0 引言

我国经济的发展十分迅猛，同时也带动了公路的快速发展，对路面性能的要求也随之变高。沥青混凝土路面在我国高等级公路和城市道路中占有绝对的优势，它具有噪声低、平整度高、路面维护简单、行车振动小等优良特性[1]。集料是沥青混凝土的主要成分之一，其形态特征的优良会影响到沥青路面的使用性能[2]。

近些年来，数字图像处理技术[3]以及机器视觉技术[4]的发展迅猛，还可以与其他学科融合起来，这样的特点使得其常常应用于多个领域中，甚至将其应用在沥青路面的材料测试中，并针对其各个参数结果进行研究，现已取得比较大的成果，今后研究人员可以应用该方法，通过对集料的形态特征进行形象的描述，保证沥青混合料优良的质量，推动道路行业的发展。

当前已有不少道路工程相关的专家学者引入图像技术，对粗集料颗粒[5-12]、沥青混合料[13]以及集料形态特征对沥青混合料性能的影响[14-18]等进行了探索，取得了较好的成果。因此，研究基于图像分析的集料形态特征定量评价，实现集料的自动定量描述，可以极大地节省多余的人力物力，并且可以适用于各个场所，达到延长沥青路面的使用寿命，从而推动集料检测技术的进步和发展。

1 集料颗粒形态特征评价指标

利用光学成像技术采集集料颗粒的二维图像，然后对集料颗粒进行预处理消除图像采集过程中可能引入的噪声，再利用图像分割将各个集料分离得到集料的二值图像，之后利用形态学处理进一步消除噪声，再利用颗粒分析技术，最终得到集料的形态特征参数[6-7]，从而完成对集料颗粒形态特征的评价。特征参数如下所述：

1.1 尺寸描述参数

(1)面积

边缘轮廓所包含区域的面积称为集料面积，可用下面的公式来表示：

式中R为集料颗粒所在的区域。对于数字图像来说，微分单元dxdy表示单位元素，即一个构成集料颗粒的像素。因此，在计算集料颗粒的面积时，可以通过计算集料颗粒蕴含的像素个数来计算，计算公式为：

式中，xi为集料颗粒所在区域的像素序列，对任意的i,xi=1。

(2)周长

周长指物体边缘的长度，这里是指集料的外轮廓长度。可以通过下面的公式计算集料的周长：

图像处理中的周长是用边界跟踪的结果来表示的。如果x1,x2,…,xN是边缘坐标表，则：

颗粒周长示意如图1所示。

图1 集料颗粒的周长

周长也可以用原图像与腐蚀图像的差来计算，这种方法是从数学的形态分析法出发来进行计算的。

(3)拟合椭圆

所谓拟合椭圆，它是以集料边界为依据制作的，也可以叫做等效椭圆。它有3个参数，方向角、长轴以及短轴。相关参数如图2所示。

图2 集料颗粒的拟合椭圆

上述尺寸特征就是集料的基本特征参数，在今后形状特征的参数计算时可以将以上数据作为基准进行计算，例如有的研究人员在进行集料颗粒与拟合周长比的计算时就是采用这类方法，所以作为集料颗粒棱角性的方法之一，其被广泛应用。

1.2 形状描述参数

形状描述参数主要用来界定集料的形状特征，其中包含可以表征集料形状指数的圆形度和表征集料是否为针片状颗粒的长宽比，用这种方法来得到集料的针片状含量。

(1)长宽比

长宽比主要表征了集料的整体形状，一般定义为其等效椭圆的长轴与短轴之比。本研究通过计算长宽比来得到针片状含量。

(2)圆形度

圆形度定义为周长与面积之比，它主要反映了集料整体形状接近于圆形的程度。此比值越接近数值1，则表明集料轮廓更近似于圆形。其计算方法为：

式中，P为集料周长；A为集料面积。

(3)棱角性

颗粒的轮廓边界往往会有不同程度的凹凸不平的平面形状，这就是其棱角性，对该性质的概括有多种不同的定义，在本研究中主要根据其实际周长与等效周长作为参数进行计算和研究，公式为：

(4)纹理

纹理参数反应的是集料是否粗糙或光滑以及规则的程度，它也是集料的重要特征之一。集料表面纹理的表示主要有以下两种方法：一种是用集料的表面特征来量化表面纹理，另一种是用集料的轮廓特征来量化表面纹理。本研究主要是利用集料的轮廓特征量化表面纹理特征，它相当于对集料的表面特征进行了取样。