[发明专利]一种利用图像分析技术测定砂子细度模数的方法

摘要

本发明属于土木工程材料研究和应用技术领域，涉及一种利用图像分析技术测定砂子细度模数的方法，具体包括取样、拍照、图像预处理、校正标尺、将砂粒从背景中分离、对粘连的砂粒进行分割、图像边界上砂粒的处理、对带有孔洞的砂粒进行处理、最小费雷特直径的确定、砂粒粒径过滤、砂的细度模数的计算共11个步骤；首次采用图像分析法计算砂子的细度模数，应用了体积比与重量比相等的准则，避免了砂子的称重过程；以最小费雷特直径作为可过筛的砂子等效粒径，更好地保证了测定数据的精确性；该方法设计新颖，原理可靠，操作简便，计算科学，数据精确，成本低廉，自动化程度高。

主权项

一种利用图像分析技术测定砂子细度模数的方法，其特征在于具体包括以下工艺步骤：(1)取样：按照《建设用砂》(GB/T 14684－2011)中规定的取样方式，得到公称粒径在0.16mm‑10mm范围内的砂子试样，将砂子试样缩分至800ml后放在干燥箱中烘干至恒重，待冷却后分为各400ml的两份，再将两份400ml的砂子分别等分成各40ml的十份，然后随机抽取出三份作为试样砂子分别编号备用；(2)拍照：将每份试样砂子均匀铺撒在长80cm、宽60cm的黑色平板上，对相互粘连的砂粒用气吹将其分离，最终使得试样砂子中的砂粒均匀分布在黑色平板中央60cm×40cm的区域内，并在该区域的旁边放置标记有长度刻度的直尺，然后选用像素在2000万以上的CCD数码相机在光照条件下拍照形成包含有60cm×40cm的区域内的砂粒和直尺的图片，再将图片导入Matlab软件或Image‑pro plus软件中；(3)图像预处理：利用Matlab软件或Image‑pro plus软件对导入的图片增强对比度，然后使用背景校正工具对背景进行校正，使得图片中与背景类似区域的像素值被与主背景相似的像素值代替，得到黄白色的砂粒和黑色的背景有反差的图像，以便后续步骤中准确地将砂粒从背景中分离出来；(4)校正标尺：将Matlab软件或Image‑pro plus软件中的定标杠拖动到图片中标尺的两个刻度上，以得到标尺两个刻度长度方向的像素值；选用毫米或微米为长度计量单位，通过像素值和标尺两个刻度长度的换算确定标尺长度后，用实际长度值表示测量数据，然后将像素值和标尺长度关系以文件的方式保存备用，完成标尺校正后将标尺区域图像填充为图片的背景色彩或直接裁切掉使其不再参与后期分析；(5)将砂粒从背景中分离：通过确定颜色相同或相近的阈值将 砂粒从背景中分离出来并依次编号，使用Matlab软件或Image‑pro plus软件中吸管工具在图片中的砂粒上反复汲取色值，直到所有砂粒或砂粒上的各个区域都从背景中分离出来；或者利用Matlab软件或Image‑pro plus软件中的RGB色值直方图工具，根据图片中砂粒像素点的RGB色值确定RGB的取值范围，然后选择图像中象素点的RGB值在该取值范围内的象素点，将砂粒从背景中分离出来；(6)对粘连的砂粒进行分割：选用人工分割或自动分割对砂粒进行分割，人工分割时将图像放大后在两个粘连的砂粒之间划一条线，使其被分割成为两个目标砂粒；自动分割采用形态学运算中的开运算和闭运算方式对桥连接的目标进行分离；(7)图像边界上砂粒的处理：为保证测量的准确性，对图片四周区域上被边界削掉的砂粒进行识别去除，对其不显色、不编号即不作为分析对象；(8)对带有孔洞的砂粒进行处理：由于砂粒本身带有的凸凹或砂粒上存在的显著色差，导致拍照成像时形成孔洞；对形成封闭曲线的带孔洞的砂粒进行孔洞填充，填充后的砂粒以独立颗粒作为目标参与计数，原来孔洞形成的区域不再作为目标参与计数；(9)最小费雷特直径的确定：最小费雷特直径是指砂粒图像轮廓两边界平行线间的最小距离，采用最小费雷特直径表示砂粒的宽度尺寸；在筛分过程中砂粒从筛孔对角线方向坠落，将对应筛孔尺寸为9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm和0.15mm的砂粒的最小费雷特直径或公称粒径确定为10mm、5.00mm、2.50mm、1.25mm、0.63mm、0.315mm和0.16mm；(10)砂粒粒径过滤：利用Matlab软件或Image‑pro plus软件将识别出的最小费雷特直径大于10mm和小于0.16mm的砂粒进行过滤排除，再将筛分后的砂粒按最小费雷特直径分为10‑5mm、5‑2.5mm、2.5‑1.25mm、1.25‑0.63mm、0.63‑0.315mm和0.315‑0.16mm共六个类别范围，对六个类别范围内的砂粒分别采用六种不同的颜色在图片中进行表示以便计数，并计算出每个类别范围内的砂粒个数和最小费雷 特直径的平均值，每个类别范围内砂粒个数分别用n1、n2、n3、n4、n5和n6表示，最小费雷特直径的平均值分别用D1、D2、D3、D4、D5和D6表示，总的砂粒个数用n表示，对所有被分析砂粒的最小费雷特直径取平均值得平均最小费雷特直径用Dm表示；(11)砂的细度模数的计算：设定砂粒的密度相同，则最小费雷特直径为10‑5mm、5‑2.5mm、2.5‑1.25mm、1.25‑0.63mm、0.63‑0.315mm和0.315‑0.16mm共六个类别，其分计筛余百分率分别记为P1、P2、P3、P4、P5和P6：将上述公式(1)‑(6)代入中，得细度模数为：代入步骤(10)中获得的每个类别范围内的砂粒个数和最小费雷特直径的平均值，计算得出一份试样砂子的细度模数和平均最小费雷特直径；对其他两份试样砂子按照上述过程分别计算得出细度模数和平均最小费雷特直径，对三份试样砂子的数据取平均值，得到砂子试 样的细度模数和平均最小费雷特直径；然后根据《建设用砂》(GB/T 14684－2011)中砂的粗细判断准则进行判定。