适用集料粘连清除的沥青混凝土断层图像建模前处理方法

技术领域

本发明涉及断层图像三维重建技术领域，确切地说涉及一种适用集料粘连清除的沥青混凝土断层图像建模前处理方法。

背景技术

断层图像是利用断层扫描设备(ComputedTomography,CT)探头绕沥青混凝土试件体表旋转采集，或采用磁共振设备(MagneticResonance,MR)在沥青混凝土试件四周同时进行三维信息采集，经处理后沿采集顺序排列而成的层状图。断层图像能准确地显示试件内部集料和沥青胶浆的形态学特征、密度和轮廓边界，处理结果经三维重建后可用于后续细观结构特征分析与力学行为数值模拟。

沥青混凝土三维重建技术可通过二值化处理技术对扫描获得连续断层图像进行图像二值化，获得二值化断层图像，后利用体绘制技术对获得的二值化断层图像建立试件的三维微细观结构模型。

断层二值图像中图像的像素信息，仅由二进制码“0”和“1”表示，像素信息“0”表示该像素点显示黑暗，像素信息“1”则表示该像素点显示白亮。由多个黑暗像素点平面排列构成的黑暗区域表示沥青胶浆，由多个白亮像素点平面排列构成的白亮区域表示集料。

体绘制技术是将层状图像中的像素二值信息

Gauss滤波处理技术可利用已设定的Gauss算子通过算法处理图片噪声，并平滑图像。

现有三维重建技术，一般可通过对扫描获得的断层图像经滤波处理、形态学处理和图像二值化处理获得二值化图像，该步骤的目的在于筛除断层图像中与三维重建所需数据无关的杂质信息，以达到提高建模针对性和简化三维重建运算量的效果，后对二值化图像采用体绘制或面绘制技术进行三维重建。但由于断层图像受到扫描设备精度限制、扫描角度误差、图像曝光度不均匀和沥青混合料集料密度不均匀的影响，现有的断层成像技术生成的层状图像通常存在大量噪点和集料粘连。在曝光度不足区域和细小集料集中区域易出现集料-沥青胶浆边界模糊现象，造成相邻层状图片间不连续，降低层状图片二值化处理的集料分离效果。该影响将导致经体绘制获得的三维重建模型存在大量的集料错误粘连、集料错误孔洞和片状集料。

申请号为CN201210172375.7的专利文献公开了一种基于沥青路面试件X-ray CT图像的集料细观实体模型重构方法，该文献基于目标识别算法对沥青路面试件断层图像中的独立集料的轮廓进行识别和建立集料边缘包围盒数组确定集料粒径的上下限阈值，根据阈值筛选出符合粒径要求的有效边缘，后建立沥青混合料细观实体模型。该方法在基于循环程序筛除无效边缘的同时，会造成生成的模型失去大量的形态学特征，其表现为生成的集料表面具有大量的规则性棱和角，且无法筛除具有有效粒径的层状独立面片。

申请号为CN201610553499.8的专利文献公开了一种焦炭显微结构图的三维重建方法，该文献基于体绘制技术利用3D Slicer软件对焦炭断层序列二维显微结构图进行三维重建。采用这种直接对不具有良好层间关系的断层图像三维重建的建模方法生成的建模结果虽保留了良好的形态学特征，但建模结果中存在有大量的错误结构粘连、孔洞和独立面片等问题。

以上问题可后期人工通过三维重建软件清除处理，但会大量消耗人力、物力和时间。

发明内容

本发明的针对现有技术的不足，克服现有技术的缺点，提出了一种适用集料粘连清除的沥青混凝土断层图像建模前处理方法。该方法基于Gauss滤波处理技术、图片形态学处理技术和相邻断层图像相似化拟合技术对断层图像进行预处理，构建断层图像沿采集方向的层间联系，可清除断层图像扫描过程中和二值化处理过程中出现的错误粘连、错误孔洞和独立面片，然后结合体绘制技术完成沥青混凝土试件模型三维重建。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种适用集料粘连清除的沥青混凝土断层图像建模前处理方法，包括断层图像扫描、高像素化插值处理、灰度化处理、滤波平滑处理、形态学膨胀腐蚀处理、二值化处理、像素还原处理、相邻断层图像相似化拟合处理、体绘制建模和断层图像重生成处理等处理步骤，所有步骤均可利用Matlab循环程序或相关建模软件完成；具体步骤如下：

第一步，断层图像扫描：沥青混凝土试件CT扫描，对试件进行初始状态的断层图像扫描，获得断层图像，该采集方向设为z轴正向。

第二步，高像素化插值处理：基于插值方法对得到的断层图像进行高像素化插值处理，得到长宽像素值均大于原长宽像素值两倍以上的高像素断层图像。

第三步，灰度化处理和滤波平滑处理：按采集顺序，对高像素断层图像进行灰度化处理得到高像素断层灰度图像；灰度化完成后，采用Gauss滤波算法对高像素断层灰度图像进行平滑处理，得到平滑后的高像素断层灰度图像。

第四步，形态学膨胀腐蚀处理和二值化处理：由于单张断层图像曝光度呈同心环状不均匀分布，因此按图片大小采用环状分割方式将单张断层图像由内向外分成1个圆形和若干个圆环区域，若最外圈图像不是圆环形状，则等同于圆环形状进行分割处理，直到层状图像的所有有效部分被分割，分区域进行形态学处理再组装还原，完成单张断层图像的形态学处理；然后按采集顺序批量完成所有断层图像的二值化处理，得到高像素断层二值图像。

第五步，像素还原处理：对得到的高像素断层二值图像进行像素还原处理，得到断层二值图像。

第六步，相邻断层图像相似化拟合处理：采用相邻断层图像相似化拟合技术对得到的断层二值图像构建沿采集方向的层间联系，步骤如下；

(1)取交膨胀处理或取并腐蚀处理，根据实际需求选用

取交膨胀处理：将a张连续的断层二值图像中相同位置的像素信息值相加，相加结果按照像素位置导入到与原断层图像等像素大小的空白新图中，该空白新图的标号为原相邻两断层图像的较小值；新图像素信息值相加结果为“0”的位置像素信息不变，显示黑暗；新图像素信息值相加结果为“1”的位置像素信息修正为“0”，显示黑暗；新图像素信息值相加结果为“≥2”的位置像素信息修正为“1”，显示白亮；修正完成后对新图白亮集料区域进行膨胀处理，并删除集料内部的沥青胶浆孔洞。

取并腐蚀处理：将b张连续的断层二值图像中相同位置的像素信息值相加，相加结果按照像素位置导入到与原断层图像等像素大小的空白新图中，该空白新图的标号为原相邻两断层图像的较小值；新图像素信息值相加结果为“0”的位置像素信息不变，显示黑暗；新图像素信息值相加结果为“1”的位置像素信息不变，显示白亮；新图像素信息值相加结果为“≥2”的像素信息修正为“1”，显示白亮；修正完成后对新图白亮集料区域进行腐蚀处理，并删除集料内部的沥青胶浆孔洞。

(2)按照顺序完成后续相邻断层图像相似化拟合处理，并依次生成新图，新图的顺序集合构成新断层二值图像图集。

第七步，体绘制建模：基于体绘制技术对第六步得到的新断层二值图像图集进行三维重建获得沥青混凝土模型。

第八步，对第七步得到的模型沿任意径向进行断层图像重生成，经二值化处理得到断层二值图像。

第九步，断层图像重生成处理：对第八步重生成得到的断层二值图像图集重复第六步-第八步，生成新断层二值图像集。

第十步，采用体绘制技术对第九步得到的新断层二值图像集进行沥青混凝土试件模型三维重建。

优选的，所述的沥青混凝土试件包括长方体，圆柱体和具备其它形状及尺寸特征的试件。

优选的，所述的断层图像类型包括RGB彩色图像、灰度图像和二值图像。

优选的，所述的断层图像长宽大小要求完全包括沥青混凝土试件的断层图像，多余部分以黑暗填充。

优选的，所述的高像素化插值处理要求将原像素图像等比例转化为高像素的图像。

优选的，所述的断层灰度图像包含灰度特征值范围为0-255的uint8类灰度图像和灰度特征值范围为0-65535的uint16类灰度图像。

优选的，所述的形态学膨胀腐蚀处理采用形状为星形的核函数算子。

优选的，所述的像素还原处理要求将高像素的图像等比例还原为原像素图像。

优选的，所述的相邻断层图像相似化拟合处理中a和b的值要求≥2，且≤10，按照顺序和处理方式提出了四个分类：分别是自上而下取交膨胀、自上而下取并腐蚀、自下而上取交膨胀和自下而上取并腐蚀，但并不排除在包括所述四个分类的基础上还存在其它分类，且以上分类可根据处理目的搭配使用。

优选的，所述的断层图像重生成步骤中，任意径向要求三维空间内垂直于初始扫描方向z。

本发明具有如下有益效果：基于Gauss滤波算法对断层灰度图像进行像素灰度值平滑处理，可提高断层灰度图像集料-沥青胶浆边界对比度和集料区域灰度值的稳定度；基于CT扫描曝光度环状分布规律对每张断层灰度图像进行环状分区处理再重组，可提高算法程序生成的阈值算子的针对性和适用性；基于相邻断层图像相似化拟合处理技术对断层二值图像沿采集方向构建层间联系，此方法可清除断层图像扫描过程和二值化处理过程中出现的错误粘连、错误孔洞和独立面片，后利用体绘制方法对具备良好层间联系的断层二值图像建立沥青混凝土三维模型，该模型可适用于后续细观结构特征分析与力学行为数值模拟。以上流程和方法均可通过Matlab软件编辑循环结构完成断层图像的批量处理，建模效率高。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为相邻断层图像相似化拟合技术(自上而下取交膨胀)流程图；

图3为相邻断层图像相似化拟合技术(自下而上取交膨胀)流程图；

图4为相邻断层图像相似化拟合技术(自上而下取并腐蚀)流程图；

图5为相邻断层图像相似化拟合技术(自下而上取并腐蚀)流程图；

图6为CT扫描(初始扫描)后各点位坐标及扫描结果示意图；

图7为高像素化插值处理后各点位坐标示意图；

图8为基于环状分割的形态学处理示意图；

图9为像素还原处理后各点位坐标示意图；

图10为沿任意径向断层图片重生成方向及结果示意图；

图11为相邻两张断层图像相似化拟合处理-取交膨胀原理图；

图12为相邻两张断层图像相似化拟合处理-取并腐蚀原理图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明的流程如图1所示。本实施例的详细步骤如下：

第一步，沥青混凝土试件扫描，参考图1和图6，对于高75mm，直径65mm的圆柱体试件沿初始扫描方向(z轴正向)进行初始状态的断层图像扫描，扫描层间间距为0.1mm，共可获得750张断层彩色图像，其单张图像为长1507像素*宽914像素的矩形图片；

第二步，对得到的断层图像进行高像素化插值处理，参考图7，得到单张图像像素为3840*2329的高像素断层彩色图像，以每张图片的左上角顶点为坐标原点O(1，1)，设置二维笛卡尔坐标系(x，y)；

第三步，将高像素断层彩色图像按顺序导入Matlab中，对高像素断层彩色图像进行灰度化处理，得到高像素断层灰度图像，灰度化完成后采用Gauss滤波算法对高像素断层灰度图像进行平滑处理，得到平滑后的高像素断层灰度图像；

第四步，对平滑后的高像素断层灰度图像按顺序分张进行形态学处理，参考图8，将平滑后的断层灰度图像按采集顺序导入Matlab中，由于单张断层图像曝光度呈同心环状不均匀分布，以点A(1920,1165)为圆心，采用环状分割法将单张断层图像自A点由内向外分成1个圆形区域和3个圆环区域，分区域进行形态学处理再组装还原，完成单张断层图像的形态学处理，后采用循环程序按采集顺序批量完成所有断层图像的二值化处理，得到高像素断层二值图像；

第五步，对得到的高像素断层二值图像进行像素还原处理：参考图9，得到断层二值图像，其单张图像像素为1507*914；

第六步，对得到的断层二值图像采用相邻断层图像相似化拟合处理，(1)取交膨胀处理，按采集顺序将二值化断层图像导入Matlab中，参考图2、图3和图11，将两张连续的二值化断层图像中相同位置的像素信息值相加，相加结果按照像素位置导入到与原断层图像等像素大小的空白新图中，该空白新图的标号为原相邻两断层图像的较小值，新图像素信息值相加结果为“0”的像素信息不变，显示黑暗，新图像素信息值相加结果为“1”的像素信息修正为“0”，显示黑暗，新图像素信息值相加结果为“2”的像素信息修正为“1”，显示白亮，修正完成后对新图白亮集料区域进行膨胀处理，删除集料内部的沥青胶浆孔洞。(2)取并腐蚀处理，按采集顺序将二值化断层图像导入Matlab中，参考图4、图5和图12，将两张连续的二值化断层图像中相同位置的像素信息值相加，相加结果按照像素位置导入到与原断层图像等像素大小的空白新图中，该空白新图的标号为原相邻两断层图像的较小值，新图像素信息值相加结果为“0”的像素信息不变，显示黑暗，新图像素信息值相加结果为“1”的像素信息不变，显示白亮，新图像素信息值相加结果为“2”的像素信息修正为“1”，显示白亮，修正完成后对新图白亮集料区域进行腐蚀处理，删除集料内部的沥青胶浆孔洞，按照顺序完成后续相邻断层图像相似化拟合处理，并生成新图，新图按顺序排列构成新断层二值图像图集1；

第七步，基于体绘制技术对得到的新图集1进行三维重建获得圆柱体模型1；

第八步，参考图10，对得到的圆柱体模型1沿任意径向进行断层图像重生成，经二值化处理得到断层二值图像2；

第九步，对重生成得到的断层二值图像2重复第五步-第八步，生成新断层二值图像；

第十步，对得到的断层二值图像采用体绘制技术完成圆柱体沥青混凝土试件.stl模型的三维重建。

本发明的创新点和优势为：

1、引入了高像素化插值处理和像素还原处理，扩大了形态学膨胀腐蚀处理过程中核函数算子的选取范围，且减小形态学膨胀腐蚀处理对原图像集料形状的改变和集料损失，同时保证运算量合理。

2、引入了基于Gauss算法的图片滤波平滑处理，该方法可锐化集料-胶浆的边界，提高后续形态学膨胀腐蚀处理和二值化处理的分界效果。

3、采用了基于环状切割的形态学处理方法，确定图片中心A后，采用环状分割法将单张断层图像自A点由内向外分成1个圆形区域和若干个圆环区域，分区域进行形态学处理再组装还原，完成单张断层图像的形态学处理，该方法可有效降低CT扫描时单张断层图像曝光度不均匀对处理结果精准度造成的影响。

4、提出了相邻断层图像相似化拟合处理，该方法建立了相邻断层图像沿采集方向的层间联系，可通过层间对比的方法有效清除集料间的错误粘连、错误孔洞和片状骨料，该处理方法可按照处理顺序和处理方式分为四个基本类：分别是自上而下取交膨胀、自上而下取并腐蚀、自下而上取交膨胀和自下而上取并腐蚀。