0 引言

我国经济的发展十分迅猛，同时也带动了公路的快速发展，对路面性能的要求也随之变高。沥青混凝土路面在我国高等级公路和城市道路中占有绝对的优势，它具有噪声低、平整度高、路面维护简单、行车振动小等优良特性^[1]。集料是沥青混凝土的主要成分之一，其形态特征的优良会影响到沥青路面的使用性能^[2]。

近些年来，数字图像处理技术^[3]以及机器视觉技术^[4]的发展迅猛，还可以与其他学科融合起来，这样的特点使得其常常应用于多个领域中，甚至将其应用在沥青路面的材料测试中，并针对其各个参数结果进行研究，现已取得比较大的成果，今后研究人员可以应用该方法，通过对集料的形态特征进行形象的描述，保证沥青混合料优良的质量，推动道路行业的发展。

当前已有不少道路工程相关的专家学者引入图像技术，对粗集料颗粒^[5-12]、沥青混合料^[13]以及集料形态特征对沥青混合料性能的影响^[14-18]等进行了探索，取得了较好的成果。因此，研究基于图像分析的集料形态特征定量评价，实现集料的自动定量描述，可以极大地节省多余的人力物力，并且可以适用于各个场所，达到延长沥青路面的使用寿命，从而推动集料检测技术的进步和发展。

1 集料颗粒形态特征评价指标

利用光学成像技术采集集料颗粒的二维图像，然后对集料颗粒进行预处理消除图像采集过程中可能引入的噪声，再利用图像分割将各个集料分离得到集料的二值图像，之后利用形态学处理进一步消除噪声，再利用颗粒分析技术，最终得到集料的形态特征参数^[6-7]，从而完成对集料颗粒形态特征的评价。特征参数如下所述：

1.1 尺寸描述参数

(1) 面积

边缘轮廓所包含区域的面积称为集料面积，可用下面的公式来表示：

(1)

式中R为集料颗粒所在的区域。对于数字图像来说，微分单元d_xd_y表示单位元素，即一个构成集料颗粒的像素。因此，在计算集料颗粒的面积时，可以通过计算集料颗粒蕴含的像素个数来计算，计算公式为：

(2)

式中，x_i为集料颗粒所在区域的像素序列，对任意的i, x_i=1。

(2) 周长

周长指物体边缘的长度，这里是指集料的外轮廓长度。可以通过下面的公式计算集料的周长：

(3)

图像处理中的周长是用边界跟踪的结果来表示的。如果x₁, x₂, …, x_N是边缘坐标表，则：

(4)

颗粒周长示意如图 1所示。

周长也可以用原图像与腐蚀图像的差来计算，这种方法是从数学的形态分析法出发来进行计算的。

(3) 拟合椭圆

所谓拟合椭圆，它是以集料边界为依据制作的，也可以叫做等效椭圆。它有3个参数，方向角、长轴以及短轴。相关参数如图 2所示。

上述尺寸特征就是集料的基本特征参数，在今后形状特征的参数计算时可以将以上数据作为基准进行计算，例如有的研究人员在进行集料颗粒与拟合周长比的计算时就是采用这类方法，所以作为集料颗粒棱角性的方法之一，其被广泛应用。

1.2 形状描述参数

形状描述参数主要用来界定集料的形状特征，其中包含可以表征集料形状指数的圆形度和表征集料是否为针片状颗粒的长宽比，用这种方法来得到集料的针片状含量。

(1) 长宽比

长宽比主要表征了集料的整体形状，一般定义为其等效椭圆的长轴与短轴之比。本研究通过计算长宽比来得到针片状含量。

(2) 圆形度

圆形度定义为周长与面积之比，它主要反映了集料整体形状接近于圆形的程度。此比值越接近数值1，则表明集料轮廓更近似于圆形。其计算方法为：

(5)

式中，P为集料周长；A为集料面积。

(3) 棱角性

颗粒的轮廓边界往往会有不同程度的凹凸不平的平面形状，这就是其棱角性，对该性质的概括有多种不同的定义，在本研究中主要根据其实际周长与等效周长作为参数进行计算和研究，公式为：

(6)

(4) 纹理

纹理参数反应的是集料是否粗糙或光滑以及规则的程度，它也是集料的重要特征之一。集料表面纹理的表示主要有以下两种方法：一种是用集料的表面特征来量化表面纹理，另一种是用集料的轮廓特征来量化表面纹理。本研究主要是利用集料的轮廓特征量化表面纹理特征，它相当于对集料的表面特征进行了取样。

除此以外，还可以以粗糙度为标准描述集料颗粒的轮廓文理，这种描述方式表现的主要是对颗粒轮廓的规则与否，分布均匀与否进行描述，具体通过计算颗粒的周长与凸周长的比值来体现。如果计算的数值为1.0，则表示该颗粒较为平滑，如果比值大于或小于1.0，则表示该颗粒较为粗糙。具体计算公式如下：

(7)

依托量化处理的形态特征参数，对集料颗粒进行深入分析，从而获得更加客观准确的集料形态的描述和评价。其中，颗粒的长宽与凸起程度是对颗粒形状最直观的描述，长宽比如果过大，则代表该颗粒为针型；除此之外，还可以参考棱角性和纹理参数的数值来判断颗粒形态。

2 基于集料颗粒图像采集与分析 2.1 集料颗粒图像采集

本研究采用背光方式对图像进行采集，该方法可以凸显矿质集料颗粒的边缘信息，从而有利于对集料颗粒图像进行后续加工和处理。因此，在采集图像的工具上，我们选择了设计背光采集平台，如图 3所示。

试验过程中所用到的采集平台以及采集后的图像，如图 4所示。

2.2 集料颗粒图像分析

将采集到集料颗粒图像进行灰度改善，通过调节灰度二值化以处理图像灰度，进而凸显其特征，然后运用形态学的方法进行观察。并对颗粒处理结果进行分析，分析结果主要针对量化集料的圆度、棱角性、表面纹理以及针片状含量等参数。集料颗粒图像分析流程，如图 5所示。

3 集料形态特征定量评价 3.1 不同档位集料颗粒图像处理结果

本研究采集了不同档位粒径的石灰岩矿质集料颗粒的图像，然后对其进行预处理，利用图像分析技术对集料的各个定量参数进行特征提取，并对特征进行分析，对颗粒形态进行科学的描述及评价。本研究以直径1.18, 2.36, 4.75, 9.5, 13.2, 16 mm为参考数据，分析颗粒石灰岩集料的表现，首先对其图像进行分析，图像处理结果见表 1。

3.2 不同档集料形态特征评价分析

本研究采用石灰岩作为实验的主要研究样本。通过石灰岩颗粒的图像以及其他信息的获取，进行形态的分析和研究，在分析中主要应用获取的数据参数等进行棱角性分析最终得到其特征，在本研究中，主要对圆形度、针片状颗粒含量等参数进行分析，并将其作为指标参数进行一系列研究，并对各个指标进行统计平均分析，从而得到参数值表，如表 2所示。

在凸起程度、棱角性、纹理及颗粒形状方面都得到了相关数据，具体分析如下文所述：

(1) 圆形度

将不同颗粒粒径的石灰岩集料圆形度进行对比分析，可以发现集料颗粒的圆形度随着粒径的增大而减小，变化曲线如图 6所示。

(2) 棱角性

在棱角性变化方面，石灰岩颗粒变化的曲线是非常明显的，但是，如果集料为粗颗粒构成，这种变化则不明显，曲线也趋于平缓，变化曲线如图 7所示。

(3) 纹理

通过比较不同档位的集料颗粒的纹理，可以发现纹理与筛孔尺寸大小有关，并随其进行变化，其指标值由1.18 mm集料颗粒的1.17增加到粒径为2.36 mm颗粒的1.26；而对于粗集料颗粒而言，其粒径的大小并不会影响纹理的变化。变化曲线如图 8所示。

(4) 针片状颗粒含量

本研究分析结果表明：在不同档位石灰岩集料颗粒样品研究中，粗集料颗粒的针片状含量为0，而细集料颗粒的针片状颗粒含量均不大于2%。针片状颗粒的数量很少，造成这种现象的原因，是由于现在道路对集料的质量要求提高，工艺也在不断完善，导致针片颗粒减少。

4 结论

本研究对集料颗粒的形态特征评价作用指标进行了分析，并实现了矿质集料颗粒在形状、棱角性、纹理以及针片状形态特征方面的定量评价。结论如下：

(1) 集料的形态特征是判断集料性能优劣的重要决定因素之一，一方面它影响着集料的物理性质，即集料的填充性能、稳定性能等，另一方面还会影响使用过程，即拌和、运输等。

(2) 为了能够更好的提取到边缘特征明显的集料颗粒图像，本研究采用背光源对矿质集料颗粒进行图像采集，这种采集方法在本研究后期集料形态特征的提取与分析中起到了不可或缺的作用。

(3) 本研究中采用的图像分析方法能够对集料的形态特征进行直接客观地描述，通过比较不同档位集料颗粒形态特征参数的图像描述，遴选了高效可行的有利于定量分析形态特征的参数。

(4) 采用图像方法分析了筛孔为2.36~16 mm的矿质集料颗粒，提取了相应的形态特征定量参数，在对实验数据统计分析后发现，集料的圆度变化趋势明显，随着粒径的增大呈现减小的趋势；集料棱角性变化截然不同，其中，如果集料由细颗粒组成，那么粒径的影响较大，变化明显；反之，粒径影响较小，变化不大；细集料纹理指标值随粒径变化明显，而粗集料颗粒的纹理指标值随粒径的变化不大；在本研究的分析中，细集料的针片状含量均大于1%，而粗集料的针片状颗粒含量为0。