基于ImagePro Plus的粗集料针片状颗粒含量分析

摘要：为了准确、快速地测出粗集料颗粒中针片状颗粒的含量，设计了“无影灯箱”，结合数码相机和计算机图像处理软件（ImagePro Plus），应用IPP分析法和游标卡尺法测量了集料颗粒的形状特征参数，并分析其针片状颗粒的含量。实测结果表明：ImagePro Plus具有良好的可行性和较高的准确度，适于集料生产加工过程中对针片状颗粒含量的测量。

关键词：粗集料；图像分析；ImagePro Plus；针片状颗粒

中图分类号：U414文献标志码：B

Analysis of Flat and Elongated Particles in Coarse Aggregate Based on ImagePro Plus

YANG Fen， MA Liying， CAO Yuanwen， QIAO Feng， WANG Qi， XIAO Wei

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China）

Abstract： The shadowless lamp box was designed to quickly and accurately measure the content of flat and elongated particles in coarse bined with a digital camera and the image processing software， ImageProPlus， parameters for the shape features of the particleswere measured with IPP analysis and vernier caliper， and the content was calculated. The results indicate that with its favorable feasibility and accuracy， ImagePro Plus is suitable for the measurement of of flat and elongated particles during the processing of coarse aggregate.

Key words： coarse aggregate； image analysis； ImagePro Plus； elongated particle

0引言

针片状颗粒是指颗粒长度大于该颗粒所属粒级平均粒径的24倍、厚度小于平均粒径04倍的颗粒。由于针片状颗粒形状过于细长、扁平，在施工中极易折断[13]，从而增大集料空隙，且在一定程度上造成集料级配变异[23]，影响混合料的性能，是一种有害颗粒。而且较多的针片状颗粒将使颗粒互相搭接，细小颗粒无法进入，对混合料的集料强度、抗车辙能力以及混合料的和易性、均匀性均有较大的影响[45]。传统的针片状颗粒测量方法为游标卡尺法[6]，该方法费时费工，试验过程单一、枯燥，且准确率受人为因素影响较大，效率极低[7]。

数字图像处理（Digital in Age Processing）技术是通过扫描仪、数码相机等图像采集设备，将连续的数字图像离散化为计算机可以处理的信息，并对信息进行各种操作处理，以达到某一效果[89]。数字图像处理技术具有可利用信息量大、经济方便和形象化存储等优点，且准确率高，不易受人为因素影响[10]。

ImagePro Plus图像分析处理软件支持图像采集、增强、标定、计数、测量分析和宏记录等功能，还有VB宏编程扩展功能[10]。图像分析测量提供点、线、面和角度4类测量，能给出多种测量参数，如目标面积、周长、长短经、形状因子、积分光密度等；可对待测图像进行均匀化、背景校正、滤色处理、算数运算等处理；对物体边缘进行锐化、柔化、羽化及强化等操作。

1LED灯箱设计

本文采用灰度直方图对粗集料图像的对比效果进行量化、直观分析。由于粗集料颗粒的颜色大多为深色，为了使粗集料图像的灰度直方图呈现“两峰一谷”的趋势，本文选取与集料颗粒颜色对比度较大的白色作为背景。自然光下采集到的粗集料图像和它的灰度直方图如图1所示。如图1（c）所示，当阈值为41、138、221、228时均出现了峰值，且各峰之间的过渡带较短，对比不够明显。

一般对集料颗粒进行轮廓提取时，若不能准确有效地将颗粒阴影从背景中提取出来，将会导致轮廓形状变异严重，结果误差增大。

由于粗集料颗粒的表面纹理复杂，反光强度不均匀，且存在白色等浅色斑点，因此在阈值分割提取颗粒轮廓时，颗粒内部会出现大量“小孔”现象。在自然光照下采集的图片中，颗粒的阴影等模糊了颗粒轮廓形状，降低了图像处理分析的精度。为了消除颗粒阴影，减小表面纹理及浅色斑点对结果的影响，本文根据摄影学中逆光的原理设计了“无影灯箱”，如图2所示。

灯箱主体为400 mm×400 mm×100 mm的无盖空盒。为达到平行光的效果，试验中用白色LED灯带作光源，并在灯箱内部贴满反光纸；灯箱上表面是一块贴有白色图纸的有机玻璃，作为图像采集的背景。“无影灯箱”上采集到的粗集料图像及灰度直方图如图3所示。

图3“无影灯箱”上集料的粗集料图像及其灰度直方图

“无影灯箱”上采集到的图片的灰度直方图呈现出明显的“两峰一谷”，当阈值为9时，出现第1个峰值；当阈值在88～187时，处于谷值，且像素点接近于0；当阈值为223时出现第2个峰值。因此，将阈值选取在88～187范围内，提取得到的颗粒轮廓特征清晰，能有效地将颗粒轮廓从背景中分离开。

2ImagePro Plus分析法

2.1提取AOI

ImagePro Plus简称IPP，利用IPP法量测颗粒轮廓形状特征的过程为：将集料颗粒均匀无接触地平铺在“无影灯箱”上，使灯箱处于通电状态；将采集到的颗粒在灯箱上的RGB图片，通过IPP软件转换为8级灰度图，根据灰度直方图选取合适的阈值分割得到二值图；将颗粒轮廓从背景中提取出来，得到感兴趣区域（Area of Interest，简称AOI）。具体如图4所示。

得到AOI后，IPP可根据需要设置参数，自动对误识别、多识别的斑点或面积过大的颗粒进行筛分并删除，保留有效的颗粒轮廓，并对保留的轮廓自上而下编号。通过计数/测量功能可识别各个轮廓的像素面积、主轴、短轴、周长、等效椭圆的长轴及短轴等轮廓形状参数。得到相应数据后可自动导入Excel中进行分析处理。用同样的方法对相应的颗粒从侧面进行图像采集，可得到颗粒与最小外接矩形平面垂直方向上的厚度值。

2.2试验原理

表征集料颗粒形态的参数有面积、周长、长轴、短轴、等效直径等。本文采用颗粒轮廓边界的最小外接矩形的尺寸来刻画它的基本形状。通过物体质心并且惯性最小的直线即为主轴，确定主轴后计算主轴方向的线段长度和与其垂直方向上的线段宽度，这样的外接矩形就是颗粒的最小外接矩形MER（Minimum External Rectangle）。

通过IPP分析法和游标卡尺法测得集料最小外接矩形的长度与宽度的比值分别为k0、km、厚度与宽度的比值分别为l0、lm，即

k0=a0/b0，l0=c0/b0

km=am/bm，lm=cm/bm

am=110∑ai

bm=110∑bi

cm=110∑ci

式中：a0、b0、c0分别为IPP分析法测得的颗粒最小外接矩形的长度、宽度和厚度；ai、bi、ci分别为第i（i为1～10）次用游标卡尺法测得的颗粒的长度、宽度和厚度；am、bm、cm分别为多次用游标卡尺测得的长度、宽度、厚度的均值。

当最小外接矩形的长度与宽度之比不小于24时，认为该颗粒为针状颗粒；当宽度与厚度之比不大于0.4或不小于2.5时，认为该颗粒为片状颗粒；若同时满足以上2种条件，则认为该颗粒为针片状颗粒。因为针状颗粒、片状颗粒对集料性能均有较大影响，所以当颗粒轮廓形状参数满足针状或片状条件中的任何一个时，均将其视为针片状颗粒。

IPP分析法和游标卡尺法的分析结果相对误差σ0、σm分别为

σ0=k0-kmkm×100%

σm=l0-lmlm×100%

则IPP分析法和游标卡尺法测得的粗集料针片状颗粒含量α0、αm分别为

α0=m0M×100%

αm=mmM×100%

式中：M为颗粒样本总质量（kg），2≤M≤4；m0、mm分别为IPP分析法和游标卡尺法测得的针片状颗粒的质量。

则2种试验结果的相对误差为

σ=αm-α0αm×100%

当σ0、σm和σ均小于15%时，认为IPP分析法是可行的。

2.3试验数据分析

将IPP分析法及游标卡尺法测量得到的数据导入Excel中，计算出颗粒的最小外接矩形长度与宽度的比值以及厚度与宽度的比值。同时用传统的游标卡尺法对颗粒的相应参数进行测量，对比分析后可得到集料颗粒轮廓形状的尺寸比及相对误差，如表1所示。

从试验结果可以看出：最小外接矩形长度与宽度的比值最大为314，最小为125；厚度与宽度比值最大为080，最小为029；2种方法测得结果的最大相对误差为1391%，最小相对误差为027%，平均相对误差为587%。

对同一批次的粗集料颗粒从上表面至底部抽取20组质量为2～4 kg的试验样本，分别用IPP分析法和游标卡尺法挑选出其中的针片状颗粒，并计算出针片状颗粒含量，试验结果如表2所示。

从试验结果可以看出：在20组试验样本中，由IPP分析法测得的集料针片状颗粒含量最大值为780，最小值为286；游标卡尺法测得的结果最大值为829，最小值为320。2种方法的最大相对误差为1368%，平均相对误差为8.42%。

2.4误差分析

用IPP分析法和游标卡尺法测得的集料颗粒轮廓形状比值会有误差，主要是因为：采集照片的角度与人工测量的角度不可能完全一致，导致集料轮廓变异，且拍照角度不同，同一颗粒的轮廓参数也有差别；图像采集时，图像边缘变形对结果也有一定的影响，焦距越大，缩放比例越大，边缘变形越严重，处于图像边缘位置的颗粒尺寸参数误差就越大；由于人工测量无法准确判断出颗粒的长轴及短轴方向，所以游标卡尺法测得的集料最小外接矩形长度、宽度和厚度受人为主观因素影响较大。针片状含量误差过大的原因主要是对集料颗粒轮廓形状判断存在误差，当长宽之比约为2.4或宽厚之比约为04时极易导致针片状颗粒含量增大。

3结语

本文制作了“无影灯箱”作为图像采集的工具。使用IPP建立了粗集料针片状颗粒含量分析方法，同时建立了对针片状颗粒的评价指标――最小外接矩形尺寸比，并用传统的游标卡尺法测量了集料针片状颗粒含量。通过对比分析得到如下结论。

（1）“无影灯箱”可以有效消除在自然光照下采集图片时的阴影，同时暗化集料颗粒上的白色等浅色斑点，消除了斑点对集料颗粒轮廓提取时的影响。灯箱上采集图片的灰度直方图呈现明显的“两峰一谷”态势，且过渡带明显，便于选取阈值。

（2）IPP分析法提取集料颗粒轮廓简单易操作，准确度较高，且可以通过编制宏操作自动连续地对图片进行分析处理以及数据导出。与传统的游标卡尺法相比，IPP分析法得到的集料颗粒最小外接矩形的比值误差在允许范围内。因此，用IPP分析法可有效判断出粗集料中的针片状颗粒。

（3）通过IPP分析法测出的集料针片状颗粒含量与游标卡尺法测到的结果的误差在允许范围内。因此，用IPP分析法测量粗集料的针片状颗粒含量在集料的生产加工过程以及验收过程均具有良好的可行性。

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