基于圖像識(shí)別對(duì)粗集料粒形的分析

林書(shū)慶

（重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400074）

隨著城市化進(jìn)程加快及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模加大，混凝土用量劇增。粗集料是混凝土組成中不可或缺且用量最大的組分，在工程實(shí)際中用量巨大、。每天一個(gè)混凝土拌合站的開(kāi)盤(pán)量數(shù)以千噸計(jì)，按照粗集料的用量來(lái)看，幾乎每一千噸混凝土就需要消耗五百?lài)嵈旨献笥摇Ｈ欢谶\(yùn)送粗集料的貨車(chē)過(guò)磅之后，要經(jīng)過(guò)一系列的檢測(cè)才能入倉(cāng)投產(chǎn)，其中檢測(cè)包括含水率、篩分試驗(yàn)、壓碎值、針片狀顆粒含量、密度、泥塊含量檢測(cè)等等，幾乎所有的試驗(yàn)檢測(cè)都需要烘干，這是一個(gè)比較漫長(zhǎng)的過(guò)程；既容易使現(xiàn)場(chǎng)為了節(jié)約時(shí)間不按規(guī)程進(jìn)行檢測(cè)，也容易耽擱工程進(jìn)度和造成勞動(dòng)力浪費(fèi)[1]。本文選擇四川省青川縣至平武縣地區(qū)的粗集料為研究對(duì)象，對(duì)該地區(qū)的粗集料進(jìn)行調(diào)查和分析，并用MATLAB 的圖像分析對(duì)粗集料的粒形進(jìn)行分析，辨認(rèn)出針片狀顆粒并計(jì)算含量，希望為以后的智能化、快速檢測(cè)作出貢獻(xiàn)。

1 粗集料針片狀含量研究意義

1.1 針片狀顆粒

根據(jù)《建設(shè)用卵石、碎石》（GB/T 14685-2011）中對(duì)粗集料中卵石，碎石的針片狀含量做出了規(guī)定。針狀顆粒指顆粒度大于平均粒徑2.4 倍的顆粒，片狀顆粒指顆粒厚度小于平均粒徑0.4倍的顆粒[2]。

1.2 粒形的研究意義

集料是混凝土拌合物主要的組成成分之一，體積含量占到70%以上,粗集料的性能直接影響混凝土的性能，工作性能優(yōu)良的粗集料不僅有效可以提高混凝土的工作性能和力學(xué)性能，更能增加混凝土的耐久性以減少后期的維護(hù)費(fèi)用，因此研究粗集料對(duì)混凝土性能影響有重要意義。

水泥混凝土使用粗集料時(shí)用正體顆粒為佳。不宜含有過(guò)多的針片狀顆粒，否則將顯著影響混凝土的拌合性和硬化后的力學(xué)強(qiáng)度。根據(jù)《建設(shè)用卵石、碎石》（（GB/T 14685-2011）中對(duì)粗集料中卵石，碎石的針片狀含量做出了規(guī)定，見(jiàn)表1。理想情況下，針片狀含量越低，獲得的混凝土質(zhì)量越好。所以針片狀顆粒含量不僅是材料進(jìn)倉(cāng)所需檢測(cè)的關(guān)鍵項(xiàng)目，也是影響混凝土性能的關(guān)鍵因素，有很大的研究?jī)r(jià)值。

表1 針、片狀含量

2 基于MATLAB 的圖像識(shí)別

2.1 圖像識(shí)別技術(shù)

圖像識(shí)別技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)所采集的圖像進(jìn)行識(shí)別區(qū)分，進(jìn)行特征分析，并用一定的手段將圖片劃分為互不重疊的子空間，然后將分析被測(cè)物空間信息的技術(shù)[3-4]。其利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖中物體像進(jìn)行處理、分析和理解，以識(shí)別各種不同模式的目標(biāo)和對(duì)象的特征參數(shù)，是應(yīng)用深度學(xué)習(xí)算法的一種實(shí)踐應(yīng)用[5-6]?，F(xiàn)階段圖像識(shí)別技術(shù)一般分為人臉識(shí)別與商品識(shí)別，人臉識(shí)別主要運(yùn)用在安全檢查、身份核驗(yàn)與移動(dòng)支付中。商品識(shí)別主要運(yùn)用在商品流通過(guò)程中，特別是無(wú)人貨架、智能零售柜等無(wú)人零售領(lǐng)。

中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常迅速，但也關(guān)系到高速公路的快速發(fā)展，對(duì)鋪路性能的要求也越來(lái)越高。柏油混凝土鋪路在中國(guó)的高級(jí)道路和城市道路上具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。具有低噪音，高平坦，簡(jiǎn)易鋪路維持，小型運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)的優(yōu)良特性。骨料是柏油混凝土的主要成分，其優(yōu)異的形態(tài)特性影響柏油路面的性能。近年來(lái)，數(shù)碼技術(shù)也可以與其他領(lǐng)域的集成技術(shù)。這種特性在許多領(lǐng)域中經(jīng)常使用，也適用于柏油路鋪路材料測(cè)試，研究了各種參數(shù)結(jié)果?，F(xiàn)在取得了很大的成果。今后，本研究將鮮明描述骨料的形態(tài)特征，保證瀝青混合物的優(yōu)良品質(zhì)，推動(dòng)道路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前，許多專(zhuān)家學(xué)者和相關(guān)公路工程研究人員引入了成像技術(shù)，探討了粗粒料、瀝青混合料和集料對(duì)圖像分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)集料的自動(dòng)定量描述，可以為瀝青路面的使用提供足夠的人力和物力資源，可廣泛應(yīng)用，延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命，從而促進(jìn)骨料檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。圖像的傳統(tǒng)識(shí)別流程分為四個(gè)步驟：圖像采集→圖像預(yù)處理→特征提取→圖像識(shí)別。圖像識(shí)別軟件國(guó)外代表的有康耐視等，國(guó)內(nèi)代表的有圖智能、海深科技等。

2.2 針狀顆粒的識(shí)別

利用光學(xué)成像技術(shù)采集集料顆粒的二維圖像,然后對(duì)集料顆粒進(jìn)行預(yù)處理消除圖像采集過(guò)程中可能引入的噪聲, 再利用圖像分割將各個(gè)集料分離得到集料的二值圖像, 之后利用形態(tài)學(xué)處理進(jìn)一步消除噪聲,再利用顆粒分析技術(shù),最終得到集料的形態(tài)特征參數(shù),從而完成對(duì)集料顆粒形態(tài)特征的評(píng)價(jià)。

把獲得的每一個(gè)陰影圖像按最大長(zhǎng)度和最大寬度先拓展為一個(gè)矩形，再通過(guò)計(jì)算矩形的最大長(zhǎng)度是否大于寬度的2.4 倍，是則判斷是針狀顆粒；否則判斷不是針狀顆粒?；诖嗽?，在Matlab 中建立M文件。

圖1 圖像識(shí)別效果圖

圖2 識(shí)別結(jié)果

將待測(cè)試樣按一定的間距隨機(jī)整齊擺放于深色紙布，于光照條件充足情況下，清晰拍照，傳至Matlab 程序中進(jìn)行識(shí)別，輸出識(shí)別結(jié)果。并采用傳統(tǒng)的規(guī)準(zhǔn)儀對(duì)同一批試樣進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表2。

分析表2，可以得到：8 次圖像法識(shí)別試樣為針狀顆粒的平均準(zhǔn)確率為98.1%，表明圖像法在二維上能準(zhǔn)確的反映出集料的針狀特性；但采用傳統(tǒng)的規(guī)范法判定集料特性時(shí)，由于人為操作，具有一定的主觀因素，使得傳統(tǒng)規(guī)準(zhǔn)法與圖像識(shí)別法在某些情況產(chǎn)生分歧。

3 結(jié)論

集料的針片狀對(duì)混凝土性能有重要影響，傳統(tǒng)的規(guī)準(zhǔn)儀法和游標(biāo)卡尺法只能在混凝土生產(chǎn)前對(duì)集料針片狀進(jìn)行篩選，且耗時(shí)較長(zhǎng)，耽誤生產(chǎn)；無(wú)法在對(duì)混凝土的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)，而圖像法可以在混凝土生產(chǎn)集料傳輸階段進(jìn)行挑選，再配以傳感設(shè)備將其進(jìn)行剔除，將對(duì)混凝土強(qiáng)度提高和質(zhì)量管理體系做出重要貢獻(xiàn)。但目前此模型僅能用于二維識(shí)別集料的針狀特性，需要進(jìn)一步改進(jìn)以用于三維識(shí)別集料的片狀特性。

表2 圖像法試驗(yàn)結(jié)果