王文野

摘要：近年来对低水泥含量级配碎石混合料的研究逐渐从宏观的路用性能向内部细观破坏损伤。然而在对低水泥含量级配碎石混合料材料内部细观研究中CT扫描技术应用后，所得到的图片如何经过适当处理，进而科学的提取有效数据，成为了进一步细化的科研瓶颈。本文利用MATLAB数字图像处理技术，实现对扫描图片直方图的均衡化和空间域滤波增强。科学的削弱了干扰和噪声，让图像变得清晰，材料内部组成分明，便于计算机数据提取和分析，为低水泥含量级配碎石基层材料的细观研究的定性分析提供了方法和依据。

关键词：低水泥含量级配碎石;数字图像处理技术;定性分析

一、数字图像处理的概念

数字图像处理实际上是一个或一段能够被计算机捕捉、处理并识别的数字矩阵。计算机图像处理中以颜色和灰度级定义和划分图片，如 0到255之间的范围内的矩阵的灰度图像、二值图像等，这些图像的划分和形式目的是突出和增强试验图像中的重要信息。在低水泥含量级配碎石是基层的研究中，CT扫描基层材料试样后获得路基基层切面扫描的图片往往不够清晰或结构分布不明显，在不做数字图片处理的情况下，往往很难识别内部孔径大小和孔径数量，后期数据处理和提取无法进行。数字图像处理利用 MATLAB 图像处理技术从技术的层面为CT扫描研究基层材料细观损伤提供了方法和依据。

二、数字图像处理的适用性

数字图像处理不会因媒介操作或存储装置的变换而导致扫描图像质量的减弱，并且可逆和再现性能良好。对于经过复杂操作和大量时间试验后获得的CT扫描图片的保存、数据可逆再现以及基础数据提取具有重要作用。

数字图像处理使数据提取精度更高。现代摄像和扫描设备技术的更新，使得图像的数字化精度足以满足实验材料的提取精度要求。[1]只要通过MATLAB的计算机数据编程和数组参数的调整就可以很好地实现试验材料扫描图像信息的提取，既提高了数字提取的效率又降低了经济成本。

基于 MATLAB 的数字图像处理应用能够很好表达数学公式和逻辑关系，实现线性和非线性运算和处理。

三、低水泥含量级配碎石基层CT扫描图像增强

（一）灰度直方图

灰度直方图展示了图像的清晰程度，它在图像局部和整体都起到很好的表示效果，并能很好地以直方图显示的方式替代各样分辨率的图像，从直方图的均匀分布程度判定图片的清晰程度。本文通过MATLAB图像处理软件利用函数imhist（I，n），绘制出CT图像直方图，如图1及图2所示。

从原图像的直方图中可以看出，图像中两个波峰不够显著，且局部过于突出，显然图像不够均匀，这说明CT试验直接扫描出的图像对比度不够，不足以满足分析研究要求，应增加对比度。本文通过使用Matlab计算机软件中J=histeq（I ） 函数在原有直方图处理的基础上，未解决波峰突出问题，进行均衡化处理，进一步解决直方图波峰不够显著的问题，使图像各部分趋于均衡，结果如图处理后图像如图3及图4所示。

经过计算机的运算处理，在直方图均衡化后，图像的灰度的比例得到很大程度的改善，各层次分布更加均匀，使得处理后的图片中能够进一步看清材料内部的骨架、集料和空隙等组成，并且此项工作具有可逆性。[2]通过处理前后对比观察，发现经过直方图均衡化处理过的图像虽然整体亮度提升，但此次处理缺少选择数据的方法和过程，造成了無用信息的对比度的增加，灰度级数减少，个别空隙和边界模糊不清。为使材料图像各组成部分进一步清晰，边界进一步明确，有效数据科学提取，进行空间域滤波增强处理。

（二）空间域滤波增强

本文利用空间域滤波中平滑处理方法使图像中的多余亮点有效减少，同时删除多余图像的噪点。在已有的技术处理基础上增加图像锐化技术进而保证图像边缘和亮度变化率很大的部分的细节足够突出，使模糊图片再处理后变得更加清晰，基层材料空隙和裂纹更容易被识别。[3]

经过多种图片处理方法的对比筛选，最终选择符合本文研究需求的中值滤波降噪进行图片的优化处理，其数学函数形式如下。

利用MATLAB软件中计算函数medfilt2对图像进行清晰度和识别度比较和平滑处理，最终得到试验研究所需图像。

四、CT扫描图像特征分析

通过MATLAB 图像处理后的扫描图像可清楚的看到材料内部的组成分布情况，以及随着温度的变化内部裂纹形态。通过MATLAB和图像分析软件对扫描图像的信息进行提取，并在五个代表恒定温度下（-30℃、-15℃、0℃、15℃，30℃）开展细观结构变化观察，定性直观比较分析得出低水泥含量级配碎石基层材料优缺点[4]。

通过试验扫描结果的提取发现在五个恒定对低水泥含量级配碎石和普通水泥稳定碎石试件的内部结构细观组分识别对比可知，低水泥含量级配碎石各层骨料和集料中孔洞、空隙较多，其原因在于水泥用量减少造成的结合粘聚力不足，细致观察发现虽空隙增多，但分布比较均匀且密集，这源于良好的设计集配，形成了各层次相契合的骨架密实结构。随着五个代表温度由低到高的试验中温度增高和降低，水泥含量级配碎石比普通水泥稳定碎石材料的收缩程度明显减小。这源于其中有充足的孔隙空间，在温度变化时起到了对膨胀和缩小的缓冲，内部孔隙消化了形变带来的破坏。在发现低水泥级配碎石优点的同时，根据图片的观察，发现其在试验移动中集料易于散落，扫描过程中粗骨料离析现象多于普通水泥稳定碎石材料，源于级配碎石结构虽然可以通过集配的调整和优化达到基层材料骨架结实，集料分布均匀，骨料和集料互相契合形成密实结构，但水泥含量的减少对集料粘聚力的减弱影响巨大，因此在运输和碾压过程中对施工工艺提出了更高的要求。

五、结语

（一）基于MATLAB数字图像处理技术适用于低水泥含量级配碎石材料细观观察和研究，具有良好的可逆再现性、为CT扫描图像增强、数据提取提供保障。

（二）经过观察基于MATLAB数字图像处理后的图片发现，低水泥材料中粒径不同的骨料和集料按优化计算比例进行嵌入、填充，骨架形成强度，结合料减少造成的多余孔隙作为缓冲带有效分担温度荷载。可见良好的级配设计可以有效减少温缩变化进而抑制反射裂缝的产生重要因素。

（三）通过观察发现，低水泥含量级配碎石发生离析情况频率较多。建议在施工过程中减少材料运输路程，防止振动离析，路基碾压时以胶轮压路机静压为主。

参考文献：

[1]郑磊.一种双输入视频处理系统的设计与实现[D].武汉：华中科技大学硕士论文，2007.

[2]程新.基于同态滤波的图像增强算法研究[D].西安：西安邮电大学硕士论文，2016.

[3]金艳.基于CT技术的沥青混合料三维重构及数值模拟研究[D].阜新：辽宁工程技术大学硕士论文，2015.

[4]张彬，张林江，杨欢，石云华.CT技术的低水泥含量级配碎石基层材料性能[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2017，36（12）：1275-1278.