基于ImagePro Plus的粗集料針片狀顆粒含量分析

楊芬++馬麗英++曹源文++喬峰++王琪++肖偉??

摘要：為了準(zhǔn)確、快速地測出粗集料顆粒中針片狀顆粒的含量，設(shè)計了“無影燈箱”，結(jié)合數(shù)碼相機(jī)和計算機(jī)圖像處理軟件（ImagePro Plus），應(yīng)用IPP分析法和游標(biāo)卡尺法測量了集料顆粒的形狀特征參數(shù)，并分析其針片狀顆粒的含量。實(shí)測結(jié)果表明：ImagePro Plus具有良好的可行性和較高的準(zhǔn)確度，適于集料生產(chǎn)加工過程中對針片狀顆粒含量的測量。

關(guān)鍵詞：粗集料；圖像分析；ImagePro Plus；針片狀顆粒

中圖分類號：U414文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Analysis of Flat and Elongated Particles in Coarse Aggregate Based on ImagePro Plus

YANG Fen， MA Liying， CAO Yuanwen， QIAO Feng， WANG Qi， XIAO Wei

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China）

Abstract： The shadowless lamp box was designed to quickly and accurately measure the content of flat and elongated particles in coarse aggregate.Combined with a digital camera and the image processing software， ImageProPlus， parameters for the shape features of the particleswere measured with IPP analysis and vernier caliper， and the content was calculated. The results indicate that with its favorable feasibility and accuracy， ImagePro Plus is suitable for the measurement of of flat and elongated particles during the processing of coarse aggregate.

Key words： coarse aggregate； image analysis； ImagePro Plus； elongated particle

0引言

針片狀顆粒是指顆粒長度大于該顆粒所屬粒級平均粒徑的24倍、厚度小于平均粒徑04倍的顆粒。由于針片狀顆粒形狀過于細(xì)長、扁平，在施工中極易折斷[13]，從而增大集料空隙，且在一定程度上造成集料級配變異[23]，影響混合料的性能，是一種有害顆粒。而且較多的針片狀顆粒將使顆?；ハ啻罱樱?xì)小顆粒無法進(jìn)入，對混合料的集料強(qiáng)度、抗車轍能力以及混合料的和易性、均勻性均有較大的影響[45]。傳統(tǒng)的針片狀顆粒測量方法為游標(biāo)卡尺法[6]，該方法費(fèi)時費(fèi)工，試驗(yàn)過程單一、枯燥，且準(zhǔn)確率受人為因素影響較大，效率極低[7]。

數(shù)字圖像處理（Digital in Age Processing）技術(shù)是通過掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等圖像采集設(shè)備，將連續(xù)的數(shù)字圖像離散化為計算機(jī)可以處理的信息，并對信息進(jìn)行各種操作處理，以達(dá)到某一效果[89]。數(shù)字圖像處理技術(shù)具有可利用信息量大、經(jīng)濟(jì)方便和形象化存儲等優(yōu)點(diǎn)，且準(zhǔn)確率高，不易受人為因素影響[10]。

ImagePro Plus圖像分析處理軟件支持圖像采集、增強(qiáng)、標(biāo)定、計數(shù)、測量分析和宏記錄等功能，還有VB宏編程擴(kuò)展功能[10]。圖像分析測量提供點(diǎn)、線、面和角度4類測量，能給出多種測量參數(shù)，如目標(biāo)面積、周長、長短經(jīng)、形狀因子、積分光密度等；可對待測圖像進(jìn)行均勻化、背景校正、濾色處理、算數(shù)運(yùn)算等處理；對物體邊緣進(jìn)行銳化、柔化、羽化及強(qiáng)化等操作。

1LED燈箱設(shè)計

本文采用灰度直方圖對粗集料圖像的對比效果進(jìn)行量化、直觀分析。由于粗集料顆粒的顏色大多為深色，為了使粗集料圖像的灰度直方圖呈現(xiàn)“兩峰一谷”的趨勢，本文選取與集料顆粒顏色對比度較大的白色作為背景。自然光下采集到的粗集料圖像和它的灰度直方圖如圖1所示。如圖1（c）所示，當(dāng)閾值為41、138、221、228時均出現(xiàn)了峰值，且各峰之間的過渡帶較短，對比不夠明顯。

一般對集料顆粒進(jìn)行輪廓提取時，若不能準(zhǔn)確有效地將顆粒陰影從背景中提取出來，將會導(dǎo)致輪廓形狀變異嚴(yán)重，結(jié)果誤差增大。

由于粗集料顆粒的表面紋理復(fù)雜，反光強(qiáng)度不均勻，且存在白色等淺色斑點(diǎn)，因此在閾值分割提取顆粒輪廓時，顆粒內(nèi)部會出現(xiàn)大量“小孔”現(xiàn)象。在自然光照下采集的圖片中，顆粒的陰影等模糊了顆粒輪廓形狀，降低了圖像處理分析的精度。為了消除顆粒陰影，減小表面紋理及淺色斑點(diǎn)對結(jié)果的影響，本文根據(jù)攝影學(xué)中逆光的原理設(shè)計了“無影燈箱”，如圖2所示。

燈箱主體為400 mm×400 mm×100 mm的無蓋空盒。為達(dá)到平行光的效果，試驗(yàn)中用白色LED燈帶作光源，并在燈箱內(nèi)部貼滿反光紙；燈箱上表面是一塊貼有白色圖紙的有機(jī)玻璃，作為圖像采集的背景?！盁o影燈箱”上采集到的粗集料圖像及灰度直方圖如圖3所示。

圖3“無影燈箱”上集料的粗集料圖像及其灰度直方圖

“無影燈箱”上采集到的圖片的灰度直方圖呈現(xiàn)出明顯的“兩峰一谷”，當(dāng)閾值為9時，出現(xiàn)第1個峰值；當(dāng)閾值在88～187時，處于谷值，且像素點(diǎn)接近于0；當(dāng)閾值為223時出現(xiàn)第2個峰值。因此，將閾值選取在88～187范圍內(nèi)，提取得到的顆粒輪廓特征清晰，能有效地將顆粒輪廓從背景中分離開。

2ImagePro Plus分析法

2.1提取AOI

ImagePro Plus簡稱IPP，利用IPP法量測顆粒輪廓形狀特征的過程為：將集料顆粒均勻無接觸地平鋪在“無影燈箱”上，使燈箱處于通電狀態(tài)；將采集到的顆粒在燈箱上的RGB圖片，通過IPP軟件轉(zhuǎn)換為8級灰度圖，根據(jù)灰度直方圖選取合適的閾值分割得到二值圖；將顆粒輪廓從背景中提取出來，得到感興趣區(qū)域（Area of Interest，簡稱AOI）。具體如圖4所示。

得到AOI后，IPP可根據(jù)需要設(shè)置參數(shù)，自動對誤識別、多識別的斑點(diǎn)或面積過大的顆粒進(jìn)行篩分并刪除，保留有效的顆粒輪廓，并對保留的輪廓自上而下編號。通過計數(shù)/測量功能可識別各個輪廓的像素面積、主軸、短軸、周長、等效橢圓的長軸及短軸等輪廓形狀參數(shù)。得到相應(yīng)數(shù)據(jù)后可自動導(dǎo)入Excel中進(jìn)行分析處理。用同樣的方法對相應(yīng)的顆粒從側(cè)面進(jìn)行圖像采集，可得到顆粒與最小外接矩形平面垂直方向上的厚度值。

2.2試驗(yàn)原理

表征集料顆粒形態(tài)的參數(shù)有面積、周長、長軸、短軸、等效直徑等。本文采用顆粒輪廓邊界的最小外接矩形的尺寸來刻畫它的基本形狀。通過物體質(zhì)心并且慣性最小的直線即為主軸，確定主軸后計算主軸方向的線段長度和與其垂直方向上的線段寬度，這樣的外接矩形就是顆粒的最小外接矩形MER（Minimum External Rectangle）。

通過IPP分析法和游標(biāo)卡尺法測得集料最小外接矩形的長度與寬度的比值分別為k0、km、厚度與寬度的比值分別為l0、lm，即

k0=a0/b0，l0=c0/b0

km=am/bm，lm=cm/bm

am=110∑ai

bm=110∑bi

cm=110∑ci

式中：a0、b0、c0分別為IPP分析法測得的顆粒最小外接矩形的長度、寬度和厚度；ai、bi、ci分別為第i（i為1～10）次用游標(biāo)卡尺法測得的顆粒的長度、寬度和厚度；am、bm、cm分別為多次用游標(biāo)卡尺測得的長度、寬度、厚度的均值。

當(dāng)最小外接矩形的長度與寬度之比不小于24時，認(rèn)為該顆粒為針狀顆粒；當(dāng)寬度與厚度之比不大于0.4或不小于2.5時，認(rèn)為該顆粒為片狀顆粒；若同時滿足以上2種條件，則認(rèn)為該顆粒為針片狀顆粒。因?yàn)獒槧铑w粒、片狀顆粒對集料性能均有較大影響，所以當(dāng)顆粒輪廓形狀參數(shù)滿足針狀或片狀條件中的任何一個時，均將其視為針片狀顆粒。

IPP分析法和游標(biāo)卡尺法的分析結(jié)果相對誤差σ0、σm分別為

σ0=k0-kmkm×100%

σm=l0-lmlm×100%

則IPP分析法和游標(biāo)卡尺法測得的粗集料針片狀顆粒含量α0、αm分別為

α0=m0M×100%

αm=mmM×100%

式中：M為顆粒樣本總質(zhì)量（kg），2≤M≤4；m0、mm分別為IPP分析法和游標(biāo)卡尺法測得的針片狀顆粒的質(zhì)量。

則2種試驗(yàn)結(jié)果的相對誤差為

σ=αm-α0αm×100%

當(dāng)σ0、σm和σ均小于15%時，認(rèn)為IPP分析法是可行的。

2.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將IPP分析法及游標(biāo)卡尺法測量得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel中，計算出顆粒的最小外接矩形長度與寬度的比值以及厚度與寬度的比值。同時用傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺法對顆粒的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行測量，對比分析后可得到集料顆粒輪廓形狀的尺寸比及相對誤差，如表1所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：最小外接矩形長度與寬度的比值最大為314，最小為125；厚度與寬度比值最大為080，最小為029；2種方法測得結(jié)果的最大相對誤差為1391%，最小相對誤差為027%，平均相對誤差為587%。

對同一批次的粗集料顆粒從上表面至底部抽取20組質(zhì)量為2～4 kg的試驗(yàn)樣本，分別用IPP分析法和游標(biāo)卡尺法挑選出其中的針片狀顆粒，并計算出針片狀顆粒含量，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在20組試驗(yàn)樣本中，由IPP分析法測得的集料針片狀顆粒含量最大值為780，最小值為286；游標(biāo)卡尺法測得的結(jié)果最大值為829，最小值為320。2種方法的最大相對誤差為1368%，平均相對誤差為8.42%。

2.4誤差分析

用IPP分析法和游標(biāo)卡尺法測得的集料顆粒輪廓形狀比值會有誤差，主要是因?yàn)椋翰杉掌慕嵌扰c人工測量的角度不可能完全一致，導(dǎo)致集料輪廓變異，且拍照角度不同，同一顆粒的輪廓參數(shù)也有差別；圖像采集時，圖像邊緣變形對結(jié)果也有一定的影響，焦距越大，縮放比例越大，邊緣變形越嚴(yán)重，處于圖像邊緣位置的顆粒尺寸參數(shù)誤差就越大；由于人工測量無法準(zhǔn)確判斷出顆粒的長軸及短軸方向，所以游標(biāo)卡尺法測得的集料最小外接矩形長度、寬度和厚度受人為主觀因素影響較大。針片狀含量誤差過大的原因主要是對集料顆粒輪廓形狀判斷存在誤差，當(dāng)長寬之比約為2.4或?qū)捄裰燃s為04時極易導(dǎo)致針片狀顆粒含量增大。

3結(jié)語

本文制作了“無影燈箱”作為圖像采集的工具。使用IPP建立了粗集料針片狀顆粒含量分析方法，同時建立了對針片狀顆粒的評價指標(biāo)——最小外接矩形尺寸比，并用傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺法測量了集料針片狀顆粒含量。通過對比分析得到如下結(jié)論。

（1）“無影燈箱”可以有效消除在自然光照下采集圖片時的陰影，同時暗化集料顆粒上的白色等淺色斑點(diǎn)，消除了斑點(diǎn)對集料顆粒輪廓提取時的影響。燈箱上采集圖片的灰度直方圖呈現(xiàn)明顯的“兩峰一谷”態(tài)勢，且過渡帶明顯，便于選取閾值。

（2）IPP分析法提取集料顆粒輪廓簡單易操作，準(zhǔn)確度較高，且可以通過編制宏操作自動連續(xù)地對圖片進(jìn)行分析處理以及數(shù)據(jù)導(dǎo)出。與傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺法相比，IPP分析法得到的集料顆粒最小外接矩形的比值誤差在允許范圍內(nèi)。因此，用IPP分析法可有效判斷出粗集料中的針片狀顆粒。

（3）通過IPP分析法測出的集料針片狀顆粒含量與游標(biāo)卡尺法測到的結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)。因此，用IPP分析法測量粗集料的針片狀顆粒含量在集料的生產(chǎn)加工過程以及驗(yàn)收過程均具有良好的可行性。

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[責(zé)任編輯：黨卓鈺]