.0檢測試樣圖像泛堿面積作為砂漿表面泛堿程度的指標，雖然實現了對砂漿泛堿的定量檢測，但單一泛堿面積并不能準確反映泛堿程度，比如該方法不能區分泛堿物沉積厚度對砂漿外觀的影響。

圖像分析具有覆蓋面廣、連續性好、信息量大、效率高和無損壞成像等特點，由于它直觀、形象和易于獲得，所以在科學研究中得到了相應的應用：張喜林等[4]利用沉積物巖芯X光片圖像灰度值替代巖芯粒度進行沉積學方面的研究、呂岑等[5]利用圖像灰度變化提取紙病特征、許述劍等[6]利用圖像灰度研究表征金屬腐蝕程度、MaríaAuxiliadoraVázquez等[7]利用圖像灰度分布分析風化的巖石受損程度。針對砂漿泛堿程度表征而言，泛堿試樣圖像是泛堿物密度、面積等屬性的綜合體現。白色泛堿物質在砂漿試樣表面沉積厚度不同，其對基體顏色的遮蓋力也不同因而表現出一定的色差。泛堿物質在試樣表面沉積厚度越深相應區域的顏色對應的灰度值也就越高，因此我們可以通過試樣表面不同區域的顏色灰度來表征其對砂漿泛堿程度的影響。

2 實 驗

2.1 泛堿試樣圖像的獲取

將砂漿按規定配合比攪拌并靜置5 min 后, 涂抹在150 mm×70 mm×5 mm的水泥纖維板上,標準養護1 d后浸入水中8 h，取出后繼續標準養護1 d至表干，使用數碼相機拍攝試樣表面圖像，如圖1、2所示。一號是泛堿較嚴重的砂漿試樣，有群簇狀分布的泛堿成分，表面顏色分布不均，色彩斑駁；二號是基本無泛堿的砂漿試樣，表面光潔，無泛堿。

圖1 一號試樣圖像Fig.1 Digital image of sample 1

圖2 二號試樣圖像Fig.2 Digital image of sample 2

2.2 泛堿試樣圖像預處理

利用MatLab7.0軟件中的imread函數讀入初步處理過的試樣圖像；利用圖像轉換函數rgb2gray將彩色圖像A(r,g,b)轉換成灰度圖像B，見圖3；編制相應MatLab程序，提取圖像灰度矩陣，并生成試樣圖像灰度分布直方圖，見圖4。

圖3 一號試樣灰度圖像Fig.3 Gray image of sample 1

圖4 一號試樣灰度分布直方圖Fig.4 Histogram of gray image of sample 1

2.3 試樣圖像灰度的分布特征

由圖3可見，試樣的灰度數值是隨機的，即各點的灰度數值各異且無規律可循。試樣成型時砂漿中的石英砂和水泥并非均勻分布，成型過程中形成氣泡和色差等缺陷，且表面泛堿進一步加劇了試樣光學特性的隨機性。從圖4 可以看出一號試樣圖像的灰度值分布較廣(100～255均有分布)，但主要集中在160～240范圍內。

3 結果與討論

3.1 泛堿程度表征

編制相應MatLab程序，讀取圖像上任意像素點的灰度值gi。經多組圖像分析，可選用標準養護條件下同齡期的試塊顏色作為試樣基體顏色，當某區域灰度值與基色灰度值相差不大(小于5)時可認為該區域不影響砂漿外觀；當其灰度值大于基色灰度值15以上時會明顯影響砂漿美觀，因此將試樣泛堿時所對應的圖像灰度閾值定為bi+16。當配比和養護條件不同時砂漿試樣的基色是不同的，因此表征其泛堿時所選取的圖像灰度閾值也應不同，如圖1的基體顏色對應的灰度值bi為170，有明顯泛堿時其圖像灰度閾值為186。

上述分析與謝維信[8]等的研究結果相符，即在圖像灰度顯示系統中灰度級數為16時人眼正確識別率為68.75%，而當灰度級數為32時僅有45.31%的人能正確區分。

計算試樣灰度圖像中不同灰度對應的像素占總像素的百分比pi，我們提出以函數：f=Σj=255i=bi+16ri×pi來表征飾面砂漿的泛堿程度。在此之前,我們請20為志愿者分別對同一組20個樣本根據泛堿程度不同進行打分，完全泛白時定義為100分，無泛堿時為0分。結合志愿者對20組砂漿泛堿程度的評價建立以下矩陣方程P20,70×R70,1=F20,1，即

解矩陣方程得相應的泛堿影響系數ri、ri+1、ri+2、…、rk…、r255，如表1所示。

表1 灰度值及對應的影響系數Tab.1 Relationship between gray-scales and corresponding modulus

續表

3.2 相關性分析

圖5 影響系數與灰度值的相關性Fig.5 Correlation between modulus and corresponding gray-scales

圖6 樣本泛堿程度評價值與計算值Fig.6 Relationship between evaluation value and calculated value

3.3 誤差來源

上述函數可較好的表征砂漿樣本的泛堿程度，但也存在一定程度上的誤差，究其來源分為以下兩類：一 是砂漿成型過程中不可避免的形成色差及表面微小凹坑等缺陷，而在圖像預處理過程中并沒有有效地方法消除上述缺陷對圖像灰度值的影響；二是圖像拍攝過程中可能會存在光線的偏差，圖像曝光不均造成提取的圖像灰度值失真。因此，采用該方法表征飾面砂漿泛堿程度時要盡可能的使砂漿涂抹均勻，同時保證每次拍攝時的光線一致。

4 結 論

(1)試樣圖像中灰度值是隨機的，即各點的灰度值各異且無規律可循。不同顏色的區域對飾面砂漿外觀的影響不同，當其灰度值與基色灰度相差不大(≤5)時可認為這些區域不影響砂漿外觀，當灰度值大于基色灰度15以上時會顯著影響砂漿美觀;

(2)提出以函數：f=Σj=255i=bi+16ri×pi來表征飾面砂漿的泛堿程度，結合志愿者對砂漿泛堿程度的評價建立矩陣方程P20,70×R70,1=F20,1，方程解ri即為對應gi的泛堿影響系數;

[1]DowC,GlasserFP.CalciumcarbonateefflorescenceonPortlandcementandbuildingmaterials[J].Cement and Concrete Research,2003,33(1):1195-1204.

[2] 王培銘，朱繪美.測試方法及環境條件對飾面砂漿早期泛白的影響[A].商品砂漿的科學與技術[C].2011.

[3] 張 星.干粉砂漿泛堿抑制研究[D].北京：北京工業大學學位論文,2008.

[4] 張喜林，范德江.沉積物巖芯X光片圖像灰度數值及其影響因素[J].沉積學報，2012，30(2)：318-324.

[5] 呂 岑，張玉杰.基于圖像灰度的紙病檢測方法的研究[J].西北輕工業學院學報，2002，20(6)：91-94.

[6] 許述劍，翁永基.圖像灰度與腐蝕特征的相關性研究[J].中國腐蝕與防護學報，2006，26(6)：321-324.

[7]MaríaAV,EmilioG.Digitalimageprocessingofweatheredstonecausedbyefflorescences:Atoolformappingandevaluationofstonedecay[J].Construction and Building Materials,2011,25(4):1603-1611.

[8] 謝維信，秦 桉.人的視覺對灰度級別的分辨能力及視覺內部噪聲的研究[J].航天醫學與醫學工程,1991,4(1):51-55.

Characterization of Efflorescence of Decorative Mortar Based on Image Gray Scale

ZHAOHai-xin1,SUNYing2,YUANKe-jia1,LIZhi-xin3

(1.College of Civil Engineering,Nanyang Institute of Technology,Nanyang 473004,China;2.Nanyang Urban & Rural Planning Bureau,Nanyang 473000,China;3.College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China)

decorativemortar;imagegrayscale;efflorescence;characterizationmethod

趙海鑫(1988-)，男，助教，碩士.主要從事聚合物改性水泥基材料的研究.

TU

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