基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的白麻花崗巖含水率檢測(cè)

王心雨，畢文波，張進(jìn)生，張 恒

(1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250100；2.山東省石材工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250013；3.高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250013)

花崗巖石材的含水量直接影響其表面顏色，是花崗巖板材品相提升的主要指標(biāo)。當(dāng)前主要通過(guò)花崗巖板材干燥、封膠工藝來(lái)控制其含水率，保證花崗巖板材表面顏色的一致性。花崗巖含水率的檢測(cè)對(duì)花崗巖的干燥工序至關(guān)重要。目前，大多數(shù)石材企業(yè)依舊按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18601—2009 《天然花崗石建筑板材標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行含水率檢測(cè)，檢測(cè)周期約為3 min，生產(chǎn)效率低。

近年來(lái)，圖像處理技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、食品等領(lǐng)域，但石材行業(yè)的相關(guān)應(yīng)用鮮有報(bào)道。ZAKALUK等[1]以馬鈴薯植株為研究對(duì)象，利用主成分分析法，發(fā)現(xiàn)土壤氮與葉片反射率呈顯著的線性負(fù)相關(guān)；HENTEN等[2]利用圖像處理技術(shù)研究圖像特征與植物干質(zhì)量之間的關(guān)系，結(jié)果表明兩者之間存在較好的線性關(guān)系；段史江等[3]利用圖像處理技術(shù)提取鮮煙葉及烘烤過(guò)程中煙葉圖像的顏色特征,分別建立烘烤過(guò)程中煙葉含水量的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和基于遺傳算法的最小二乘支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙葉含水量的精確估測(cè)；江朝暉等[4]采用同態(tài)濾波與多尺度Retinex相結(jié)合的光照增強(qiáng)算法,基于圖像特征對(duì)越冬期冬小麥冠層含水率進(jìn)行檢測(cè)，研究表明該方法具有較高的檢測(cè)精度和良好的適應(yīng)性。圖像獲取設(shè)備和數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展為花崗巖含水率檢測(cè)方法提供了新的途徑。

針對(duì)現(xiàn)有花崗巖含水率檢測(cè)方法的不足，文章以白麻花崗巖為研究對(duì)象，基于花崗巖灰度直方圖的均值、方差、歪斜度、峰態(tài)，采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸分析，建立白麻花崗巖含水率檢測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了含水率檢測(cè)。

1 試驗(yàn)制備

試驗(yàn)對(duì)象為同一批次相同規(guī)格的28塊白麻花崗巖，具體規(guī)格為200 mm×200 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×高)。試驗(yàn)前將白麻花崗巖完全浸泡至水中，至水飽和后取出，靜置于空氣中。由于白麻花崗巖表面水分不斷蒸發(fā)，含水率會(huì)逐漸減小，靜置不同時(shí)間可獲得不同含水率的試樣。圖像獲取裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，試驗(yàn)時(shí)，將花崗巖樣本水平放置于白色背景板上，采用2 000萬(wàn)像素的海康威視MV-CE200-10GC型工業(yè)相機(jī)，放置于圖像獲取裝置的頂部固定垂直拍攝樣本圖像，拍攝時(shí)采用自然光源和色彩平衡進(jìn)行實(shí)況拍攝。

圖1 圖像獲取裝置結(jié)構(gòu)示意

使用精度為0.01 g的電子天平稱取白麻花崗巖的鮮重，并放入型號(hào)為L(zhǎng)W-20HMV-4X的微波干燥設(shè)備進(jìn)行干燥，干燥功率為4 kW，每15 s取出稱重，若兩次稱取的重量差小于0.02 g，則默認(rèn)花崗巖烘干至恒重，白麻花崗巖的含水率可表示為

(1)

式中：Mt為白麻花崗巖干燥至t時(shí)刻的含水率；mt為白麻花崗巖干燥至t時(shí)刻的質(zhì)量；mg為白麻花崗巖干燥至恒重時(shí)的質(zhì)量。

經(jīng)計(jì)算，白麻花崗巖各樣本的含水率如表1所示。白麻花崗巖各樣本圖像如圖2所示。

圖2 白麻花崗巖各樣本圖像

表1 白麻花崗巖樣本含水率

2 檢測(cè)方法

2.1 圖像預(yù)處理

受設(shè)備硬件等因素影響，所拍攝的花崗巖圖像存在亮度不同、邊界等問題，需對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，以去除無(wú)關(guān)信息，增強(qiáng)相關(guān)信息的可檢測(cè)性，提高圖像特征的精度[5]。花崗巖圖像預(yù)處理流程圖如圖3所示。

圖3 花崗巖圖像預(yù)處理流程圖

為減少花崗巖圖像信息大小不同對(duì)圖像信息提取的影響，對(duì)圖像進(jìn)行分割處理。確定圖像的中心點(diǎn)，以中心點(diǎn)為形心，每幅圖像截取4032像素×3024像素的面積，盡量截取花崗巖整個(gè)表面的圖像。分割處理前后的花崗巖圖像如圖4所示。

圖4 圖像分割處理前后的花崗巖圖像

由于花崗巖試驗(yàn)樣本的拍攝時(shí)間不同，故各個(gè)圖像間的亮度存在著細(xì)微的差別，會(huì)對(duì)提取的圖像信息產(chǎn)生影響。為減小或消除亮度的影響，選取一張亮度最適宜的照片作為基準(zhǔn)照片，進(jìn)行圖像的亮度歸一化處理。亮度歸一化處理前后的花崗巖圖像如圖5所示。

圖5 亮度歸一化處理前后的花崗巖圖像

在圖像采集、傳輸和量化等過(guò)程中，圖像質(zhì)量會(huì)因噪聲而有所下降。在提取特征值前要對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)對(duì)比度和去除噪聲等處理[6-7]。同態(tài)濾波是一種基于光照不變性的經(jīng)典圖像增強(qiáng)算法，是一種在頻域中將圖像動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行壓縮并將圖像對(duì)比度進(jìn)行增強(qiáng)的方法。采用同態(tài)濾波方法對(duì)圖像進(jìn)行處理可以更好地保留顏色信息，增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，降低自然光照對(duì)圖像的不利影響[8-9]。同時(shí)利用線性濾波對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理。同態(tài)濾波和線性濾波處理前后花崗巖的圖像如圖6所示。

圖6 同態(tài)濾波和線性濾波處理前后的花崗巖圖像

2.2 特征提取

花崗巖含水率不同，會(huì)導(dǎo)致花崗巖的顏色不同。為了獲得圖像中的有效特征，應(yīng)用MATLAB軟件，對(duì)樣本圖像進(jìn)行預(yù)處理后，采用離散函數(shù)定義圖像的灰度直方圖[10]，即

(2)

式中：i為灰度級(jí)；L為灰度級(jí)種類數(shù)；ni為圖像中具有灰度級(jí)i的像素個(gè)數(shù)；H(i)為圖像中灰度級(jí)i的像素的出現(xiàn)頻率。

根據(jù)式(3)提取圖像灰度直方圖的均值、方差、歪斜度、峰態(tài)和熵等5組圖像特征值，得到的具體數(shù)值如表2所示。

表2 樣本圖像的5組圖像特征值

(3)

式中：μ為圖像灰度直方圖的均值；σ2為圖像灰度直方圖的方差；μs為圖像灰度直方圖的歪斜度；μk為圖像灰度直方圖的峰態(tài)；μE為圖像灰度直方圖的熵。

2.3 特征篩選

為了篩選有效特征，對(duì)花崗巖樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，以揭示兩者間的相互作用關(guān)系，其定義可表示為[11]

(4)

通過(guò)白麻花崗巖建模樣本的Pearson相關(guān)性分析，從5個(gè)初始圖像特征中獲得與含水率密切相關(guān)的4個(gè)顯著特征，其與含水率的相關(guān)系數(shù)如表3所示，可見灰度圖的均值、方差、歪斜度、峰態(tài)的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均大于0.8，說(shuō)明這4組圖像特征與花崗巖含水率之間具有較大的相關(guān)性，而熵的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值小于0.4，說(shuō)明其與花崗巖含水率之間呈現(xiàn)出弱相關(guān)。

表3 各圖像特征與含水率的相關(guān)系數(shù)

2.4 模型建立

針對(duì)白麻花崗巖樣本數(shù)據(jù)，分別提取上述4個(gè)顯著特征作為自變量，將實(shí)測(cè)花崗巖含水率作為因變量，采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸分析，建立花崗巖含水率估算模型。回歸方程為

100y=116.139 3+0.193 9X1-0.003 6X2-

10.344 4X3-41.601 9X4

(5)

式中：y為花崗巖含水率；X1為灰度直方圖的均值；X2為灰度直方圖的方差；X3為灰度直方圖的歪斜度；X4為灰度直方圖的峰態(tài)。

3 模型應(yīng)用與檢驗(yàn)

采用同一批次多塊花崗巖樣本對(duì)上述模型進(jìn)行測(cè)試，提取上述4個(gè)顯著特征，代入式(5)，得到含水率估算值，按照式(6)計(jì)算相對(duì)誤差。花崗巖含水率檢測(cè)模型測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 花崗巖含水率檢測(cè)模型測(cè)試結(jié)果

(6)

式中：RE為相對(duì)誤差；yp為含水率預(yù)估值；y為含水率實(shí)測(cè)值。

對(duì)白麻花崗巖檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，平均檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)為15.59 s，相對(duì)誤差均小于5%，最大相對(duì)誤差為4.61%，最小相對(duì)誤差為0.67%，相對(duì)誤差均值為2.10%，相對(duì)誤差的方差為1.05，該模型具有較高的精度和較快的檢測(cè)速度。

4 結(jié)論

(1) 白麻花崗巖圖像直方圖的均值、方差、歪斜度、峰態(tài)與白麻花崗巖含水率具有較強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值均大于0.8。

(2) 基于不同含水率白麻花崗巖圖像灰度直方圖的均值、方差、歪斜度、峰態(tài)等4個(gè)特征，以最小二乘法進(jìn)行線性回歸分析，建立白麻花崗巖含水率預(yù)測(cè)模型。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，其最大相對(duì)誤差為4.61%、最小相對(duì)誤差為0.67%、相對(duì)誤差均值為2.10%，方差為1.05，表明該模型具有較高的精度。

(3) 與傳統(tǒng)花崗巖含水率檢測(cè)方法相比，基于圖像特征的白麻花崗巖含水率檢測(cè)方法大幅縮短了檢測(cè)時(shí)間，對(duì)提高實(shí)際生產(chǎn)效率具有指導(dǎo)意義。