闕值分割算法在黃土CT圖像分析中的應(yīng)用

摘要：黃土CT圖像研究是巖土學(xué)的一個(gè)新課題，微結(jié)構(gòu)對(duì)黃土工程力學(xué)性質(zhì)影響深遠(yuǎn)，利用CT技術(shù)可以直觀無(wú)損的反映黃土微結(jié)構(gòu)的信息和及其斷面的產(chǎn)狀。本試驗(yàn)利用VC++6.0開(kāi)發(fā)的黃土CT圖像處理系統(tǒng)在對(duì)黃土CT圖像解譯過(guò)程中，根據(jù)不同物質(zhì)在CT圖像中不同的灰度值，采用闕值分割算法進(jìn)行圖像二值分割，使得被測(cè)黃土CT圖像對(duì)比度增強(qiáng)，消噪和背景凈化效果理想，對(duì)黃土微結(jié)構(gòu)的研究具有積極的意義。利用本試驗(yàn)的方法亦可檢測(cè)出黃土在不同應(yīng)力作用下微結(jié)構(gòu)的變化情況，旨在為進(jìn)一步揭示黃土微結(jié)構(gòu)對(duì)黃土工程性質(zhì)的影響提供理論依據(jù)，并為黃土微結(jié)構(gòu)三維模型的構(gòu)建提供有力支持，以期加強(qiáng)理論研究，把握研究方向，求取實(shí)效。

關(guān)鍵詞：圖像分割；黃土；CT圖像

中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：

一、引言

（一）黃土微觀結(jié)構(gòu)

中國(guó)擁有世界上面積最大的黃土覆蓋區(qū)，由于黃土本身特性所導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)嚴(yán)重制約了黃土地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。黃土的特性主要取決于土體自身的微結(jié)構(gòu)，其微結(jié)構(gòu)是在黃土礦物顆粒沉積時(shí)及沉積后的成土過(guò)程中形成的，對(duì)它的研究有助于解決黃土形成，濕陷性，滲透性及其它物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的理論和生產(chǎn)實(shí)踐問(wèn)題，因此歷來(lái)是研究人員開(kāi)展工作的重點(diǎn)。

（二）CT技術(shù)簡(jiǎn)介

CT作為一種具有較高分辨能力的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，已從醫(yī)學(xué)界和工業(yè)界推廣應(yīng)用到巖土工程界，為細(xì)觀研究黃土結(jié)構(gòu)在各種荷載作用方式下的變形破壞機(jī)理以及黃土體微結(jié)構(gòu)的模型重建工作提供了一條新途徑。在黃土CT圖像中，黃土體內(nèi)部礦物與膠結(jié)物等物質(zhì)對(duì)X射線的相對(duì)吸收程度不同，因此黃土CT圖像本質(zhì)上是一幅數(shù)字圖像，每一個(gè)像素點(diǎn)的值即為該點(diǎn)的CT數(shù)。

盡管CT數(shù)據(jù)的分析方法有很多種，但圖像分析依舊是必須進(jìn)行的基礎(chǔ)工作[2]。許多學(xué)者諸如蒲毅彬[3]， 楊更社[4]，付忠良[5]等人分別都在巖土體CT分析和圖像分割技術(shù)等方面做了大量工作，但并未有學(xué)者將黃土CT圖像與圖像分割技術(shù)結(jié)合起來(lái)。況且黃土微結(jié)構(gòu)CT圖像結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各介質(zhì)之間具有灰度上的含糊性和不確定性，為了圖像的這些弱點(diǎn)，準(zhǔn)確分辨各介質(zhì)，必須進(jìn)行圖像分割研究，圖像分割是提取圖像中特殊部分的定量信息不可缺少的手段，在三維建模實(shí)現(xiàn)中，也起到關(guān)鍵作用。為此，作者根據(jù)多種圖像分割處理的核心思想與算法，在開(kāi)發(fā)的圖像處理系統(tǒng)程序中實(shí)現(xiàn)了CT圖像的多種分割功能，并為快速、直觀分析黃土CT圖像以及為黃土結(jié)構(gòu)的三維建模提供了有力的依據(jù)。

二、闕值分割算法簡(jiǎn)介

灰度閾值分割法是一種最常用的并行區(qū)域技術(shù)，它是圖像分割中應(yīng)用數(shù)量最多的一類(lèi)。

由此可見(jiàn)，閾值分割算法的關(guān)鍵是確定閾值，如果能確定一個(gè)合適的閾值就可準(zhǔn)確地將圖像分割開(kāi)來(lái)。閾值確定后，將閾值與像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行比較和像素分割可對(duì)各像素并行地進(jìn)行，分割的結(jié)果直接給出圖像區(qū)域。

閾值分割的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單、運(yùn)算效率較高、速度快。在重視運(yùn)算效率的應(yīng)用場(chǎng)合（如用于硬件實(shí)現(xiàn)），它得到了廣泛應(yīng)用。方法主要有最優(yōu)闕值法，極小點(diǎn)闕值法，迭代闕值法等。

三、黃土CT圖像處理

本試驗(yàn)所采用的黃土照片取自蘭州曼坡頭距地表50M處原狀離石黃土和距地表10M處的原狀馬蘭黃土。

（1）灰度圖像

由于與Windows應(yīng)用軟件兼容性最好的是BMP格式，故本試驗(yàn)系統(tǒng)中所采用的圖像格式統(tǒng)一為BMP格式。它是一種與設(shè)備無(wú)關(guān)的圖像格式，可以存貯真彩色圖像、256 色彩色圖像和灰度圖像。在進(jìn)行圖像闕值分割之前，必須確保圖像是灰度圖像（Grayscale）。灰度圖是指只含亮度信息，不含色彩信息的圖像，就像人們平時(shí)看到亮度由暗到明的黑白照片，亮度變化是連續(xù)的。因此要表示灰度圖，就需要量化亮度值。通常劃分成0～255共256個(gè)級(jí)別， 0最暗（全黑） ， 255最亮（全白）。本試驗(yàn)中利用VC++6.0開(kāi)發(fā)的圖像處理系統(tǒng)將黃土圖像轉(zhuǎn)為256灰度圖像（圖1）。

（2）圖像修復(fù)

在轉(zhuǎn)換灰度圖像過(guò)程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)信息的缺失和噪聲的加入，造成圖像質(zhì)量的下降。若想在圖像中取得正確的參數(shù)，在圖像分析之前必須對(duì)其進(jìn)行修復(fù)處理。常用的修復(fù)方法包括圖像復(fù)原和圖像增強(qiáng)。兩者的目的都是為了改善圖像質(zhì)量，但實(shí)現(xiàn)方法缺大不相同。圖像復(fù)原是指利用退化過(guò)程的先驗(yàn)知識(shí)使已退化的圖像恢復(fù)本來(lái)面目；圖像增強(qiáng)則是減少圖像中的噪聲，提高目標(biāo)與背景的對(duì)比度，強(qiáng)調(diào)或抑制圖像中的某些細(xì)節(jié)。從圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的角度來(lái)看，圖像復(fù)原是為了提高圖像的可理解性；而圖像增強(qiáng)的目的使提高視感質(zhì)量[6]。

（3）闕值分割

1、灰度直方圖

直方圖是灰度級(jí)的函數(shù)，描述了一幅圖像中個(gè)灰度級(jí)出現(xiàn)頻數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。通過(guò)分析直方圖，有助于確定二值化處理的門(mén)檻值，即圖像分割的最佳闕值，便于提取CT圖像的重要特征信息（圖2）。

2、闕值分割

閾值的選擇需要根據(jù)具體問(wèn)題來(lái)確定，本試驗(yàn)采用極小點(diǎn)闕值法確定闕值。所謂極小點(diǎn)闕值法即將直方圖包絡(luò)線看成一條曲線，求取曲線極小值，并作為圖像分割闕值。

通過(guò)分析原狀離石黃土CT圖像的直方圖，選擇闕值100作為最佳閾值，進(jìn)行圖像闕值分割。此外還通過(guò)大津闕值進(jìn)行圖像分割（圖3）。

通過(guò)圖像處理，可以清晰的看到離石黃土斷面上性質(zhì)特征。集粒形態(tài)有柱狀，棒狀，渾圓狀和片狀等，呈面—面接觸，因此結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且孔隙較少，膠結(jié)物充填部分孔隙及集粒間，部分膠結(jié)，呈鑲嵌微孔膠結(jié)結(jié)構(gòu)，圖像中部可見(jiàn)清晰的垂直裂隙，說(shuō)明黃土中垂直節(jié)理發(fā)育。

通過(guò)圖像處理，可以發(fā)現(xiàn)原狀馬蘭黃土具有粗粒骨架，高孔隙率且無(wú)膠結(jié)，粗粒骨架常由集粒粘粒級(jí)聚合體構(gòu)成，故土體疏松，礦物顆粒分散分布，集粒棱邊支架接觸，具支架大孔結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育。因此此結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，一旦遇水或壓實(shí)作用，聚合體骨架易破壞，充填孔隙或成為骨架顆粒之間的“橋”，但次生裂隙仍清晰可見(jiàn)。

此外，通過(guò)灰度變化與CT 數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系的色標(biāo)圖，為半定量直觀分析CT 圖像提供了可靠的依據(jù)。

四、結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了黃土CT圖像和圖像處理技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，分析了黃土樣品的信息特征，對(duì)其微結(jié)構(gòu)性質(zhì)做了定性分析。實(shí)踐應(yīng)用中通過(guò)一幅CT圖像不可能完全掌握黃土細(xì)觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但對(duì)比一組同一層位的在不同應(yīng)力作用下黃土微結(jié)構(gòu)的CT圖像，可以得到黃土微結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下的變化趨勢(shì)，為黃土機(jī)理研究，災(zāi)變演化及工程性質(zhì)了提供信息依據(jù)。此外利用本文的方法可以分析黃土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，結(jié)合前人的研究成果實(shí)現(xiàn)從二維到三維的推廣，對(duì)其微結(jié)構(gòu)三維建模也有積極的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]范留明，李寧，丁衛(wèi)華，數(shù)字圖像偽彩色增強(qiáng)方法在巖土 CT 圖像分析中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，07，vol.23.No.13

[3]蒲毅彬，陳萬(wàn)業(yè)，廖全榮. 隴東黃土濕陷過(guò)程的CT 結(jié)構(gòu)變化研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22（1）：49～54

[4]楊更社，謝定義，張長(zhǎng)慶等. 巖石損傷CT 數(shù)分布規(guī)律的定量分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1998，17（3）：279～285

[5]付忠良.基于圖像差距度量的閾值選取方法[J].北京：計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2001，38（5）：563-567.

[6]何東健，耿楠，張義寬，數(shù)字圖像處理[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2008年5月第二版.