基于图像灰度的饰面砂浆泛碱程度表征方法的研究

2016-11-10赵海鑫袁可佳李志新

硅酸盐通报 2016年9期

关键词：基色饰面砂浆

赵海鑫，孙莹，袁可佳，李志新

(1.南阳理工学院土木工程学院，南阳 473004； 2.南阳市城乡规划局，南阳 473000；3.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045)

基于图像灰度的饰面砂浆泛碱程度表征方法的研究

赵海鑫1，孙莹2，袁可佳1，李志新3

(1.南阳理工学院土木工程学院，南阳 473004； 2.南阳市城乡规划局，南阳 473000；3.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045)

饰面砂浆；图像灰度；泛碱；表征方法

1 引言

水泥基饰面砂浆中水化生成的Ca(OH)2会伴随水分的蒸发迁移至砂浆表面并与空气中的CO2反应生成难溶于水的白色CaCO3形成泛碱现象[1]。泛碱问题严重阻碍了水泥基饰面砂浆的大规模推广应用，有相关文献研究了泛碱机理、影响泛碱的因素及抑制泛碱的方法，但目前对泛碱程度的表征方法缺少共识。王培铭[2]等根据视觉效果将泛碱程度划分为:无可见泛碱、轻微泛碱、中度泛碱、重度泛碱四个等级，该评价方法以定性为主，主观性较强。张星[3]采用图像分析软件Image-ProPlus6.0检测试样图像泛碱面积作为砂浆表面泛碱程度的指标，虽然实现了对砂浆泛碱的定量检测，但单一泛碱面积并不能准确反映泛碱程度，比如该方法不能区分泛碱物沉积厚度对砂浆外观的影响。

图像分析具有覆盖面广、连续性好、信息量大、效率高和无损坏成像等特点，由于它直观、形象和易于获得，所以在科学研究中得到了相应的应用：张喜林等[4]利用沉积物岩芯X光片图像灰度值替代岩芯粒度进行沉积学方面的研究、吕岑等[5]利用图像灰度变化提取纸病特征、许述剑等[6]利用图像灰度研究表征金属腐蚀程度、MaríaAuxiliadoraVázquez等[7]利用图像灰度分布分析风化的岩石受损程度。针对砂浆泛碱程度表征而言，泛碱试样图像是泛碱物密度、面积等属性的综合体现。白色泛碱物质在砂浆试样表面沉积厚度不同，其对基体颜色的遮盖力也不同因而表现出一定的色差。泛碱物质在试样表面沉积厚度越深相应区域的颜色对应的灰度值也就越高，因此我们可以通过试样表面不同区域的颜色灰度来表征其对砂浆泛碱程度的影响。

2 实验

2.1 泛碱试样图像的获取

将砂浆按规定配合比搅拌并静置5 min 后, 涂抹在150 mm×70 mm×5 mm的水泥纤维板上,标准养护1 d后浸入水中8 h，取出后继续标准养护1 d至表干，使用数码相机拍摄试样表面图像，如图1、2所示。一号是泛碱较严重的砂浆试样，有群簇状分布的泛碱成分，表面颜色分布不均，色彩斑驳；二号是基本无泛碱的砂浆试样，表面光洁，无泛碱。

图1 一号试样图像Fig.1 Digital image of sample 1

图2 二号试样图像Fig.2 Digital image of sample 2

2.2 泛碱试样图像预处理

利用MatLab7.0软件中的imread函数读入初步处理过的试样图像；利用图像转换函数rgb2gray将彩色图像A(r,g,b)转换成灰度图像B，见图3；编制相应MatLab程序，提取图像灰度矩阵，并生成试样图像灰度分布直方图，见图4。

图3 一号试样灰度图像Fig.3 Gray image of sample 1

图4 一号试样灰度分布直方图Fig.4 Histogram of gray image of sample 1

2.3 试样图像灰度的分布特征

由图3可见，试样的灰度数值是随机的，即各点的灰度数值各异且无规律可循。试样成型时砂浆中的石英砂和水泥并非均匀分布，成型过程中形成气泡和色差等缺陷，且表面泛碱进一步加剧了试样光学特性的随机性。从图4 可以看出一号试样图像的灰度值分布较广(100～255均有分布)，但主要集中在160～240范围内。

3 结果与讨论

3.1 泛碱程度表征

编制相应MatLab程序，读取图像上任意像素点的灰度值gi。经多组图像分析，可选用标准养护条件下同龄期的试块颜色作为试样基体颜色，当某区域灰度值与基色灰度值相差不大(小于5)时可认为该区域不影响砂浆外观；当其灰度值大于基色灰度值15以上时会明显影响砂浆美观，因此将试样泛碱时所对应的图像灰度阈值定为bi+16。当配比和养护条件不同时砂浆试样的基色是不同的，因此表征其泛碱时所选取的图像灰度阈值也应不同，如图1的基体颜色对应的灰度值bi为170，有明显泛碱时其图像灰度阈值为186。

上述分析与谢维信[8]等的研究结果相符，即在图像灰度显示系统中灰度级数为16时人眼正确识别率为68.75%，而当灰度级数为32时仅有45.31%的人能正确区分。

计算试样灰度图像中不同灰度对应的像素占总像素的百分比pi，我们提出以函数：f=Σj=255i=bi+16ri×pi来表征饰面砂浆的泛碱程度。在此之前,我们请20为志愿者分别对同一组20个样本根据泛碱程度不同进行打分，完全泛白时定义为100分，无泛碱时为0分。结合志愿者对20组砂浆泛碱程度的评价建立以下矩阵方程P20,70×R70,1=F20,1，即

解矩阵方程得相应的泛碱影响系数ri、ri+1、ri+2、…、rk…、r255，如表1所示。

表1 灰度值及对应的影响系数Tab.1 Relationship between gray-scales and corresponding modulus

续表

3.2 相关性分析

图5 影响系数与灰度值的相关性Fig.5 Correlation between modulus and corresponding gray-scales

图6 样本泛碱程度评价值与计算值Fig.6 Relationship between evaluation value and calculated value

3.3 误差来源

上述函数可较好的表征砂浆样本的泛碱程度，但也存在一定程度上的误差，究其来源分为以下两类：一是砂浆成型过程中不可避免的形成色差及表面微小凹坑等缺陷，而在图像预处理过程中并没有有效地方法消除上述缺陷对图像灰度值的影响；二是图像拍摄过程中可能会存在光线的偏差，图像曝光不均造成提取的图像灰度值失真。因此，采用该方法表征饰面砂浆泛碱程度时要尽可能的使砂浆涂抹均匀，同时保证每次拍摄时的光线一致。

4 结论

(1)试样图像中灰度值是随机的，即各点的灰度值各异且无规律可循。不同颜色的区域对饰面砂浆外观的影响不同，当其灰度值与基色灰度相差不大(≤5)时可认为这些区域不影响砂浆外观，当灰度值大于基色灰度15以上时会显著影响砂浆美观;

(2)提出以函数：f=Σj=255i=bi+16ri×pi来表征饰面砂浆的泛碱程度，结合志愿者对砂浆泛碱程度的评价建立矩阵方程P20,70×R70,1=F20,1，方程解ri即为对应gi的泛碱影响系数;

[1]DowC,GlasserFP.CalciumcarbonateefflorescenceonPortlandcementandbuildingmaterials[J].Cement and Concrete Research,2003,33(1):1195-1204.

[2] 王培铭，朱绘美.测试方法及环境条件对饰面砂浆早期泛白的影响[A].商品砂浆的科学与技术[C].2011.

[3] 张星.干粉砂浆泛碱抑制研究[D].北京：北京工业大学学位论文,2008.

[4] 张喜林，范德江.沉积物岩芯X光片图像灰度数值及其影响因素[J].沉积学报，2012，30(2)：318-324.

[5] 吕岑，张玉杰.基于图像灰度的纸病检测方法的研究[J].西北轻工业学院学报，2002，20(6)：91-94.

[6] 许述剑，翁永基.图像灰度与腐蚀特征的相关性研究[J].中国腐蚀与防护学报，2006，26(6)：321-324.

[7]MaríaAV,EmilioG.Digitalimageprocessingofweatheredstonecausedbyefflorescences:Atoolformappingandevaluationofstonedecay[J].Construction and Building Materials,2011,25(4):1603-1611.

[8] 谢维信，秦桉.人的视觉对灰度级别的分辨能力及视觉内部噪声的研究[J].航天医学与医学工程,1991,4(1):51-55.

Characterization of Efflorescence of Decorative Mortar Based on Image Gray Scale

ZHAOHai-xin1,SUNYing2,YUANKe-jia1,LIZhi-xin3

(1.College of Civil Engineering,Nanyang Institute of Technology,Nanyang 473004,China;2.Nanyang Urban & Rural Planning Bureau,Nanyang 473000,China;3.College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China)