（長沙理工大學交通運輸工學院湖南長沙 410076）
摘要：利用數字影象處理技術開發的「智慧型篩分系統」對瀝青混合料生產過程對配合比進行快速智慧型驗證分析；包括瀝青混合料影象的獲取、分析、增強處理、顆粒分析等技術，提出影象獲取系統方案，獲取高畫質晰數字影象；並採用灰度處理、中值濾波、二值化及數字形態學方法進行雜訊點消除、資訊修復，根據畫素計算面積、顆粒形狀分析、等效處理等，採用統計回歸方法，建立合理的影象識別結果與實際瀝青混合料配合比的相關關係，從而提出相應的識別模型。利用二維影象智慧型分析還原得到集料的級配資料，為瀝青混合料生產提供快速驗證依據。
試驗結果表明該方法效果良好。
關鍵詞：瀝青混合料；數字影象處理；智慧型篩分系統；配合比
0、引言
如今迅速發展和日臻完善的數字影象處理技術已經成為各領域有力的技術工具。以其速度快，精度高，功能豐富的特點而備受青睞，已在很多科學領域得到了廣泛應用，極大地促進了相關學科的發展。在道路工程領域瀝青混合料配合比驗證，瀝青混合料試件經壓實成型後，通常用目測的方法經驗地判斷其級配和顆粒排布的大概情況。
如果要準確的量化測得集料的級配，通常要用抽提篩分試驗，不僅耗時、耗力、耗資，而且抽提的化學試液與燃燒的煙塵對環境產生較大的汙染，對實驗人員的健康也造成一定的損害，而對顆粒的排布情況目前則是很難做到量化分析，不能夠及時的對路面狀況作出評價，指導生產。為此，本專案將根據瀝青混合料配合比設計試驗，利用影象處理技術，以matlab(matrix laboratory)為研究開發平台利用影象處理技術，通過對數字影象的分析處理，通過開發瀝青混合料配合比智慧型識別軟體，實現瀝青混合料配合比的快速智慧型驗證，從而解決現有試驗方法存在的缺點。本專案的研究對瀝青路面施工質量控制，具有重要的理論和實際意義及工程應用價值。
1、試驗
1.1 原材料與試件製作
1.1.1選擇材料：
集料粗、細集料均採用廣東珠海洪達石場生產的花崗岩（2.36～4.75mm檔為肉紅色花崗岩），集料性質均符合《公路工程集料試驗規程》（jtj058－2000）的要求。
填料採用廣東省海豐縣石灰廠的消石灰和龍門縣恆鋒石灰粉廠的礦粉。填料性質均符合《公路工程集料試驗規程》(jtg e42-2005)的要求。
瀝青採用埃索a級70號瀝青，各項指標均符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（jtj052－2000）的要求。
1.1.2製作馬歇爾試件：
參照《公路瀝青路面施工技術規範》（jtg f40-2004）中表面層ac-13c配合比的級配和油石比範圍及關鍵影響因素，確保瀝青混合料的級配為統一的標準級配，便於進行試驗結果的對比和驗證，確定了瀝青混合料統一採用的級配是ac-13c級配，見表2.4。將各檔料用各個篩依次進行篩分，然後合成，並加入1%的礦粉和2%的消石灰，其合成級配見表1可以看出，合成級配都較為接近級配中值，在級配範圍內。
油石比為4.0%、4.5%、5.
0%、5.5%、6.0%分別做六組試件，其中三組用來檢測常規指標一保證該配合比下瀝青混合料各項指標符合規範要求（如表2所示），另外三組分別對每個試件取兩個不同的斷面用來獲取數字影象。
表1 瀝青混合料ac-13c級配
表2 ac-13c普通瀝青混合料馬歇爾試驗結果
1.2馬歇爾試件切片、影象提取及處理
試件切片（如圖1所示）也是乙個重要的過程，由於試件的尺寸較小，瀝青膠漿的粘附效能有限很容易出現切偏、截面不平整、邊緣有碎落等物理損壞，給實驗帶來誤差，將切好的試件清
圖1：馬歇爾試件切片
洗乾淨晾乾。然後，採用數位相機在均勻光照的條件下拍攝，用紅色作為背景顏色保證試件**截面2280*2280（畫素）左右的大小儲存。本專案採用ccd（charge coupled device）相機直接獲取數字影象。
由於該技術中相當於傳統相機膠片的ccd是由眾多精細光敏元件以點陣形式排列組成。因此，獲得的數字影象為相應的資料矩陣，適應於發揮matlab對矩陣處理的強大功能。新獲取的原始瀝青混合料數字影象為24位真彩色rgb影象（如圖2所示為便於排版以下所有**大小均被調整過），根據瀝青混合料數字影象特點首先對真彩影象進行復
圖2：原始數字影象
原，在後期處理過程中為降低運算量，將影象轉換成灰度影象作為分析物件。瀝青混合料影象的初步處理主要指影象質量分析處理，包括對比度、影象邊緣失真、顆粒破碎、和灰度直方圖分析處理。在我國瀝青混合料設計中多採用玄武岩，石灰岩，輝綠岩，花崗岩等作為粗集料，石屑、天然沙等為細集料。
一般情況下，混合料具有良好的色彩對比性，由於本專案採用的集料品種不同、顏色有較明顯的差異直接進行灰度處理效果不很理想。所以，首先對rgb影象分割，將感興趣的物件提取出來，即將瀝青混合料中不同檔的集料從影象中提取出來。
圖3：提取後影象及灰度影象圖4：合理組合處理
再對提取後的影象進行灰度處理（如圖3所示）。
影象處理的目的是為了分析更細緻的顆粒物件，有目的地強調影象的整體或區域性特性，擴大影象中不同物件之間的差別。從而，提取出滿足研究的判讀和識別效果的影象處理過程。先將影象轉化為二值影象便於形態學計算；然後，對影象進行腐蝕、刪除小面積（不作為研究物件的小於1.
18mm的顆粒）、膨脹合理組合處理（如圖4所示）；最後，切取感興趣的物件。本研究採用最小的外接矩形將集料顆粒一一從**中取出，以便進一步篩分式分析。
2、試驗資料分析及處理
2.2資料分析及處理
2.2.1粒徑的等效處理
由於從影象中只能得到集料的二維形狀和分布，怎麼用二維影象來較接近三維的立體結構是個重要處理過程，本文在確定集料顆粒粒徑大小過程中，總計開發了三種方案（如圖5所示），綜合選取最終形成了「智慧型篩分系統」:
（1）等效面積圓:以與集料顆粒面積相等的圓直徑作為顆粒的等效篩分粒徑；
（2）等效面積正方形:由於瀝青混合料的集料篩分時採用方孔篩，故以與集料顆粒面積相等的正方形邊長作為顆粒的等效篩分粒徑；
等效面積圓等效正方形智慧型篩分
面積131.55mm2直徑12.94mm 邊長11.47mm 邊長14.97mm
圖5：粒徑的等效處理
（3）智慧型篩分系統:為了能夠更合理的模擬實驗室中集料的實際篩分過程（如圖6），將二維集料分為三類:
1)考慮到接近於正方形的顆粒以二維截面長邊作為顆粒實際通過篩孔的粒徑，故以長邊作為較理想的等效篩分粒徑；
圖6：實際篩分的模擬圖
2）考慮到橢球狀顆粒二維截面外接矩形長寬比較大，而實際篩分是豎著通過篩孔的（如圖7所示）。經經實驗得出當長寬比大於1.6時可以認為是細長型顆粒（針片狀顆粒），以外置矩形的寬作為等效篩分粒徑；
abcd）
圖7：a）接近正方形，b、c）細長顆粒，d）主軸線位於接近x，y的45°直線
3）考慮到細長型顆粒的主軸線位於接近x，y的45°直線上。經分析計算發現所佔比例較小對繼配分析影響不大，所以不再考慮長寬比視同接近於正方形的顆粒處理滿足實驗要求。
經試驗分析對比，採用方法1和2進行集料顆粒的粒徑統計時發現：雖然計算簡單速度較快，但統計出的顆粒粒徑分布與原始級配偏差較大，尤其是部分細長顆粒的影響結果較為明顯，難以反映實際的集料篩分過程。用「智慧型篩分系統」統計集料粒徑時，程式執行偏慢，但能較合理的模擬實際篩分的過程，「智慧型篩分系統」的結果可靠性較高。
2.3 集料顆粒資料處理
級配的計算是在研究瀝青混合料級配過程中，利用二維截面結合智慧型分析計算及各檔的密度來確定集料級配的過程。本研究以每檔智慧型篩分統計的粒徑作為邊長等效成球體
來計算瀝青混合料的實際級配。如圖8、圖9所示分別為其中兩組試件的不同截面級配曲線圖
圖8：第一組試件實驗結果圖9：第二組試件實驗結果
通過大量實驗可以看出智慧型篩分系統分析實驗結果的可靠性滿足要求。但是，結果分析發現2.36mm篩孔的智慧型通過百分率統計值均比原始級配百分通過率偏小。
對試件材料分析和處理過程發現，實驗材料2.36～4.75mm檔的集料採用的為肉紅色花崗岩，其他均為青灰色，由於對影象處理採用的是相同的程式，造成結果有較明顯的偏差。
在以後的軟體開發中可以考慮到每檔集料材質的不同，採用對每檔設定顏色引數來處理該問題。
3、結論
上述結論與目前經驗基本一致，本研究以數字圖象和識別技術為手段，對瀝青混合料的二維影象進行了深入的研究，開發了瀝青混合料級配驗證分析系統的軟體。利用圖象處理的分析軟體，結合一定量的影象數字分析技術實驗對瀝青混合料的級配進行分析。驗證了瀝青混合料數字影象處理技術的可行性，初步形成了以數字影象獲取技術、分析及增強技術、級配組成分析等為主要內容的瀝青混合料影象處理技術。
結果表明採用數字影象處理技術 ，大大縮短了處理時間 ，克服了以往手工分析過程所帶來的費時、汙染、人為因素多、誤差大等缺點 ，而且結果直觀 ， 具有很強的指導意義。該方法具有直觀、快速、智慧型、精確的特點。
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