不同混凝土路面防眩光能力測試及分析

潘太宗+蘇其鵬

摘 要：采用MATLAB圖像處理技術(shù)，測試不同路面表面圖像灰度值，從而對不同路面反光性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：瀝青路面與聚合物改性混凝土路面防眩光能力最好；多孔混凝土路面與露石路面因較大的孔隙和粗糙的集料表面，其防眩光能力也較好；拉毛路面表面紋理較差，其防眩光能力也較差。

關(guān)鍵詞：路面；反光特性；MATLAB；圖像處理；灰度值

1 概述

隨著公路建設(shè)的快速發(fā)展，人們對道路行駛的舒適性要求也越來越高，高抗滑、低噪聲以及高防眩的路面形式已成為我國公路的發(fā)展趨勢[1]。路面的反光是指入射到路面表面上的光線，一部分被路面所反射（包括鏡面反射和漫反射），另一部分則被路面吸收，被反射的這部分光（一般為鏡面反射）到達(dá)觀察者的眼睛，會(huì)產(chǎn)生明亮的感覺，如水泥混凝土路面，當(dāng)夏天強(qiáng)光照射時(shí)，會(huì)使人感覺到嚴(yán)重的不舒適感，此外，光線更易在白色路面上反射，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的反射現(xiàn)象，當(dāng)路面表面反光能力較強(qiáng)或路面防眩光能力較差時(shí)，會(huì)使司機(jī)視覺不舒服或視覺機(jī)能及視覺降低，嚴(yán)重時(shí)可直接影響車輛行駛，甚至引發(fā)慘重的交通事故，尤其在夜間或雨天行車，為保證行車安全，對路面防眩光性能要求更高[2]。路面防眩光能力對公路行駛舒適性起到重要的作用，而鮮有文獻(xiàn)對路面反光能力及其測試方法進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[3]自主發(fā)明路面反光測試儀，采用該方法可對路面反光能力進(jìn)行測試；文獻(xiàn)[2]對露石路面光的散射系數(shù)進(jìn)行測試，研究了露石路面具有一定的防眩光能力。

采用MATLAB圖像處理技術(shù)，提出路面反光能力測試方法，對不同路面反光性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，對提高路面設(shè)計(jì)和修筑技術(shù)水平，提高其路用性能，降低路面放光能力有一定的指導(dǎo)意義。

2 測試方法及原理

2.1 測試原理

像素是用來計(jì)算數(shù)碼圖像的一種單位，數(shù)碼圖像也具有連續(xù)性的濃淡色調(diào)，我們?nèi)舭褦?shù)字圖像放大至數(shù)倍，明顯可以看出圖像是由諸多小方塊組成，而在鄰近區(qū)域，這些小方塊的顏色相近，圖像的最小單位就是這些小方塊，通常被稱之為像素。當(dāng)圖像被設(shè)置成黑白圖像后，圖像只表現(xiàn)為亮度上的差別，即圖像亮度的深淺，黑白圖像也稱灰度圖像，灰度圖像的中像素的顏色深度，可用數(shù)量級來表示，其范圍為0～255，其中白色為255，黑色為0[4]。而一幅圖像的像素值是一定的，構(gòu)成影像的最小單位“像素”的灰度值不同，通過求得所有像素點(diǎn)的灰度值大小并求和，可以得到圖像總的灰度值大小或平均灰度值。當(dāng)光源管線照射在路面后，會(huì)形成一系列反射光線，白色路面和路面文理單一的路面，其反射光線更強(qiáng)烈，在本研究，采用感光元件接收經(jīng)路面反射后的光線，并形成數(shù)字圖像，將數(shù)字圖像處理為灰度圖像，通過測試該數(shù)字圖像的灰度值均值，便可求得路面的反光程度，其中，灰度值越大，表明路面的反光能力越強(qiáng)，灰度值越小，則反光度就越小，路面具有較好的遮光特性?；诖耍梢栽u價(jià)路面的防眩光能力，即通過拍攝路面表面的色彩照片，然后轉(zhuǎn)換為灰度圖像，通過統(tǒng)計(jì)相同尺寸大小的不同路面灰度圖像灰度值之和或灰度值均值，從而對比各路面類型的反光性能。

2.2 路面圖像拍攝

采用高清數(shù)碼相機(jī)，拍攝路面表面圖像，照片在拍攝過程中應(yīng)使鏡頭離路面的高度保持一致（20cm左右），同時(shí)數(shù)碼相機(jī)機(jī)身應(yīng)與路面表面保持水平，為達(dá)到以上要求，采用專門訂做的鋼鐵架（如圖1所示）用于固定相機(jī)，所有路面在拍攝過程中應(yīng)保持路面四周光強(qiáng)不變，從而保證路面在相同光照條件下拍攝路面圖像。

2.3 數(shù)據(jù)處理

MATLAB是MathWorks公司推出的具有強(qiáng)大功能的科學(xué)及數(shù)值計(jì)算軟件，它將矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析、編程技術(shù)以及圖形處理等功能集合于一體，不但具有以矩陣與數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)的強(qiáng)大數(shù)學(xué)計(jì)算和分析功能，而且還具有豐富的可視化圖形處理工具和簡易的程序設(shè)計(jì)能力[4-5]，從而成為具有全部高級語言功能的新一代軟件開發(fā)平臺(tái)，深受使用者歡迎。

選用MATLAB軟件來進(jìn)行圖像灰度值大小計(jì)算，直接調(diào)用MATLAB內(nèi)部函數(shù)，程序如下：

I=imread（'D：＼shiyan＼瀝青路面1.jpg'）；%讀入圖像

I1=rgb2gray（I）；%將色差圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像

mean2（I1） %求灰度圖像灰度平均值

std2（I1） %求灰度圖像灰度方差

3 測試結(jié)果及分析

選取六種不同類型路面進(jìn)行測試，包括AC-13瀝青路面、多孔水泥混凝土路面、露石水泥混凝土路面、拉毛以及聚合物改性水泥混凝土路面，各路面具體紋理構(gòu)造見表1。

采用數(shù)碼相機(jī)拍攝各測試路面圖像，圖像局部如圖1所示。

將色彩圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，然后采用前述MATLAB程序計(jì)算其灰度均值和灰度方差。測試結(jié)果如圖2所示。

由測試結(jié)果可知：瀝青路面的反光率最低，且其對光的分散能力也越強(qiáng)（灰度值標(biāo)準(zhǔn)差最高）這是因?yàn)闉r青路面不僅具有豐富的路面表觀紋理，路面存在一定的孔隙，從而有效吸收和分散光的照射，同時(shí)路面因其本身為黑色路面，能夠吸收光線，故其具有很好的路面遮光性能，同時(shí)該結(jié)論也驗(yàn)證了瀝青路面的行車舒適性高于普通水泥混凝土路面的觀點(diǎn)，即車輛長時(shí)間的行駛不會(huì)使司機(jī)產(chǎn)生視覺疲勞，從而提高行駛安全性。

由于聚合物改性水泥混凝土（PCC）路面存在水性炭黑色漿，可以使路面“染成黑色”，因黑色對光的吸收較強(qiáng)，故其防眩光能力也較強(qiáng)，但其表面紋理較瀝青路面差，路面灰度值變異性較小，對光的分散能力較差。

多孔混凝土路面因具有豐富的表面宏觀構(gòu)造，同時(shí)均有一定的孔隙，對光具有較強(qiáng)的吸收和分散作用，因此其防眩光能力也較好；同時(shí)多孔混凝土集料粒徑的大小對路面反光能力影響顯著，測試結(jié)果表明，粒徑越大，路面孔隙率越高，路面防眩光能力越強(qiáng)，且其對光的分散作用也最好，多孔-16的反光能力較多孔-10提高了8%。

露石混凝土路面在施工過程中，主要是除去表層砂漿，露出粗集料顆粒，形成豐富的路面表面紋理，當(dāng)光照射在其上面時(shí)，可分散照射光線，使人接收到的光線很少，從而具有優(yōu)良的路面遮光特性，降低水泥混凝土路面高反光特性給行車安全帶來的隱患，較普通水泥混凝土路面（拉毛）相比，露石路面可提高防眩光能力9%。

所有路面防眩光能力為：瀝青混凝土路面>聚合物改性混凝土路面>多孔-16>露石混凝土路面>多孔-10>拉毛混凝土路面。

4 結(jié)束語

（1）采用MATLAB圖像處理技術(shù)，通過統(tǒng)計(jì)圖像灰度值來表征路面反光大小，從而準(zhǔn)確測量路面的防眩光能力。

（2）通過對路面反光能力進(jìn)行測試，瀝青路面和聚合物改性混凝土路面因其黑色特性而路面防眩光能力最好；多孔混凝土路面因含較大孔隙率能夠較好地吸收入射光線，其防眩光能力也較好；露石路面因表面露出粗糙集料表面，對光線有很好的分散作用，從而具有優(yōu)良的路面防眩光能力；拉毛路面防眩光能力最差，是典型的“白色”路面，易造成視覺疲勞，影響行車舒適性與安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]傅智，李紅.我國水泥混凝土路面30年建設(shè)成就與展望[J].公路交通科技，2008，25（12）：21-27.

[2]韓森.露石混凝土路面研究[D].西安：長安大學(xué)，2006.

[3]李波，康宏偉，楊小龍，等.路面反光測試儀[P].中國：CN203231970U，2013-10-09.

[4]羅軍輝，馮平，哈力旦·A，等.MATLAB7.0在圖像處理中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.6：1-31.

[5]劉衛(wèi)國.MATLAB程序設(shè)計(jì)教程[M].第二版.北京：中國水利水電出版社，2010，2：56-79.