基于X-rayCT瀝青混合料的基礎(chǔ)性分析

基于X-rayCT瀝青混合料的基礎(chǔ)特性研究X射線斷層掃描技術(shù)通過獲取試件內(nèi)部連續(xù)斷層圖像來反映掃描工件真實的三維空間結(jié)構(gòu)信息，獲取的數(shù)字圖像真實、準確，圖像重構(gòu)的精度極高，顯現(xiàn)出極強的發(fā)展?jié)摿蛻们熬?。利用此項技術(shù)獲取瀝青混合料內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)組成，分析其體積參數(shù)，進行虛擬力學仿真實驗正逐漸成為科研領(lǐng)域的研究熱點，借此技術(shù)實現(xiàn)計算機輔助設計瀝青混合料成為一個宏大的遠景目標。前言X-CT簡介X射線斷層掃描裝置(XrayComputerizedTomography，簡稱X-rayCT)

X-CT是借助計算機將x射線斷層掃描裝置的斷面再現(xiàn)出來的一種全新的x射線成像技術(shù)，可以無損地檢測非透明物體的組成結(jié)構(gòu)。利用X射線穿透物質(zhì)時輻射強度呈指數(shù)型衰減且衰減率僅與物質(zhì)密度相關(guān)的原理，將不同密度物質(zhì)的射線吸收率定義為CT數(shù)X—CT的定量描述是CT數(shù)，將空氣、水和冰的CT數(shù)分別定義為-l000，0和-1000，所以被檢測物體對射線的吸收系數(shù)與CT數(shù)之問的換算關(guān)系為：CT

式中，μw為水對射線的吸收系數(shù)。利用正比于CT數(shù)的亮度成像，即可得到完整的CT圖像

CT掃描的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要由探測器和射線源兩大部分組成，一個典型的X-rayCT瀝青混合料掃描系統(tǒng)如圖所示。

瀝青混合料體積組成的統(tǒng)計學研究差異性物質(zhì)的辨識方法粗集料形態(tài)特征的提取內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成的三維圖像重構(gòu)及虛擬力學試驗疲勞損傷研究內(nèi)容瀝青混合料由石質(zhì)集料顆粒、瀝青膠漿、空隙等差異性物質(zhì)組成。由于瀝青與集料、空隙等差異性物質(zhì)交互滲透致使邊界圖像模糊，難以利用瀝青混合料數(shù)字圖像精確區(qū)分不同物質(zhì)?；诠I(yè)CT的瀝青混合料

體積組成分析左峰(靠近0側(cè))為瀝青膠漿,右峰(接近255側(cè))為碎石顆粒。在呈三峰分布的灰度曲線中，瀝青膠漿與集料的分布呈現(xiàn)兩峰夾一谷形式，C、D點分別代表膠漿和集料灰度分布概率密度大值．空隙分布介于B、C之間．灰度分布曲線表明BC之間和CD之間的谷地包括了空隙、瀝青膠漿、集料顆粒等差異性物質(zhì)．現(xiàn)有技術(shù)不能精確劃分谷地區(qū)域的物質(zhì)差異，導致包含集料、瀝青膠漿和空隙的瀝青混合料三維數(shù)字圖像處理失效，阻滯了瀝青混合料數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展與應用．

采用數(shù)字圖像處理對CT掃描圖片內(nèi)部材質(zhì)進行區(qū)分

閾值分割法（OTSU）大津法基本原理是將圖形分為目標和背景兩部分,兩類之間的方差越大,說明兩類之間的差別越大,將目標誤認為背景或者將背景誤認為目標都會使得兩部分差別變小,因此使類間的方差最大就意味著錯分的概率最小。此算法原理非常契合CT掃描斷層圖片中兩類物質(zhì)閾值邊界不明顯的灰度直方圖平坦區(qū)域的劃分。假定一個離散化概率密度函數(shù)如下：OTSU原理源代碼具體流程簡述如下：（1）批量讀入斷層掃描圖片，將原始圖像的偽彩色格式轉(zhuǎn)換為灰度格式，并將原始圖像進行備份；（2）采用常見的濾波法如中值濾波法濾除圖像的噪聲；（3）將灰度圖片中的黑色背景區(qū)域濾除；（4）采用數(shù)字圖像處理中形態(tài)學開運算，將灰度圖片中由于VGStudioMAX軟件在圖片中生成的左上角文字及右下角坐標軸濾除；（5）填充圖片中的細小孔洞；（6）結(jié)合OTSU法確定各類材質(zhì)的比對模板，通過原始灰度圖片逐點像素比對確定像素的分類歸屬；（7）將最終的圖像分割結(jié)果分別以彩色及灰度圖的形式批量保存。閾值分割法常見方法，直觀有效，對于有較明顯雙峰面的斷面圖，處理效率高，且對各類物質(zhì)的判別較為準確基于混合高斯模型（GMM）的EM算法模糊C均值聚類算法（FCM）模式識別領(lǐng)域中的GMM及FCM方法是識別復雜物質(zhì)的有效手段，GMM對原始圖像的灰度分布有一定要求，而FCM方法是一種于劃分的聚類算法．運算過程復雜，計算效率較低，可需要根據(jù)實際情況對原算法加以改進．圖像分割方法為了將圖像內(nèi)部區(qū)分為背景、孔隙、膠漿和集料4部分，先把背景分離出來，然后對剩余部分做兩次二分類的策略來區(qū)分不同材質(zhì)．最為合適的瀝青混合料組成材質(zhì)分類方法，必須根據(jù)原始圖像的成像質(zhì)量、三維重構(gòu)后灰度直方圖的分布特點及瀝青混合料的不同類別等多種因素來綜合確定．圖像分割方法標準物質(zhì)制作及三類算法材質(zhì)分類效果的驗證

采用了完全不同類型的分類方法,自然涉及到對圖像分類效果進行評價的問題.現(xiàn)階段以定性評價為主。工業(yè)CT掃描成像過程非常復雜，影響成像質(zhì)量的因素眾多，CT硬件平臺本身差異性很大，即使是同型號產(chǎn)品單機安裝調(diào)試后也存在較大差異．研制了用于CT掃描瀝青混合料這類組成復雜材料精度校準的標準物質(zhì)．標準物質(zhì)制作

按ISO定義，標準物質(zhì)為具有一種或多種足夠均勻并已經(jīng)確定了特性，用以校準測量儀器、評價測量方法或給材料賦值的材料或物質(zhì)．經(jīng)過反復比較多種材料，段躍華最終確定采用環(huán)氧樹脂加鋯玻璃珠的技術(shù)方案．制作標準物質(zhì)時采用馬歇爾試件用鋼模(直徑為101．6am，高為63．5mm)．選用直徑為20am的粒徑鋯玻璃珠，每層布置19顆，3層共計57顆，各層顆粒之問及上下層完全嵌擠．澆注環(huán)氧樹脂成型．鋯玻璃珠密度為2.5g／cm3，與碎石密度接近；環(huán)氧樹脂密度為1.09/cm3，與瀝青密度接近；替代物質(zhì)的密度接近瀝青混合料的密度粗集料形態(tài)特征的數(shù)字表達涉及顆粒的