利用形態學多尺度演算法分割粗集料粘連圖像

最新 04-14

1.前言

利用X-ray CT 技術，獲取瀝青混合料內部結構組成，分析體積參數，進而完成瀝青混合料的計算機輔助設計的研究已成為瀝青路面技術領域的關注熱點。張肖寧針對目前應用數字圖像處理技術研究瀝青混合料現狀以及以後的發展趨勢，提出可完整的技術路線。該技術路線指出，最終的目標是實現設計瀝青混合料的計算機輔助設計技術。其中，瀝青混合料虛擬力學是實現這一目標的關鍵。

利用X-ray CT技術進行瀝青混合料虛擬力學試驗在二、三維建模方面取得了相應的研究成果。然而，在瀝青混合料數值建模過程中，在顆粒接觸緊密的部位，由於顆粒與顆粒之間的間隔物質的密度對比度差異不是十分明顯，對CT圖像分割後，不可避免地出現相互接觸的集料粘結現象。這種集料結構形式使得後面的虛擬力學過程中，粘連的集料被計算機識別成單個顆粒，導致計算結果與實際不符。因此，在數值建模前，必須對圖像進行粘連分割處理。

目前，混合料粗集料粘連分割主要是採用人工手動處理。這種方法對單張圖片處理較為方便，但是如果圖片數量過多則費時費力，不利於圖像快速高效地進行處理。因而一種粘連圖像自動分割演算法十分必要。本文提出一種基於改進形態學多尺度演算法的集料粘連分割演算法，此演算法可以有效地抑制集料的欠分割和過分割。

2.形態學多尺度演算法及其改進

採用形態學多尺度演算法對粘連細胞進行有效的分割，選用單一的結構元素進行極限腐蝕。然而，當選用的結構元素尺寸較小時，極限腐蝕對集料邊界細微的變化較為敏感，容易造成過分割；當選用的結構元素尺寸較大時，極限腐蝕對集料邊界的變化不敏感，容易造成欠分割。因而結構元素的選擇尤其重要。

考慮到目前瀝青混合料CT切片的分別率一般為1024像素×1024像素。結構元素半徑太大時，導致膨脹後的粘連集料二值圖像比原圖像大很多，或者腐蝕粘連集料二值圖像過程中原圖像突然消失，這些現象會使得後面的計算結果與實際不符。因此，在大量的實踐基礎上，本研究選用4種半徑尺寸逐漸遞增的結構元素對圖像進行極限腐蝕。在腐蝕前先對二值圖在MATLAB環境下進行標記分類，這樣可以防止較小集料被在後面的分割過程中過濾掉；然後選用最小尺寸結構元素對所有標記好的二值圖分別進行極限腐蝕，在極限腐蝕過程中，二值圖如果出現兩個或以上的分割對象，則將其歸類為可能粘連顆粒，以待下一步分析，如果不出現兩個或者以上的分割對象，則可以認為此對象為獨立顆粒。之後分別選用不同尺寸的結構元素作為極限腐蝕結構元素對可能是粘連顆粒二值圖分別進行形態學演算法的粘連分割。根據不同結構元素下的形態學演算法得到的粘連分割圖，以分割線數目出現頻率最大的分割數作為此二值圖的實際分割，並以最小的結構元素所對應的分割圖像作為實際的分割圖像。最後把所有經過分割的標記圖像進行疊加，形成完整的粘連分割圖像。演算法流程圖見圖1。