第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
高速公路的里程随着我国经济、科学技术的跨越式发展也随之增加。沥青路面和其它结构路面相比，有着噪音低、平整性好、行车舒适和方便养护等优点，这也就使沥青路面成为众多路面结构中的主要类型之一。目前，国内已经规划建成以及在建的高速公路的路面，大多均是沥青路面。在以后的道路工程建设路面结构选择中，选用沥青路面作为路面结构仍将是主要选择之一。但是，近年来随着我国经济高速发展随之带来的交通量和车载重量的加速增加，沥青结构路面出现了严重的损坏，如开裂、车辙、松散和水损等工程中的病害，这些损害产生的原因和沥青混合料中空隙结构的存在有着很大的关系。这就需要对沥青混合料中空隙结构与其沥青特性间的关系研究进一步加深。宏观实验是进行反复的基础性实验，研究空隙率与沥青混合料路用性能之间的关系，该方法实验周期长、任务量大，还可能导致经济损失等，而且仅用空隙率太过单一，不能完全表现出空隙细观结构与沥青结构路面路用性能之间的关系，这就要考虑从细观角度对空隙结构进行研究[1]。随着我国科技技术发展，图像处理技术和计算机图形学用于细观研究，基于此，国内外各大研究学者从细观角度出发，对沥青混合料的细观建模与分析开展了大量研究[2,3]。由于，X-ray CT 图像能够完全、无破坏的获取沥青混合料断面结构，在这些研究中，沥青混合料试件的X-ray CT 图像通常被用作模型构建的数据源[4]。
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1.2 国内外研究现状
细观结构研究是分析沥青混合料力学行为特征的重要途径和理论基础之一，从细观角度出发研究混合料的宏观力学行为逐渐成为国内外道路领域的研究热点[5-7]。下面对与本课题相关的沥青混合料的组成设计、沥青混合料 X-ray CT 图像处理技术、三维建模及空隙结构统计分析等相关的国内外研究现状进行介绍。沥青混合料由三相材质组成，分别是集料、沥青胶浆和空隙[8]，其中集料和沥青是主要部分。空隙率是混合料重要体积特征参数和组成设计的重要参数之一，其大小直接影响混合料的耐久性和稳定性[9]。空隙率过小或过大时，沥青路面会由于其塑性流动引起路面车辙。另外，沥青混合料的设计及其施工条件对其内部空隙的几何形状及分布都有着直观的影响[10,11]。
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第二章 X-ray CT 图像中空隙信息的检测与提取
2.1 数据源选择
利用数字图像处理技术开展沥青混合料细观研究的数据源有 X-ray CT 图像和数码相机拍摄的图像两类。数码相机是科技发展的产物，集合了电子技术、机械技术和光学技术一体化的产品，成功实现了图像信息的数字存储和传输，以及后续的处理。要获取指定高度的试件内部结构图像，就要把混合料试件按预先指定的位置切开，拍摄获取界面图像。数码相机拍摄的照片，以 CCD 图像为代表，是由电耦合元件获取沥青混合料试件截面信息。电耦合元件，如图 2.1（a）所示，是数码相机中的重要组成部分，把光学信号转化成数字信号，又名 CCD 图像传感器。
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2.2 CT 图像处理
如图 2.2(b)所示的 X-ray CT 图像中，我们可以看到图像中白色为集料颗粒，黑色的为空隙结构，介于两者之间的为沥青胶浆。近年来，国内外学者基于 X-rayCT 图像/CCD 图像开展了大量的沥青混合料细观研究工作；其中，图像处理技术、三维建模技术以及力学仿真试验等日趋成熟。但是在目前的图像处理方法不能有效的精确分离空隙、集料和沥青胶浆。本节总结了图像处理阶段常用的方法，并分别指出各自的优缺点，CT 图像处理分为图像预处理和图像分割两个阶段。数字图像[43]即为位图图像，以像素为基本单元。图像主要有亮度、对比度和直方图三个基本属性；亮度也称灰度，是图像中物质颜色的明暗变化；对比度是灰度的比值，反应到沥青混合料 CT 图像中就是黑、白的比值，即为黑白变化的渐变层次；若，图像中黑白变化层次越多，图像的色彩表现就越丰富；直方图用来表示包含某一灰度等级像素的数目，在图像中的表现，就是某一种的灰度出现的频率。
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第三章 沥青混合料中空隙三维模型构建...............24
3.1 三维建模技术............... 24
3.2 空隙三维几何模型构建...............26
第四章 空隙几何及分布特征统计...............33
4.1 空隙分布对混合料路用性能的影响...............33
4.2 空隙平面尺寸计算及分布研究............... 35
第五章 实例分析...............38
5.1 空隙细观结构三维重构过程...............38
5.2 空隙二维几何特征及分布 ............... 42
第五章 实例分析
5.1 空隙细观结构三维重构过程
本课题以直径为 150mm，高度为 164mm 的圆柱形沥青混合料试件扫描步长为1mm 的 X-ray CT 断面扫描图像文件组为数据源。空隙轮廓检测及空隙映射算法采用 Visual C++6.0 中的 GDI 类开发，三维建模采用 Spatial 公司的 ACIS7.0 完成。试件的空隙三维重构结果保存为“*.sat”格式文件，该文件可与大型通用有限元分析软件 ANSYS、ABQUAS 等无缝兼容。热拌沥青混合料（HMA）试件作为本课题选用的试件，HMA 试件通过Superpave 旋转压实法成型。成型参数如表 5.1 所示。空隙的体积含量分别为 12.18%。图 2.6(a)展示了试件扫描图像，扫描间隔为 1mm。
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5.2 空隙二维几何特征及分布
根据前面分析处理，由图像处理识别出的轮廓能获得空隙的数量、面积、像素数、等效直径、周长等几何特征，由三维空隙结构模型能获得空隙体积参数。对空隙二维几何特征分析其各参数的纵向分布特征，对三维体积参数分析其从中轴线到试件边缘的变化情形。等间距扫描混合料试件，获取的一系列 X-ray CT 图像，经空隙轮廓识别、统计及分析获取的可以描述二维断面图像中空隙特征的参数分为两类：一是空隙数量 n、断面空隙总像素数；二是表征空隙的几何特征：单个空隙面积、单个空隙的平均等效直径以及单个空隙的平均周长。任选一幅 CT 图像，检测出空隙的几何尺寸如表 5.4 所示。
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结论
本课题开发了基于混合料 X-ray CT 图像的空隙这类建模对象在合理建模精度下的三维几何重构方法，获得了与混合料内空隙结构的真实几何形状和空间分布高度一致的混合料空隙结构三维细观几何模型。显著提升了混合料各类路用性能预测的可靠性、便利性和效率，为进行面向混合料真实细观界面行为仿真的研究，进一步提升预测可靠性打下了基础。步骤为利用断层 CT 技术获取热拌沥青混合料（HMA）试件的一组 X-ray CT 图像，使用数字图像处理技术，对 CT 图像进行灰度分析、空隙像素预判、聚集分组、空隙轮廓识别等操作，得到各图层中的空隙轮廓，依据图像处理得到的空隙轮廓信息研究二维空间中空隙的几何尺寸和分布特征；根据空隙轮廓映射算法，建立沥青混合料中单个空隙与相应的轮廓面实体模型间的映射关系，基于曲线拟合的最小二乘法拟合出空隙轮廓的多边形边界，调用 ACIS7.0 的底层建模功能获得空隙空间结构实体模型。以上过程实现了由沥青混合料 X-ray CT 图像到三维模型的转换，其中图像处理中的空隙信息识别和空隙三维模型构建，都取得了良好的效果。
参考文献（略）
