段杰琛1,2
1 新疆大学建筑工程学院，乌鲁木齐，830047；2 济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，济南，250003
摘要：CT图像处理技术是获取沥青混合料内部微细观结构的有效手段之一。文章总结了目前国内外CT数字图像处理技术在沥青混合料微细观结构方面的研究现状，并从微细观层面出发来定量描述沥青混合料空隙结构及矿料级配中粗集料外观形态，进而探究沥青混合料的宏观性能，这样的操作是为了沥青混合料宏观性能指标以及微细观结构之间的关系变得更加的紧密，为之后的工作打下坚实的基础。
关键字：CT扫描技术；图像处理技术；空隙结构；粗集料；微细观
0引言
市面上所见到的沥青混合料，都是由沥青、集料以及空隙组共同组成的，所以说沥青混合材料也是一种颗粒类型的复合材料，鉴于材料组成、成型过程中的变异性 ，这使得的沥青混合料宏观性能指标相近，而路用性能却差异性很大。近年来，研究表明：沥青混合料的微细观结构与其宏观力学特性具有一定的关联性，并且细观结构的定量描述对其宏观路用性能的研究有助于从微细观层面来探究沥青混合料宏观现象的微细观机理；而CT图像处理技术是获取材料内部细观结构的有效手段之一，并广泛应用于金属材料、水泥混凝土和岩石等微细观结构研究方面。因此，全世界范围内的研究人员在CT图像的基础上，开始对沥青的混合材料进行全面细致的研究。在此基础上，文章对比分析了CT图像处理技术在沥青混合料微细观结构方面的研究成果，并主要从沥青混合料空隙结构和集料外观形态两个方面来探究沥青混合料微细观结构与宏观性能指标之间的关联性。
1 CT图像处理技术概述
CT图像处理技术是由CT技术和图像处理两部分组成。
1.1CT技术
一般情况下，工业CT指的是射线技术，和网络信息计算机技术相结合组成的，一个突破以往的产物，所以说工业CT将两者的优点进行紧密的结合，最重要的是计算机可以将X射线断层扫描装置扫描的断面再现出来的一种全新成像技术。在X射线穿透物质的过程中，其辐射强度呈指数型衰减并且衰减率仅与物质密度相关，可以无损检测非透明物体的组成结构。然而，X射线衰减系数所代表的信息主要是齐相关的扫描信息，该信息在一定程度上是不能精准的地代表不同材料之间的不同，根据这样的情况，英国工程师Hounsfield重新赋予了CT数的概念，其定义为：
（1.1）
式中：H表示的是某物质的CT数；μ则代表被测物体对射线的吸收系数；表示的是水对射线的吸收系数[1]。
利用CT数与物质密度正比的关系表示CT图像的信息，可以非常直观的看到以及分辨出不同物质对应的组分。但是需要注意的是，CT图像所包括的所有数字信息本身是不具备任何研究条件的，再这样的情况下，就需要利用数字图像处理技术对所获得的CT图像进行一定的处理。
为了获得精确、清晰度高的图片，根据不同的试验需求，需选择合适的CT机以及CT扫描参数。目前选用的CT扫描平台主要有医用CT及工业CT两大类。根据以往的成果，对于沥青混合料这类多相复合材料而言，使用辐射能力更强的工业CT机进行研究要比医用CT机有更大的优势。
1.2 数字图像处理技术
一般情况下，我们指的数字图像处理（DIP），就是把图像中的一些信息通过分析和处理变成数字的形式，计算机在这个过程中起到了不小的作用。DIP在处理的过程中会有几种方式，分别是几何处理、图像增强、图像复原、图像重建、图像编码、图像分割、图像理解这几部分。DIP技术的特点是非常明显的，它的再现性、处理精度都是非常好的，与此同时其还具有适用面宽、灵活性高、信息压缩的潜力大等优点[2]。截止到目前，DIP技术主要的应用范围就是在对图像处理以及增加图像的效果和分割来获取图像信息。
（1）图像增强
图像增强在数学图像处理中是一个重要环节，其主要目的是：削弱或去除一些由于图像采集、传输、格式转换等操作引入的不必要信息，如噪声、“伪像”等；处理后的图像对某种特定的应用，加强了所需要处理图像中的有用信息的特点，这样就会确保图像变得更加的清晰，或者说可以将其转变为更适合人或机器分析的形式和状态。
张嘉林[3]在处理沥青混合料图像中，采用中值滤波处理技术来进行图像增强，减少图像的噪声对图像质量的影响。段跃华[4]等考虑采取轻质集料替换其细集料和矿粉组分来实现图像增强。姚秋玲[5]总结图像增强处理方法主要有直方图修改技术，图像平滑处理技术和图像锐化处理技术这三种。然而，具体的图像增强方法，必须根据实际需求选择合适的处理方法对相应的图像进行处理。
（2）图像的分割
在数字图像处理的过程中，图像分割是一个非常重要并且是最为基本的问题，分割结果的好坏直接影响随后的图像分析，细分程度取决于要解决的问题。图像分割方法主要有基于边界的图像分割和基于区域的分割技术，常见的图像分割手段有阈值法、边缘检测法、区域法、边界法。这些方法，不能简单地对分类效果加以评价，分类效果的好坏不能脱离研究对象来评定。在处理过程中需要根据具体的图像和不同的目标提取物而采取合适的图像分割方法。
对于沥青混合料的数字图像分割中，一般先分割开集料与沥青、空隙，然后再依据颗粒大小分割粗、细集料。理想的分割结果是把集料颗粒从沥青中完全分离，集料颗粒边缘闭合，内部无孤立小块或像素点，颗粒之间分界清晰，无粘连。但是现有的分割方法不能达到这些要求，所以需要对几种分割方法处理的效果进行比较，从而选择出运算速度和处理效果都比较理想的算法。
沥青混合料的数字图像中集料颗粒多、形状复杂，图像中沥青和空隙的近于黑色的颜色相比，集料颗粒较亮，因此从其直方图中也可以看出沥青混合料数字图像具有明显的双峰特性。因此，在图像分割中，利用阈值法来对沥青混合料的数字图像进行分割。选取阈值将图像二值化，形成锐化图像，然后选取适当的算子进行边缘检测或者进行边缘的跟踪，搜索图像边缘，最终获得边缘的曲线，勾勒出待测目标的形状，实现分割。
1.3 CT图像处理技术
CT图像处理技术的本质，其实就是把需要处理的CT图像进行一定的操作，通过这样的方式可以将图像中的信号转换成相应的数字信号，定量获取材料的内部结构信息。就沥青混合料而言，其细观结构的获取主要是由沥青混合料试件CT图像获取和CT图像处理两部分完成。
2基于CT图像处理技术的沥青混合料微细观结构研究
沥青混合料宏观现象的微细观机理的发现，在一定程度上可以帮助我们知道沥青路面早期破坏的具体原因，其中CT图像处理技术则是沥青混合料微细观结构研究最为之有效的办法之一。目前，在沥青混合料微细观结构研究方面，主要从沥青混合料空隙和粗集料外观形貌两个方面进行。
2.1 沥青混合料微细观空隙研究
（1）空隙的特征提取
通常情况下，描述沥青混合料空隙分布的基本参数主要包括：空隙率、空隙等效直径、空隙数量等。
吴文亮[1]采用X-ray扫描混合料微观组成结构，并用VG Studio MAX 2.0 对图像进行三维重建，对提取每个空隙的体积参数并进行测量。研究结果表明，空隙的分布和混合料试件成型的方式有着直接的关系，最具有代表性的就是沥青混合材料中的空隙数量，和空隙体积成反比，并且在0～50mm3体积区间内空隙数量是最多的。
李强[6]公开一种基于CT成像及数字图像处理技术获得的一种空隙特征的提取方法，通过双参数韦伯分布模型获得空隙的尺度参数和形状参数，能够较为准确的反应材料空隙的分布信息。
（2）空隙的微细观评价
在沥青的混合材料中，其空隙是非常大的，沥青混合材料空隙的形态、空隙的面积、空隙的体积在不通过你的大小下所代表的意义也是不尽相同的，并且在一定尺度范围内，沥青混合材料的空隙是没有明显标度性的，这就代表沥青混合料中的空隙具有分形特性。裴建中[7]利用经X射线CT扫描技术所采集的多孔沥青混合料截面图像，提取空隙的轮廓曲线、空隙等效直径等基本特征量。采用分形理论中的“盒子计数法”计算二维CT图像中空隙分维数，包括空隙轮廓分维数Dp与空隙面积分维数Da。并发现空隙轮廓分维数与空隙率呈现出明显的函数关系，随着空隙率减小，空隙轮廓分维数不断增大。
颜强[8]用两种分形模型来表述空隙的体积分维数，一个为Koch曲线模型，另一个为Menger海绵模型。前者考虑的空隙复杂的非平滑的表面，后者则表示的是空隙特性。结合以上的分析我们可以知道，在不同状态下的分维数，它说明了不同断面空隙的复杂程度以及最终呈现出来的效果，在下一个部分和内容中，就可以对其进行深入的研究和分析。
3.2沥青混合料粗集料外貌形态研究
从沥青混合料的体积构来成看，在沥青的混合材料中，集料可以占其总体积的百分之九十。因此可以看出集料是沥青混合材料中一个关键的组成部分，起到的不仅仅是填充作用。其中沥青混合材料中集料颗粒的外形特征、沥青混合材料中各个颗粒之间在相互作用的过程中所产生的任何摩擦作用，都需要对其进行记录和研究，因为这些对沥青混合料的性能会产生一定的影响和作用。
（1）基于CT图像处理技术的粗集料外形特征描述
起初，对集料外形特征研究的方法多为间接法，比较广泛的一种就是粗细集料的未压实孔隙率测定方法。这种方法将沥青混合材料的特点进行深入的研究和分析，与此同时根据其专属的特点进行排列，并且对排列之后的状态和结构进行全面的分析和研究，将最终测定的性质认定为专属的特征值。这个时候我们就需要知道，此方法却不能直接描述集料个体的形态特征，相比较由 X-ray CT 技术对材料内部结构直接且实时的观测更为可靠，结合数字图像处理技术从而获取粗集料的外形特征参数：形状、棱角、纹理等。
分析粗集料外形特征的方法有很多， Masad E.[9]等研究开发的AIMS集料形状分析系统，该方法可以将棱角的大小精准的测定出来，在此基础上，利用小波方法量化粗集料的纹理。我们国家的研究人员王彦喆通过试验证出，棱角参数、圆度、分形维数、凸度及球度五个指标均咋一定程度上存在着一定的相关性，这些都可以代表集料颗粒的外形特点。
以上粗集料的基本参数还不足以粗集料的形状特征。林辉[10]使用Image-Pro Plus 图像分析处理软件粗集料图像上的颗粒单个识别，并对粗集料形状特征的参数进行量化，基于等效椭圆的概念建立了4种粗集料棱角性量化指标，开发了粗集料形状特征量化指标的计算程序。
（2）粗集料体积模型
基于工业CT技术无损获取试件三维信息，并准确的运用数学方法描述集料的三维轮廓的细观特征及表面起伏变化，是建立粗集料体积模型的最终目的。
Wang L.B.[11]等基于工业 CT 对集料的细观结构进行了三维数字描述。段跃华利用数字图像处理手段将粗集料横截面的二维轮廓提取出来，利用“重合面积法”确定连续断层序列图中颗粒的三维信息，获取了粗集料颗粒的三维表面轮廓，采用球面调和变换表征集料颗粒的三维轮廓。其中，球面调和变换可以用较少的数据对三维表面轮廓按照任意需要的数据精密程度进行还原。
在真实的获取集料三维信息后，可以实现真正意义上的三维虚拟筛分，从而对粗集料体积模型的合理性进行验证。首先，粗集料L、W、T维度的测定和体积计算。其次，确定通过筛孔控制平面。最后，利用最小外接矩形法把握集料通过筛孔的能力。结果表明，模拟筛分确定的级配曲线与手工筛分级配曲线接近。
（3）粗集料微细观评价
从微细观角度看，沥青混合料以粗集料作为刚性固体，其中集料颗粒之间所产生的镶嵌和挤压、摩擦作用，一定会对沥青混合料中的力学性能造成很多的影响，面对这样的情况就需要对粗集料的物理力学性质、几何形态和它们之间关系和作用进行深入的研究和分析。我们国家的研究人员王彦喆[12]利用洛杉矶磨耗仪，把粗集料的外形进行了一定的改变，对其进行深入的分析研究不难看出，沥青混合材料的性能需要重新进行研究和分析。从研究和分析的结果可以总结出，沥青混合材料的表面棱角以及纹理状况，会在不断的磨损中发生一定的改变，这个时候，沥青混合料中的空隙率和矿料间隙率会发生一定的改变，沥青混合材料的密度、沥青饱和度也会发生一定的变化，这个时候其动稳定度就会大打折扣，其中混合料的抗剪性能在一定程度上也会变小，这样的状态与车辙的变化相一致。根据研究的结果可以知道，粗集料的表面细观特征对混合料宏观的动稳定度以及抗剪性能有一定程度的影响。我们国家的研究人员李智[13]认为，沥青混合材料中的粗集料颗粒取向，和其分布规律角度研究各压实方法间是存在一定差别的，根据这样的情况需要挑选出适当的粗集料主轴方向和颗粒分布的均匀性作为粗集料的习惯评价指标。
3结语
通过上述对沥青混合料细观空隙及粗集料外观形态对比分析，可以看出：
结合工业CT和数字图像处理技术对沥青混合料的内部微观结构分析，是有效评价材料特性的有效方法。目前的研究结果，采用不同的技术路线对空隙和粗集料的外形特征、分布情况进行微观分析，为沥青混合料的宏观结构和微观结构的联系打基础。沥青混合料微观结构的分析还需进一步与路用性能相结合，反应沥青混合料的宏观现象。另外，还需建立微观结构的有效评价体系，不仅是对自身的检验，也是对宏观体系的补充，为沥青混合料的配合比设计提供依据。
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