基于MATLAB 數(shù)字圖像處理技術(shù)低水泥含量級(jí)配碎石材料的定性分析

王文野

摘要：近年來對(duì)低水泥含量級(jí)配碎石混合料的研究逐漸從宏觀的路用性能向內(nèi)部細(xì)觀破壞損傷。然而在對(duì)低水泥含量級(jí)配碎石混合料材料內(nèi)部細(xì)觀研究中CT掃描技術(shù)應(yīng)用后，所得到的圖片如何經(jīng)過適當(dāng)處理，進(jìn)而科學(xué)的提取有效數(shù)據(jù)，成為了進(jìn)一步細(xì)化的科研瓶頸。本文利用MATLAB數(shù)字圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描圖片直方圖的均衡化和空間域?yàn)V波增強(qiáng)?？茖W(xué)的削弱了干擾和噪聲，讓圖像變得清晰，材料內(nèi)部組成分明，便于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)提取和分析，為低水泥含量級(jí)配碎石基層材料的細(xì)觀研究的定性分析提供了方法和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：低水泥含量級(jí)配碎石;數(shù)字圖像處理技術(shù);定性分析

一、數(shù)字圖像處理的概念

數(shù)字圖像處理實(shí)際上是一個(gè)或一段能夠被計(jì)算機(jī)捕捉、處理并識(shí)別的數(shù)字矩陣。計(jì)算機(jī)圖像處理中以顏色和灰度級(jí)定義和劃分圖片，如 0到255之間的范圍內(nèi)的矩陣的灰度圖像、二值圖像等，這些圖像的劃分和形式目的是突出和增強(qiáng)試驗(yàn)圖像中的重要信息。在低水泥含量級(jí)配碎石是基層的研究中，CT掃描基層材料試樣后獲得路基基層切面掃描的圖片往往不夠清晰或結(jié)構(gòu)分布不明顯，在不做數(shù)字圖片處理的情況下，往往很難識(shí)別內(nèi)部孔徑大小和孔徑數(shù)量，后期數(shù)據(jù)處理和提取無法進(jìn)行。數(shù)字圖像處理利用 MATLAB 圖像處理技術(shù)從技術(shù)的層面為CT掃描研究基層材料細(xì)觀損傷提供了方法和依據(jù)。

二、數(shù)字圖像處理的適用性

數(shù)字圖像處理不會(huì)因媒介操作或存儲(chǔ)裝置的變換而導(dǎo)致掃描圖像質(zhì)量的減弱，并且可逆和再現(xiàn)性能良好。對(duì)于經(jīng)過復(fù)雜操作和大量時(shí)間試驗(yàn)后獲得的CT掃描圖片的保存、數(shù)據(jù)可逆再現(xiàn)以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提取具有重要作用。

數(shù)字圖像處理使數(shù)據(jù)提取精度更高?，F(xiàn)代攝像和掃描設(shè)備技術(shù)的更新，使得圖像的數(shù)字化精度足以滿足實(shí)驗(yàn)材料的提取精度要求。[1]只要通過MATLAB的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)編程和數(shù)組參數(shù)的調(diào)整就可以很好地實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)材料掃描圖像信息的提取，既提高了數(shù)字提取的效率又降低了經(jīng)濟(jì)成本。

基于 MATLAB 的數(shù)字圖像處理應(yīng)用能夠很好表達(dá)數(shù)學(xué)公式和邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)線性和非線性運(yùn)算和處理。

三、低水泥含量級(jí)配碎石基層CT掃描圖像增強(qiáng)

（一）灰度直方圖

灰度直方圖展示了圖像的清晰程度，它在圖像局部和整體都起到很好的表示效果，并能很好地以直方圖顯示的方式替代各樣分辨率的圖像，從直方圖的均勻分布程度判定圖片的清晰程度。本文通過MATLAB圖像處理軟件利用函數(shù)imhist（I，n），繪制出CT圖像直方圖，如圖1及圖2所示。

從原圖像的直方圖中可以看出，圖像中兩個(gè)波峰不夠顯著，且局部過于突出，顯然圖像不夠均勻，這說明CT試驗(yàn)直接掃描出的圖像對(duì)比度不夠，不足以滿足分析研究要求，應(yīng)增加對(duì)比度。本文通過使用Matlab計(jì)算機(jī)軟件中J=histeq（I ） 函數(shù)在原有直方圖處理的基礎(chǔ)上，未解決波峰突出問題，進(jìn)行均衡化處理，進(jìn)一步解決直方圖波峰不夠顯著的問題，使圖像各部分趨于均衡，結(jié)果如圖處理后圖像如圖3及圖4所示。

經(jīng)過計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理，在直方圖均衡化后，圖像的灰度的比例得到很大程度的改善，各層次分布更加均勻，使得處理后的圖片中能夠進(jìn)一步看清材料內(nèi)部的骨架、集料和空隙等組成，并且此項(xiàng)工作具有可逆性。[2]通過處理前后對(duì)比觀察，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過直方圖均衡化處理過的圖像雖然整體亮度提升，但此次處理缺少選擇數(shù)據(jù)的方法和過程，造成了無用信息的對(duì)比度的增加，灰度級(jí)數(shù)減少，個(gè)別空隙和邊界模糊不清。為使材料圖像各組成部分進(jìn)一步清晰，邊界進(jìn)一步明確，有效數(shù)據(jù)科學(xué)提取，進(jìn)行空間域?yàn)V波增強(qiáng)處理。

（二）空間域?yàn)V波增強(qiáng)

本文利用空間域?yàn)V波中平滑處理方法使圖像中的多余亮點(diǎn)有效減少，同時(shí)刪除多余圖像的噪點(diǎn)。在已有的技術(shù)處理基礎(chǔ)上增加圖像銳化技術(shù)進(jìn)而保證圖像邊緣和亮度變化率很大的部分的細(xì)節(jié)足夠突出，使模糊圖片再處理后變得更加清晰，基層材料空隙和裂紋更容易被識(shí)別。[3]

經(jīng)過多種圖片處理方法的對(duì)比篩選，最終選擇符合本文研究需求的中值濾波降噪進(jìn)行圖片的優(yōu)化處理，其數(shù)學(xué)函數(shù)形式如下。

利用MATLAB軟件中計(jì)算函數(shù)medfilt2對(duì)圖像進(jìn)行清晰度和識(shí)別度比較和平滑處理，最終得到試驗(yàn)研究所需圖像。

四、CT掃描圖像特征分析

通過MATLAB 圖像處理后的掃描圖像可清楚的看到材料內(nèi)部的組成分布情況，以及隨著溫度的變化內(nèi)部裂紋形態(tài)。通過MATLAB和圖像分析軟件對(duì)掃描圖像的信息進(jìn)行提取，并在五個(gè)代表恒定溫度下（-30℃、-15℃、0℃、15℃，30℃）開展細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化觀察，定性直觀比較分析得出低水泥含量級(jí)配碎石基層材料優(yōu)缺點(diǎn)[4]。

通過試驗(yàn)掃描結(jié)果的提取發(fā)現(xiàn)在五個(gè)恒定對(duì)低水泥含量級(jí)配碎石和普通水泥穩(wěn)定碎石試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)觀組分識(shí)別對(duì)比可知，低水泥含量級(jí)配碎石各層骨料和集料中孔洞、空隙較多，其原因在于水泥用量減少造成的結(jié)合粘聚力不足，細(xì)致觀察發(fā)現(xiàn)雖空隙增多，但分布比較均勻且密集，這源于良好的設(shè)計(jì)集配，形成了各層次相契合的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。隨著五個(gè)代表溫度由低到高的試驗(yàn)中溫度增高和降低，水泥含量級(jí)配碎石比普通水泥穩(wěn)定碎石材料的收縮程度明顯減小。這源于其中有充足的孔隙空間，在溫度變化時(shí)起到了對(duì)膨脹和縮小的緩沖，內(nèi)部孔隙消化了形變帶來的破壞。在發(fā)現(xiàn)低水泥級(jí)配碎石優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，根據(jù)圖片的觀察，發(fā)現(xiàn)其在試驗(yàn)移動(dòng)中集料易于散落，掃描過程中粗骨料離析現(xiàn)象多于普通水泥穩(wěn)定碎石材料，源于級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)雖然可以通過集配的調(diào)整和優(yōu)化達(dá)到基層材料骨架結(jié)實(shí)，集料分布均勻，骨料和集料互相契合形成密實(shí)結(jié)構(gòu)，但水泥含量的減少對(duì)集料粘聚力的減弱影響巨大，因此在運(yùn)輸和碾壓過程中對(duì)施工工藝提出了更高的要求。

五、結(jié)語

（一）基于MATLAB數(shù)字圖像處理技術(shù)適用于低水泥含量級(jí)配碎石材料細(xì)觀觀察和研究，具有良好的可逆再現(xiàn)性、為CT掃描圖像增強(qiáng)、數(shù)據(jù)提取提供保障。

（二）經(jīng)過觀察基于MATLAB數(shù)字圖像處理后的圖片發(fā)現(xiàn)，低水泥材料中粒徑不同的骨料和集料按優(yōu)化計(jì)算比例進(jìn)行嵌入、填充，骨架形成強(qiáng)度，結(jié)合料減少造成的多余孔隙作為緩沖帶有效分擔(dān)溫度荷載?？梢娏己玫募?jí)配設(shè)計(jì)可以有效減少溫縮變化進(jìn)而抑制反射裂縫的產(chǎn)生重要因素。

（三）通過觀察發(fā)現(xiàn)，低水泥含量級(jí)配碎石發(fā)生離析情況頻率較多。建議在施工過程中減少材料運(yùn)輸路程，防止振動(dòng)離析，路基碾壓時(shí)以膠輪壓路機(jī)靜壓為主。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭磊.一種雙輸入視頻處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)碩士論文，2007.

[2]程新.基于同態(tài)濾波的圖像增強(qiáng)算法研究[D].西安：西安郵電大學(xué)碩士論文，2016.

[3]金艷.基于CT技術(shù)的瀝青混合料三維重構(gòu)及數(shù)值模擬研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士論文，2015.

[4]張彬，張林江，楊歡，石云華.CT技術(shù)的低水泥含量級(jí)配碎石基層材料性能[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，36（12）：1275-1278.