粗集料棱角性數(shù)字圖像分析技術(shù)研究進(jìn)展調(diào)查評(píng)價(jià)

楊麗萍

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

粗集料棱角性是對(duì)粗集料顆粒表面棱角凸出程度的一種表征，其對(duì)瀝青混合料強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性具有重要意義，對(duì)瀝青路面抗滑性能也起到重要作用[1-2]。目前各國測(cè)定粗集料棱角性的方法種類較多，ASTM D5821中粗集料棱角性以具有一至兩個(gè)破碎面的顆粒含量來表征[3]；ASTM D3398和AASHTO TP56中均采用粗集料的堆積空隙率作為評(píng)價(jià)棱角性的指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)間接的度量[4-5]。但上述方法都未能建立粗集料棱角性與瀝青混合料實(shí)際路用性能之間準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。而我國規(guī)范中還缺乏相應(yīng)試驗(yàn)方法和技術(shù)指標(biāo)來表征粗集料棱角性[6]。

近年來數(shù)字圖像分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)粗集料棱角性，國內(nèi)外相關(guān)研究取得了突出進(jìn)展。汪海年等采用自行開發(fā)的粗集料形態(tài)特征研究系統(tǒng)，提出顆粒周長法和分形幾何法兩類評(píng)價(jià)方法[7]。張生瑞等將CT技術(shù)與數(shù)字圖像分析中的三維重建技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建出粗集料的三維幾何模型，并提出以球形度和粗糙度兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)單顆集料的棱角性[8]。美國PINE公司推出的集料圖像測(cè)量系統(tǒng)（AIMS），應(yīng)用二維偏角法由二維集料圖像計(jì)算出粗集料棱角性，并對(duì)多顆粗集料棱角性取綜合值，以反映宏觀的粗集料整體棱角性[9-10]。

國內(nèi)外相關(guān)研究雖進(jìn)展較快，但仍處于理論及試驗(yàn)研究階段，距離實(shí)際工程應(yīng)用還存在較大差距；各類數(shù)字圖像分析技術(shù)所應(yīng)用的方法原理種類龐雜，測(cè)定效果參差不齊，且相互之間缺乏對(duì)比。因此，本文較為全面地梳理對(duì)比了相關(guān)研究成果，針對(duì)其圖像獲取、處理、識(shí)別方法及對(duì)粗集料棱角性的評(píng)價(jià)效果進(jìn)行了總結(jié)對(duì)比，以期為相關(guān)研究發(fā)展和實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)字圖像分析技術(shù)路線

數(shù)字圖像分析技術(shù)路線包括：粗集料原始圖像獲取、原始圖像處理識(shí)別、粗集料棱角性評(píng)價(jià)。粗集料原始圖像獲取指采用攝像機(jī)、飛點(diǎn)掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等圖像采集設(shè)備獲取集料二維或三維圖像，并進(jìn)而輸入到計(jì)算機(jī)中[11-12]。圖像采集設(shè)備為保證圖像質(zhì)量，應(yīng)滿足空間分辨率、密度分辨率、成像穩(wěn)定的要求，其對(duì)原始圖像的質(zhì)量起到了決定性作用。獲取原始圖像后，可對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理以對(duì)質(zhì)量較差的原始圖像進(jìn)行增強(qiáng)、復(fù)原。隨后，運(yùn)用模式識(shí)別技術(shù)對(duì)圖像中存在的物體進(jìn)行圖像分割、特征提取計(jì)算，進(jìn)而得出期望的計(jì)算結(jié)果。數(shù)字圖像分析技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 粗集料棱角性數(shù)字圖像分析技術(shù)路線

2 數(shù)字圖像獲取識(shí)別方法

2.1 圖像采集設(shè)備

國內(nèi)外相關(guān)研究多采用數(shù)碼相機(jī)采集粗集料原始圖像。在選用數(shù)碼相機(jī)時(shí)，主要考慮分辨率、位深度兩個(gè)指標(biāo)。越高的分辨率可得出越清晰的圖像輪廓，在應(yīng)用圖像分割算法分離對(duì)象和背景時(shí)就越精確。圖像中單個(gè)像素可描述的彩色數(shù)據(jù)量稱為位深度，單個(gè)像素所能描述的數(shù)據(jù)量隨位深度的增大而增大，即圖像具有更加清晰的細(xì)節(jié)，但也將造成圖像文件變大而使后續(xù)的分析工作量增加。國內(nèi)外研究學(xué)者多要求高分辨率，以獲得清晰的圖像輪廓；而對(duì)位深度僅要求數(shù)據(jù)量滿足圖像處理需求即可，以降低分析工作量從而提高圖像處理效率，位深度的一般取值為24位[13-15]。

2.2 光照系統(tǒng)

對(duì)粗集料圖像進(jìn)行采集時(shí)，如以自然光為環(huán)境光源，可能造成顆粒圖像中灰度變化不均勻，無法在圖像處理過程中實(shí)現(xiàn)顆粒輪廓與背景的精確劃分，因此需采用光照系統(tǒng)以進(jìn)一步提高顆粒輪廓和背景的對(duì)比度。國內(nèi)外相關(guān)研究多采用“無影燈箱”或“逆光燈箱”，二者主要構(gòu)造如圖2、圖3所示。二者主要區(qū)別在于光源的布置：“無影燈箱”光源自上而下，由于集料正上方需布置攝像機(jī)，光源僅能布置于攝像機(jī)側(cè)面而不能與集料垂直，所以至少需要兩個(gè)光源以達(dá)到消除陰影的效果[9]；“逆光燈箱”四壁不透光，頂面為一透光玻璃板，在箱底有平行光源正對(duì)攝像方向逆向照射，以消除陰影[16]。美國PINE公司生產(chǎn)的系列集料圖像測(cè)量系統(tǒng)（AIMS）均采用“無影燈箱”；由于逆光燈箱技術(shù)手段較為簡單，目前國內(nèi)外研究學(xué)者在自制光照系統(tǒng)時(shí)多采用逆光燈箱；但由于其光源正對(duì)攝像頭照射，對(duì)成像效果會(huì)產(chǎn)生一定影響。

圖2 AIMS無影燈箱（引用自文獻(xiàn)[9]）

圖3 逆光燈箱（引用自文獻(xiàn)[16]）

2.3 圖像處理軟件

將采集到的圖像輸入計(jì)算機(jī)后，即可應(yīng)用各類圖像處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別并提取特征值數(shù)據(jù)。除AIMS等商業(yè)集料圖像測(cè)量系統(tǒng)使用內(nèi)置程序外，國內(nèi)外學(xué)者在進(jìn)行粗集料棱角性的研究時(shí)，多采用 Matlab、VC++、Image Pro Plus、Vision Assistant等軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理。其中Image Pro Plus的應(yīng)用最為廣泛，該軟件具有功能豐富、操作簡單的突出優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)要求的棱角性評(píng)價(jià)方法計(jì)算特征值，進(jìn)而輸出棱角性評(píng)價(jià)結(jié)果。

3 粗集料棱角性評(píng)價(jià)方法

3.1 侵蝕膨脹法和傅利葉級(jí)數(shù)法

Masad等運(yùn)用數(shù)字圖像的侵蝕膨脹法，以表面參數(shù)SP值表征邊界處的棱角特征損失，損失越嚴(yán)重則圖像處理前后面積對(duì)應(yīng)的SP值差異越大，即表示具有越強(qiáng)的棱角性,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)棱角性的定量描述[17]。Wang等采用傅里葉級(jí)數(shù)法,將集料輪廓半徑的函數(shù)按傅里葉級(jí)數(shù)展開,棱角顯著性指標(biāo)αr越大代表棱角性越強(qiáng)[18]。然而上述兩種方法的計(jì)算過程都十分繁瑣，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)集料原始圖像的質(zhì)量要求較高，需采集的特征值數(shù)量較多而導(dǎo)致運(yùn)算速度緩慢。且侵蝕膨脹法較為適用于評(píng)價(jià)細(xì)集料的棱角性，集料的棱角性受其粒徑的影響較為明顯，因此該方法評(píng)價(jià)粗集料棱角性的合理性還有待討論。

3.2 等效球體法

張生瑞等將CT技術(shù)與數(shù)字圖像分析中的三維重建技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建出粗集料的三維幾何模型，并提出等效球體法來評(píng)價(jià)粗集料的棱角性[8]。該方法包括球形度S、粗糙度R兩個(gè)指標(biāo)，分別按式（1）、式（2）計(jì)算：

式中：S1為等效球體表面積；S2為粗集料顆粒表面積；V1為等效球體體積；V2為粗集料顆粒體積。

在計(jì)算球形度S時(shí)，等效球體指與粗集料顆粒具有相同體積的球體。球形度S表征了粗集料顆粒接近標(biāo)準(zhǔn)球體的程度，標(biāo)準(zhǔn)球體的S值為1，粗集料的S值介于0.75～0.90之間。S值越大，則棱角性越差。在計(jì)算粗糙度R時(shí)，等效球體指與粗集料顆粒具有相同表面積的球體。粗糙度R可解釋為粗集料顆粒相較于等效球體輪廓的不規(guī)則程度，標(biāo)準(zhǔn)球體的R值為1，粗集料的R值介于1.05～1.17之間。R值越小，則棱角性越差。

3.3 骨架端點(diǎn)法

耿超等利用線陣數(shù)字相機(jī)獲取粗集料原始圖像，并采用Vision Assistant軟件對(duì)原始圖像進(jìn)行處理，提取出粗集料顆粒圖像骨架[19]。圖像骨架保留了粗集料顆粒的形狀特征，反映出粗集料顆粒形狀的全局信息。骨架端點(diǎn)越多，代表粗集料顆粒形狀特征越豐富，即棱角性越好。通過與AIMS測(cè)試結(jié)果及與ASTM D3398中堆積空隙率測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知，采用骨架端點(diǎn)法對(duì)粗集料棱角性進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果，與上述兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果具有較高相關(guān)性，這也驗(yàn)證了該方法具有實(shí)際應(yīng)用的可能性。

3.4 凸包面積差法

趙振軍、岳寶峰等采用計(jì)算幾何學(xué)中凸包算法對(duì)粗集料原始圖像進(jìn)行處理，提取出粗集料顆粒的形狀特征[9-10]。其提取過程與上文所述的骨架端點(diǎn)法類似，但考慮到過于微小的棱角對(duì)粗集料棱角性可能貢獻(xiàn)較小，為提高圖像處理效率，凸包面積差法對(duì)粗集料顆粒局部位置的微小凹陷進(jìn)行了填充。粗集料棱角性量化指標(biāo)CHA定義如式（3）所示。CHA值越大，即采用凸包面積差法對(duì)粗集料顆粒原始圖像進(jìn)行處理前后的面積差越大，代表粗集料顆粒具有越好的棱角性。

式中：A1為凸包處理前粗集料顆粒表面積；A2為凸包處理后粗集料顆粒表面積。

3.5 顆粒周長法和分形幾何法

汪海年等運(yùn)用自行研制的粗集料形態(tài)特征研究系統(tǒng)，提出了顆粒周長法和分形幾何法[7]。顆粒周長法引入集料粗糙度R，利用粗集料顆粒圖像的實(shí)測(cè)周長與外切多邊形周長間的差異來表征粗集料顆粒的棱角性。集料粗糙度R定義如式（4）：

式中：P為粗集料顆粒圖像的實(shí)測(cè)周長；C為粗集料顆粒外切多邊形的周長。顆粒的實(shí)測(cè)周長與外切多邊形周長均可由圖像處理軟件自動(dòng)計(jì)算獲得。

分形幾何法是利用分形幾何學(xué)理論，對(duì)粗集料顆粒的分維特征進(jìn)行研究，并定義分形維數(shù)D表征粗集料的棱角性。其定義如式（5）：

式中：PE為封閉的分形曲線；C為歐式長度；δ為測(cè)量碼尺；a0為無量綱常數(shù)，稱為形狀因子。對(duì)給定幾何圖像，D 和 a0為常數(shù)，只需對(duì) log(PE/δ)、log(A0.5/δ)作線性回歸即可求得D。

3.6 等效橢圓法

李嘉等從等效橢圓概念出發(fā),基于粗集料顆粒的等效橢圓半徑和輪廓周長各建立了2個(gè)量化指標(biāo)，以表征粗集料棱角性[16]。等效橢圓與粗集料顆粒有著相同的面積，并保留了顆粒輪廓形狀特征，使得輪廓形狀對(duì)量化棱角性的影響最小化。且該方法考慮了單顆集料粒徑越大，對(duì)集料整體宏觀性質(zhì)影響越大的情況。因此在計(jì)算粗集料棱角性時(shí)加入了面積權(quán)，最終計(jì)算結(jié)果為考慮面積權(quán)的粗集料棱角性加權(quán)平均值。

3.7 二維偏角法

二維偏角法是美國PINE公司生產(chǎn)的系列集料圖像測(cè)量系統(tǒng)（AIMS）中內(nèi)置的粗集料棱角性評(píng)價(jià)方法[8][20]。該方法是由高精度工業(yè)相機(jī)得到每顆集料的二維投影圖像，從而獲取集料顆粒投影邊界上每個(gè)凸點(diǎn)處的方向與水平方向的夾角及圖形邊數(shù)n，再根據(jù)式（3）計(jì)算每顆集料的棱角性值I。將每顆集料棱角性值I經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算后給出該粒徑范圍的集料棱角性的代表值。棱角性代表值越大，表明集料的棱角性越好。

4 棱角性分析效果評(píng)價(jià)

目前各國雖然未就如何對(duì)粗集料棱角性進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)達(dá)成共識(shí)，但集料圖像測(cè)量系統(tǒng)（AIMS）等設(shè)備，及ASTM D3398、AASHTO TP56等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，且取得了較為理想的效果。因此，將粗集料棱角性數(shù)字圖像分析技術(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果與AIMS測(cè)試結(jié)果或與ASTM D3398、AASHTO TP56中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可對(duì)粗集料棱角性數(shù)字圖像分析技術(shù)的可行性做出評(píng)價(jià)。相關(guān)學(xué)者在進(jìn)行研究時(shí)多進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，如僅考慮數(shù)字圖像分析技術(shù)與驗(yàn)證方法的相關(guān)性，則凸包面積差法對(duì)粗集料棱角性的評(píng)價(jià)效果最好。在 4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm三組粒徑時(shí)，該方法與AIMS的測(cè)試結(jié)果相關(guān)性系數(shù)R2均在0.95以上，且R2隨粒徑的增大而增大。

表1 粗集料棱角性數(shù)字圖像分析技術(shù)與驗(yàn)證試驗(yàn)相關(guān)性

骨架端點(diǎn)法雖然與凸包面積差法在粗集料圖像處理方法上相類似，但是該方法僅是對(duì)集料圖像骨架數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，而生成集料圖像骨架的直接意義在于構(gòu)建粗集料的三維幾何模型，部分骨架可能對(duì)于評(píng)價(jià)粗集料的棱角性不具有意義。如果在生成集料圖像骨架后對(duì)骨架進(jìn)行篩選，可能會(huì)增強(qiáng)骨架端點(diǎn)數(shù)與粗集料棱角性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

顆粒周長法和分形幾何法的評(píng)價(jià)結(jié)果與AASHTO TP56中試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性隨粗集料粒徑的增大而降低，這可能與兩種方法均由侵蝕膨脹法改進(jìn)簡化而來，而侵蝕膨脹法更適用于細(xì)集料有關(guān)。當(dāng)粒徑在4.75～9.5 mm時(shí)，兩種方法與AASHTO TP56中試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性系數(shù)均達(dá)到0.97以上；當(dāng)粒徑增大到13.2 mm時(shí)，分形幾何法的相關(guān)性系數(shù)下降到0.918；而顆粒周長法的相關(guān)性系數(shù)僅為0.768，已不能說明該方法在該粒徑時(shí)的可行性。

等效橢圓法測(cè)試結(jié)果與AASHTO TP56中試驗(yàn)結(jié)果存在較好的相關(guān)性，但由于僅進(jìn)行了9.5～13.2 mm的驗(yàn)證試驗(yàn)，其對(duì)粗集料棱角性的評(píng)價(jià)效果尚不能明確。等效橢圓法在計(jì)算時(shí)考慮了面積權(quán)，由原文中數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過面積加權(quán)的棱角性指標(biāo)與AASHTO TP56中試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性系數(shù)，比算術(shù)平均值的棱角性指標(biāo)略有提高，表明該方法在計(jì)算粗集料的棱角性時(shí)考慮了面積權(quán)是合理的。

5 結(jié)語

本文較為全面地梳理總結(jié)了國內(nèi)外應(yīng)用數(shù)字圖像分析技術(shù)評(píng)價(jià)粗集料棱角性的相關(guān)研究，各類技術(shù)在圖像采集設(shè)備、光照系統(tǒng)和圖像處理軟件等方面均較為類似，主要區(qū)別在于所應(yīng)用的棱角性評(píng)價(jià)方法上。

侵蝕膨脹法和傅里葉級(jí)數(shù)法計(jì)算過程均過于復(fù)雜，對(duì)集料原始圖像質(zhì)量要求較高，需采集的特征值數(shù)量較多而導(dǎo)致計(jì)算速度較慢。且侵蝕膨脹法較適用于評(píng)價(jià)細(xì)集料的棱角性，因此該方法用于評(píng)價(jià)粗集料棱角性的合理性還有待討論。

等效球體法將粗集料顆粒與標(biāo)準(zhǔn)球體進(jìn)行對(duì)比，以球形度S、粗糙度R兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)粗集料的棱角性，計(jì)算程序較為簡單，操作性強(qiáng)。但該方法尚沒有經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，合理性還有待討論。

骨架端點(diǎn)法和凸包面積差法在粗集料圖像處理方法上較為類似，但為提高圖像處理效率，凸包面積差法對(duì)粗集料顆粒局部位置的微小凹陷進(jìn)行了填充。凸包面積差法的測(cè)試結(jié)果與AIMS的測(cè)試結(jié)果相關(guān)性最好；而可能是由于骨架端點(diǎn)數(shù)與粗集料棱角性間的對(duì)應(yīng)性較差，骨架端點(diǎn)法與AIMS的驗(yàn)證結(jié)果不夠理想。

顆粒周長法和分形幾何法的評(píng)價(jià)結(jié)果與AASHTO TP56中試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性隨粗集料粒徑的增大而降低，這可能與兩種方法均由侵蝕膨脹法改進(jìn)簡化而來，而侵蝕膨脹法更適用于細(xì)集料有關(guān)。

等效橢圓法在計(jì)算時(shí)考慮了單個(gè)顆粒越大則對(duì)粗集料整體影響越大的問題，因此在評(píng)價(jià)時(shí)加入了面積權(quán)，雖然等效橢圓法是否準(zhǔn)確合理地刻畫了粗集料的棱角性還有待討論，但由試驗(yàn)結(jié)果可知將面積權(quán)納入棱角性的評(píng)價(jià)中是合理的，這為相關(guān)研究的發(fā)展提供了一個(gè)重要的方向。