基于彩色数字图像技术的级配颗粒均匀度评价方法

万 成，徐 科，张肖宁，易 强

(1.广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室, 广西南宁530004；2.广西大学广西防灾减灾与工程安全重点实验室, 广西南宁530004；3.广东长大公路工程有限公司， 广东广州511431； 4.华南理工大学土木交通学院， 广东广州510006)

基于彩色数字图像技术的级配颗粒均匀度评价方法

万 成1,2，徐 科3，张肖宁4，易 强1,2

(1.广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室, 广西南宁530004；2.广西大学广西防灾减灾与工程安全重点实验室, 广西南宁530004；3.广东长大公路工程有限公司， 广东广州511431； 4.华南理工大学土木交通学院， 广东广州510006)

为了对沥青混合料级配颗粒均匀度进行定量评价，基于彩色数字图像处理技术准确提取集料颗粒，引入颗粒平均粒度与均匀度指标，结合彩色数字图像处理方法，对5种最大粒径为16 mm的沥青混合料级配分别采用中位直径和频率直径来评定沥青混合料级配的均匀性。研究结果表明：基于彩色数字图像处理技术的级配颗粒均匀度评价方法避免了大颗粒被判断为小颗粒的缺陷，保证全部粗集料颗粒均被有效提取，采用中位直径与频率直径进行级配均匀性评价，其准确度较高，同时发现，AM-16类级配较SMA-16级配偏粗，但其粒度均匀性小于AK-16级配。粒度均匀性指标可以较好评价级配的均匀程度，可为级配颗粒均匀性评价提供一种有效的定量评价依据。

沥青混合料；级配均匀度；平均粒度；彩色数字图像

0 引 言

粗集料颗粒构成混合料的骨架结构，对沥青路面的各项使用性能起着至关重要的作用[1-3]。沥青混合料的设计必须从沥青混合料的级配设计选择入手，经过合理选择粗细集料比例以及填充矿料用量，使混合料达到既形成嵌挤又能保证密实状态。集料体积比例与填充料用量选择不当，则不能使所设计的沥青混合料形成良好的骨架—密实结构[4]。

AL-MOSAWE等[5]对级配与性能的相互关系作了定性研究，对可能存在问题的区域做出提示。山东交通科学研究院根据多年来沥青路面表面层混合料的研究结果和工程实践经验，认为级配对路面沥青混合料的影响仍可以细化[6]。

鉴于研究手段的限制，目前级配设计主要还是凭借经验，无法对级配粗细均匀的合理性进行定量评价[7-8]。基于此，研究人员开始基于灰度的混合料数字图像处理技术，对试件进行切割截面来分析沥青混合料级配内部结构[9-10]。然而，利用集料颗粒截面的几何参数信息所获得集料颗粒粒径进行归类本身存有较大的系统误差，该误差源自于切割过程中集料颗粒截面位置的随机分布，使集料大颗粒极有可能被误判为小颗粒。因此，有必要研究合适的方法，以准确提取混合料试件截面中的粗集料颗粒，从而评价集料级配粗细均匀状况是否与真实沥青内部粗集料形态接近。

基于彩色数字图像处理技术的粗集料颗粒提取方法为解决颗粒误判提供了可能。本研究基于彩色阀值分割技术准确提取粗集料颗粒，引入颗粒平均粒度与均匀度两个指标，结合彩色数字图像处理方法，对5种最大粒径16mm的级配分别采用中位直径和频率直径来评定沥青混合料级配的粗细程度，并对其级配均匀合理性进行定量评价。

图1 利用彩色石料区别粗、细集料Fig.1 Using color stone to distinguish the coarse and fine particle

1 沥青混合料彩色数字图像处理技术

为避免系统误差而准确提取粗集料颗粒，本研究采用彩色阀值分割图像提取粗集料颗粒信息。图1所示图像为粗集料使用红色石料的试件截面图。

基于彩色阈值的分割技术，无需将试件的彩色截面转换为灰度图像，只需直接利用彩色灰度直方图确定阀值。对彩色截面图像进行初步处理后可直接获得截面图的红、绿、蓝三原色直方图，与图2的红、绿、蓝三原色直方图相对应[11]。

从图2可以发现，采用红色集料作为粗集料导致红色灰度直方图像呈明显的双峰，而绿色与蓝色的直方图双峰效果不明显。据此可直接根据红色的灰度直方图确定适合的阀值，对混合料图像进行二值化处理，从而完成对粗集料颗粒的分割提取，结果如图3所示。图1黑白灰度直方图如图4所示。利用双峰法分割图像结果如图5所示。

图2 彩色图像红、绿、蓝三原色直方图

Fig.2 RGB color histogram of image

图3 图像二值化结果

Fig.3 Binary results of the image

图4 黑白灰度直方图

Fig.4 Black and white grey histogram

图5 黑白灰度直方图的图像分割结果

Fig.5 Segment result based on black and white grey histogram

值得一提的是，采用彩色阀值分割图像的方法主要适用于以全部粗集料颗粒为对象的研究，如研究粗集料中各粒径颗粒的分布情况，需协同采用彩色阀值图像分割法与颗粒几何参数特征提取法，这样必然给结果带有一定的系统误差。如条件充许，可采用多种不同色彩的粗集料颗粒制备试件，利用各彩色的灰度直方图确定阀值分割图像，从而保证各档集料颗粒提取结果的准确性。

利用彩色灰度直方图选定适合阀值提取粗集料颗粒的方法，可避免单纯利用颗粒几何参数特征提取粗集料颗粒的弊端。彩色的集料颗粒其任意截面均为彩色，采用彩色阀值分割图像，可避免大颗粒被判断为小颗粒的误差，保证全部粗集料颗粒均被有效提取。

2 平均粒度与粒度均匀度

2.1 平均粒度

颗粒的平均粒度是评价合成级配粗细的一个量度。在沥青混合料的级配中包含不同粒径尺寸的颗粒体，粒级的表征方法主要以粒群质量比来表示，也可用颗粒个数来表示。主要有峰值直径、中位直径和频率直径3个参数。峰值直径是指颗粒在最高频率处的相对粒径；中位直径是指对应累积通过率为50%处的颗粒直径；频率直径是指各筛孔的平均粒度与其通过率的乘积除以累计通过率，即：

(1)

式中，D为频率直径；i为第i类筛孔对应的等效直径尺寸，i=1，2，3，…，n；DAi为第i类筛孔尺寸对应的等效直径平均粒径；f(DAi)为第i类筛孔尺寸所对应的等效直径通过率。

2.2 粒度均匀性

假设颗粒群是由单一粒径的颗粒所组成的，则颗粒组成是粒度均匀的。然而,在实际工程应用中，任意颗粒群都是由不同大小的颗粒所组成，并且分布在一定的颗粒群宽度中，其颗粒均匀性相应地降低，粒度分布越宽则均匀性越差。因此，我们把颗粒群粒度均匀性称为颗粒均匀性[11]。

颗粒的均匀性直接影响沥青混合料的填充特性，单一粒径组成的混合料不能很好地填充，其空隙率最大，路用性能较差。

对于一种级配，假定颗粒为球状体，其粒度分布分别由n组粒径组成，其中某种粒径占总质量的百分比为wi，其相应颗粒个数的百分比为Ni，以颗粒群个数百分比与质量百分比之比值来表述颗粒的均匀性，即：

(2)

以个数为基准计算颗粒的均匀性公式为：

(3)

以质量为基准计算颗粒的均匀性公式为：

(4)

3 实验方案

3.1 级配

根据定义，选择公称最大粒径为16 mm的5组级配，分析其粗细特性，评价其粒度均匀性，级配如表1所示。

表1 级配Tab.1 Gradation %

3.2 试验方法

粗集料选用天然红色集料，细集料采用花岗岩碎石和磨细的石灰岩矿粉，以及A-70基质沥青。根据表1所示级配，利用Superpave旋转压实仪成型混合料试件。每个级配成型3个试件。使用高精度双面锯切割试件，每个试件可以获得8个圆形截面。利用高分辨率数码相机拍摄试件截面以获得图像。使用天然红色粗集料成型试件，可利用彩色阀值精确提取粗集料，方法如“1节”所示。

4 试验结果与分析

4.1 利用图像法计算平均粒度

将提取的粗集料信息进行平均处理后计算其粒度信息，结果如表2所示。

表2 粗集料颗粒真实粒径信息计算结果
Tab.2 Calculation result of unit diameter of coarse aggregates

级配类型粗集料含量/%平均粒径/mm均值/mmAC-16F-1AC-16F-2AC-16F-34756148596757375951AC-16C-1AC-16C-2AC-16C-36005633574958805754AM-16-1AK-16-2AK-16-36505748538554355523SMA-16-1SMA-16-2SMA-16-37405938576657505818

将粗集料级配计算出的粒度均值与数值图像处理法得到的真实粒度均值列于图6中。可以看出，两者结果相差较大。

根据“数字图像法”和“级配计算法”结果，计算5个级配的平均粒度，结果如表3所示。

将5个级配的中位直径与频率直径的变化趋势绘制于图7所示。

图6 级配计算法与数字图像处理法结果

Fig.6 Gradation calculation method VS digital image processing method

图7 频率直径与中位直径变化趋势

Fig.7 Tendency of frequency diameter and median diameter

由图7可知，中位直径与频率直径变化不同。根据中位直径，级配的粗细程度为：SMA-16>AM-16>AK-16>AC-16C>AC-16F；根据频率直径，级配的粗细程度为：AM-16> SMA-16>AK-16>AC-16C>AC-16F。AM类级配实际上较SMA类级配偏粗。因此，频率直径更能准确反映级配的粗细程度。

表3 5个级配的平均粒度
Tab.3 Average unit size of five gradations

筛孔尺寸475～19236～475118～23606～11803～06015～030075～0150～0075中位直径/mm频率直径/mm平均粒度11093618090502010——AC-16F4741151157560505060105305993平均粒度11313618090502010——AC-16C599135756040302535135727482平均粒度11023618090502010——AM-16699145503025101525154008364平均粒度11343618090502010——AK-16649100754535252050147427924平均粒度10783618090502010——SMA-16739651530251015100159508282

4.2 利用图像法计算粒度均匀性

根据数字图像法得到5种级配粒度平均性，结果如表4所示。

将5种级配粒度均匀性的变化趋势绘制于图8。可见数字图像法结果与级配计算法结果基本相同。但在数字图像法中，AM-16级配的粒度均匀性小于AK-16级配，与实际相符。说明使用平均粒径的级配计算法存有较大的误差。

表4 粒度均匀性计算结果
Tab.4 Unit size uniformity calculation

级配类型∑Wi/di2∑Wi/di3∑Wi∑WidiUp/%AC-16F480511780710059930680AC-16C27776844410074820542AM-1619364858210083640476AK-1637909648510079240496SMA-16726719080310082820460

图8 级配粒度均匀性的变化趋势
Fig.8 Tendency of unit size uniformity gradation

5 结 论

本研究引入颗粒平均粒度与均匀度两个指标，利用数字图像处理的方法对5种最大粒径为16 mm的级配合理性进行了定量评价，得到以下结论：

①为了避免系统误差，准确提取粗集料颗粒，提出一种使用彩色阀值分割图像来提取粗集料颗粒信息的方法。该方法可避免单纯利用颗粒几何参数特征提取粗集料颗粒的弊端。彩色的集料颗粒，其任意截面均为彩色，采用彩色阀值分割图像，可避免大颗粒被判断为小颗粒的误差，保证全部粗集料颗粒均被有效提取。

②中位直径和频率直径可以用来评定沥青混合料级配的粗细程度，且准确度较高，可使用粒度均匀性指标评价级配的均匀程度。

③利用数字图像法得到的结果中，AM-16类级配较SMA-16级配偏粗，其粒度均匀性小于AK-16级配，与实际相符。

④本研究为级配颗粒均匀性评价提供一种有效的定量评价依据。

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(责任编辑 唐汉民 裴润梅)

Evaluation on uniformity of grading particle based on color digital image technology

WAN Cheng1,2, XU Ke3, ZHANG Xiao-ning4, YI Qiang1,2

(1.Key Laboratory of Ministry of Education of Engineering Disaster Prevention and Structural Safety，Guangxi University，Nanning 530004, China；2.Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety，Guangxi University，Nanning 530004,China；3.Guangdong Provincial ChangDa Highway Engineering Co.，Ltd ，Guangzhou 511431，China；4.School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

In order to make a quantitative evaluation on the uniformity of asphalt mixture grading particle, the color digital image technology was adopted to extract the aggregate particle accurately. The indexes such as average particle size and uniformity degree were introduced and combined with the color digital image processing method, and the median diameter and frequency diameter were used to assess the grading uniformity of five kinds of asphalt mixture with a maximum particle diameter of 16mm respectively. The results show that large particles are avoided to be judged as small particles using the color digital image processing technology, which ensures that all coarse aggregate can be extracted effectively. When the median diameter and frequency diameter are used to assess the grading uniformity, the accuracy is higher than that of others method. In addition, it was found that the gradation of AM-16 is coarser than that of SMA-16, while the grading uniformity of SMA-16 is less than that of AK-16. The gradation uniformity degree can be better assessed using the average particle size index. An effective quantitative evaluation standard for the evaluation of grading particle uniformity is provided.

asphalt mixture;grade uniformity;average particle size; color digital image

2016-08-10；

2016-10-14

国家自然科学基金资助项目(51568007,51378224,51208212)；广西自然科学基金资助项目(2015GXNSFBA139217)；广西重点实验室系统性研究项目资助(2016ZDX0)

万 成(1982—)，男，湖南桃江人，广西大学副研究员，博士，博士后；E-mail：wancheng_hn@126.com。

万成，徐科，张肖宁,等.基于彩色数字图像技术的级配颗粒均匀度评价方法[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(6)：1772-1778.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1772

U414.03

A

1001-7445(2016)06-1772-07