技术特征：
1.一种基于体视学理论利用二维图像提取沥青混合料细观特征的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)选取沥青和石料，按照机械筛分级配制备沥青混合料试件；(2)利用工业x-ray ct设备扫描成型的上述试件，获得二维沥青混合料ct图像；(3)图像预处理对获得的图像施加中值滤波，h极大值变化降噪，将图像二值化后运用最大类间方差法对图像进行阈值分割；(4)对图像进行形态学处理运用开运算腐蚀和膨胀对图像进行形态学处理，开运算能平滑图像中物体轮廓、断开较窄的狭颈并消除细的突出物，然后对开运算后的图像进行孔洞填充，去除集料表面缺陷，但仍存在集料粘连，该集料即为步骤(1)制备的沥青混合料；(5)利用分水岭算法对步骤(4)粘连图像进行分割，完成对沥青混合料二维截面图像中集料图像的提取；(6)颗粒的标记与参数提取计算图像中所有颗粒，对每个颗粒进行标记，标记后使用最小外接椭圆法计算并统计每个颗粒的几何参数，包括颗粒的面积、等效直径、倾角、长轴、短轴，颗粒个数；(7)利用体视学方法将二维截面图像中的二维细观结构参数转换为三维；(8)基于单档集料明确分布概率，即切割概率，其使用基于蒙特卡罗方法进行计算；(9)使用空间提取方法提取沥青混合料级配细观结构特征。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(7)中，由于获取的细观结构参数是从二维截面图像中提取的，二维截面图像中得到的颗粒仅仅是三维集料颗粒的一个切面，故需要考虑平面颗粒是由多大的颗粒切割形成的，故通过体视学的计算方法将二维的细观结构参数转换为三维的细观结构参数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(7)中，所述体视学方法为：沥青混合料中的骨料假设为多级椭球颗粒，对于多级椭球颗粒，将颗粒任意平面切割得到椭圆截面，颗粒数密度为nv，颗粒切线直径为d
′
，横截面数密度为n
a
，nv和n
a
之间的关系如下：根据大小将颗粒和横截面分为n组，最大类的颗粒数密度为n
v1
，最大类的横截面数密度为n
a1
，最大类截面是对最大类颗粒进行切割得到的所有截面的一部分，如果截面的概率为p1，则可以建立以下等式：n
a1
＝n
a
·
p1ꢀꢀꢀ
(0.2)其中n
a
是对最大类中的粒子进行切割得到的所有截面的横截面数密度；如果最大类别的平均粒径为则可以得到以下等式：最大类别的n
a1
可以通过横截面的统计分析直接确定；对于第二类和其他更小类的颗粒，横截面不仅来自本类别的颗粒切割，还有来自较大类中的粒子切割，计算公式如下：
其中n
a2
、n
a3
和n
ai
分别为第二类、第三类和第i类横截平面的横截面数密度，p1、p2、p3和p
j
是横截面的分布概率，和为每类颗粒的平均切线直径，n
v1
、n
v2
、n
v3
和n
v(i-j+1)
分别为第一类、第二类、第三类和(i-j+1)类粒子的三维颗粒数密度；如果已知各n
vi
，就可以确定沥青混合料的三维级配，因此，公式改写为如下：，就可以确定沥青混合料的三维级配，因此，公式改写为如下：，就可以确定沥青混合料的三维级配，因此，公式改写为如下：，就可以确定沥青混合料的三维级配，因此，公式改写为如下：在公式(1.10)中，n
ai
是通过图像的统计分析获得的横截面数密度，为颗粒平均切线直径，p
i
为三维颗粒切割成某一档颗粒椭圆横截面的分布概率；当根据短轴的大小将集料分为n类时，短轴对应分为2b1、2b2、...、2b
n
，横截面的分布概率p
i
可以使用以下公式计算：可以使用以下公式计算：为第i类椭圆截面数；n
all
是所有椭圆部分的数量，使用步骤(8)的数值方法求解椭球粒子的分布概率p
i
。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤(7)中，由于纵横比对体视系数有着重要的影响；将集料假定为椭球体颗粒，使用三个参数，即赤道半径a、b和极半径c来确定椭球粒子的尺寸；因此，为了计算体视系数，应首先确定骨料的参数；使用平均厚度来评价骨料的尺寸：平均厚度＝λ
·
b
ꢀꢀꢀꢀ
(0.12)其中λ为反应颗粒薄厚程度的参数，b为赤道半径，宽度可以转换为等效的方形筛网尺寸，并带有修正系数；这种关系显示在以下等式中：等效方孔筛尺寸＝c
·
2b
ꢀꢀꢀꢀ
(0.13)其中c为筛孔的修正系数，主要取决于骨料的形状，不同的集料c值也不同，采用试错法确定c值；
然后使用平均纵横比来计算各个类别中粒子的半径a，它们由以下方程求解：然后使用平均纵横比来计算各个类别中粒子的半径a，它们由以下方程求解：对于给定的筛子尺寸，b使用公式(1.13)计算；其中是平均长细比，根据二维细观结构统计结果可以得到；使用以下等式计算单个骨料的体积：其中v为骨料颗粒的体积；a、b、c分别为椭球粒子的半径；对于球形粒子，a＝b＝c＝r，r为球形粒子的半径；使用以下公式获得每个类别中所有骨料的体积和质量：v
i
＝v
ellipsoid
·
n
vi
·v0
ꢀꢀ
(0.17)m
i
＝ρ
i
·vi
ꢀꢀꢀ
(0.18)其中v
i
是第i类的集料的体积；n
vi
是第i类骨料的颗粒数密度，v0为试样体积；m
i
是第i类集料的质量，ρ
i
是第i类骨料的密度。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤(8)中，求分布概率pi使用基于蒙特卡罗方法进行计算；使用椭球体方程与平面方程相交，椭圆的参数a、b、c在上一步中分组确定后即可确认带入方程，平面方程通过生成随机数，产生不同方向的平面切割椭球面：平面一般方程：ax+by+cz＝d
ꢀꢀ
(0.20)短轴长由下面的公式进行计算当且仅当λ≥|d|时，平面和曲面相交；其中a和λ使用如下公式计算。当且仅当λ≥|d|时，平面和曲面相交；其中a和λ使用如下公式计算。随机切割椭球体k次求得椭圆形交线的短轴长度2b1，2b2，2b3，2b4，
……
，2b
k
，根据筛孔分级；横截面的分布概率分布概率随着切割次数趋于稳定，拟合后仍需要修正。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤(9)中，使用步骤(1)-(8)的方法对沥青混合料进行细观结构的提取，提取二维图像并表征三维细观结构特征，其根据空间结构选定试件两边缘和中心对称面为最基础的三张图像，并称为基本图像，其次基于基本图像之间进行等间距内插的方式增选图像；提取张数按如下公示计算
number
min
＝f
max
(r
i
) i＝1，2，3，4，5，6，...
ꢀꢀꢀ
(0.25)r
i
为各类结构参数所需要的最小张数，分别表示颗粒的倾角、长细比、长轴、短轴、等效直径、粗骨料接触点；number
min
代表提取该沥青混合料所需的最佳图像数，即代表提取所有细观结构参数所需的最小张数。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤(9)中，提取倾角的最少张数为3张，提取长轴的最少张数也为3张。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)和步骤(7)之间还包括，统计数据后进一步计算集料的长细比、接触点数目、配位数、分形维数这些二维细观结构参数。
技术总结
本发明涉及一种基于体视学理论利用二维图像提取沥青混合料细观特征的方法，属于公路材料性能评价方法领域。包括实验步骤，实验参数，评价指标。运用椭球体近似的体视学计算方法，得到二维CT图像计算出的沥青细观结构参数及级配曲线，采用单档集料制作的试件所的图像修正切割概率，利用提取级配和实验筛分级配进行对比实现对混合料细观特征参数有效性的验证。结合试件的三维细观组成与结构的试验值，明确二维图像在沥青混合料空间的提取方法并表征三维细观结构信息的最佳二维图像张数。该发明可以用于提取不同沥青，不同矿料，不同级配设计所成型的沥青混合料细观参数，实现对沥青混合料细观特征的降维计算。青混合料细观特征的降维计算。
技术研发人员：孙志棋 齐浩南 易洁 刘波 李韶华 张学明 成荣凯
受保护的技术使用者：石家庄铁道大学
技术研发日：2021.10.25
技术公布日：2022/2/24