房闖 盧野 張巖鑫

摘要：隨著按體積設(shè)計(jì)瀝青混合料理論的深入研究，瀝青混合料的組成特性對(duì)提高路面質(zhì)量顯得尤為突出。數(shù)字圖像處理技術(shù)作為一門應(yīng)用越來越廣泛的學(xué)科逐漸引入到道路建筑材料數(shù)字圖像識(shí)別與特征提取方面。圖像分割方法包括閾值法、邊界法、邊緣法。本文主要介紹了閾值法，以便更好的分析瀝青混合料中的集料、瀝青砂漿、玄武巖纖維和空隙的分布情況。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理;圖像分割;閾值法;

引言

圖像分割是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，也是圖像語(yǔ)義理解的重要組成部分。所謂圖像分割就是根據(jù)圖像的灰度、顏色、不同紋理等特性將圖像分割成多個(gè)不相交的部分，使這些特性在同一組分內(nèi)具有一定的相似性，但在不同組分之間表現(xiàn)出顯著的差異。簡(jiǎn)言之，在圖像中，目標(biāo)與背景是分開的。對(duì)于灰度圖像，區(qū)域內(nèi)的像素一般具有灰度相似性，而區(qū)域內(nèi)的像素具有灰度不連續(xù)性。

目前，國(guó)際上已經(jīng)提出了多種關(guān)于整體圖像灰度分割的設(shè)計(jì)方法，但是根據(jù)各種圖像分割方法的要求及實(shí)現(xiàn)的理論依據(jù)不同，可以將各種圖像灰度分割設(shè)計(jì)算法劃分成3種不同的圖像分割路徑，一是基于閾值的分割算法;二是基于區(qū)域的圖像分割算法;三是基于邊緣檢測(cè)的分割算法。瀝青混合料馬歇爾試件的CT圖像由礦料、瀝青和空隙三種成分組成，如何正確分割三種組分十分重要，若分割不準(zhǔn)確將對(duì)后續(xù)的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生不良影響。

1、閾值法

閾值分割方法是圖像分割中應(yīng)用最多的方法，常用的方法包括OTSU閾值分割和迭代閾值分割等。圖像閾值分割的關(guān)鍵問題是確定合適的閾值。密級(jí)配瀝青混合料中細(xì)集料顆粒較多，圖像處理過程中常發(fā)現(xiàn)很多粘連顆粒需要分割。洪浩等[1]提出 OTSU 算法與遺傳算法（ GA） 相結(jié)合的閾值分割方法; 黃文柯等[2]提出改進(jìn)的形態(tài)學(xué)多尺度算法，該方法能夠有效分割粗集料粘連圖像。分水嶺分割方法是一種基于拓?fù)淅碚摰臄?shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的分割方法，將灰度圖像看成拓?fù)涞孛?，通過分水嶺變換確定圖像中的集水盆地和山脊線，并將之分割[3]。郭慶林等[4] 采用分水嶺分割方法進(jìn)行圖像分割，以還原圖像集料顆粒的真實(shí)形狀。黃志福[5]研究密級(jí)配瀝青混合料均勻性圖像處理時(shí)采用分水嶺分割方法還原圖像集料顆粒的真實(shí)形狀。Reyes-Ortiz 等[6]針對(duì)密級(jí)配瀝青混合料，運(yùn)用形態(tài)學(xué)操作分離、分割、消除不必要的顆粒，建立了瀝青混合料顆粒分割模型，并驗(yàn)證了數(shù)字圖像處理在材料顆粒識(shí)別中的應(yīng)用和通用性。

2、閾值法分割原理

閾值分割方法的基本思想是根據(jù)圖像的灰度特性計(jì)算出一個(gè)或多個(gè)灰度閾值，并將每個(gè)像素的灰度值與閾值進(jìn)行比較，最后根據(jù)比較結(jié)果將像素劃分為適當(dāng)?shù)念悇e。從本文瀝青混合料的CT圖像可以看出，礦料分布不均，形狀不規(guī)則，數(shù)量多，但顏色明亮，易于辨認(rèn)，而空隙和瀝青砂漿的顏色肉眼難以分辨。因此，根據(jù)瀝青混合料中礦物骨料、空隙率和瀝青砂漿的不同灰度，可以選擇閾值分割方法進(jìn)行圖像分割。

若原始圖像為f（x，y），按照一定的準(zhǔn)則f（x，y）中找到若干個(gè)特征值K1，K2，……KN，其中N>1將圖像分割成n個(gè)部分，分割后的圖像：

3、閾值獲取方法

一般來說，閾值的獲取通過全局閾值法和局部閾值法來實(shí)現(xiàn)。全閾值法是用一個(gè)固定的閾值對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行分割，圖像的灰度直方圖是對(duì)每個(gè)像素灰度值的統(tǒng)計(jì)度量，常作為閾值選取的基準(zhǔn)。而圖像的灰度直方圖具有雙峰特性，通常選取兩個(gè)峰值之間峰谷對(duì)應(yīng)的灰度值作為分離圖像目標(biāo)和背景的閾值。

1.3分割效果圖

閥值分割法不僅可用于兩區(qū)域的單閥值選擇，也可擴(kuò)展到多區(qū)域的多閥值選擇。本文通過最大類間方差法獲取圖像分割閥值，通過對(duì)閥值進(jìn)行微調(diào)并對(duì)比確定最佳分割閥值，使用最佳分割閥值對(duì)圖像進(jìn)行分割。閥值分割效果如圖1。

結(jié)論

瀝青混合料均勻性的評(píng)價(jià)方法和判定標(biāo)準(zhǔn)是瀝青路面技術(shù)領(lǐng)域研究的重要問題。數(shù)字圖像處理技術(shù)已廣泛應(yīng)用于道路工程領(lǐng)域。瀝青混合料均勻性數(shù)字圖像評(píng)價(jià)方法具有檢測(cè)頻率高、樣本量大、方便快捷、準(zhǔn)確性好、智能化程度高等特點(diǎn)，適應(yīng)高速公路信息化與智能化建設(shè)的需求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青路面施工質(zhì)量實(shí)時(shí)快速評(píng)價(jià)、預(yù)警、反饋和指導(dǎo)。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者雖然在瀝青混合料均勻性數(shù)字圖像處理技術(shù)、評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)及判定標(biāo)準(zhǔn)等方面已取得大量研究成果。閾值法可以合理地將其視為分布恒定，即其目標(biāo)對(duì)象與背景具有幾乎相同的對(duì)比度，且灰度值基本保持恒定。因此，采用全局閾值法對(duì)集料顆粒與再生瀝青膠漿、空隙分離進(jìn)行分割。

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本論文依托吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：202010191130