基于Photoshop和Matlab的软粘土扫描电镜图像处理

基于Photoshop和Matlab的软粘土扫描电镜图像处理王玉平;曾志强
【摘要】利用将图像处理软件photoshop和matlab结合起来进行数据处理扫描电镜图像的新技术,给出了实现图像处理的程序代码和图像处理前后的可视化效果对比,提出了有关描述粘性土微观结构的定量信息.结果表明:这种方法能较为全面地分析粘性土劈裂注浆后孔隙形态及组合特征,包括孔隙的面积、周长、数量等关系,为粘性土微观结构定量研究提供了参考.
【期刊名称】《宜宾学院学报》
【年(卷),期】2013(013)006
【总页数】4页(P91-94)
【关键词】图像处理;灰度直方图;微观结构
【作者】王玉平;曾志强
【作者单位】宜宾学院矿业与安全工程学院,四川宜宾644007;宜宾学院物理与电子工程学院,四川宜宾644007
【正文语种】中文
【中图分类】TU411.92
土体微观结构是土体的一个重要质量指标，它一方面反映了土体的形成条件，另一方面又是决定土体物理、力学及其它工程性质的一个重要因素.软粘土劈裂注浆是目前应用较广的一种软弱土层加固方法，劈裂注浆法加固软土地基，特别在场地狭
窄、地形条件复杂的情况下，运用轻便的施工机械，可以起到施工方便、快速、经济节约的效果［1］.图像处理在Matlab中的应用是由一系列支持图像处理的操作函数组成，如:几何操作、区域操作、块操作、滤波、变换、图像分割、边缘提取、图像增强等，为了便于应用，在该软件中形成图像处理工具包，工具包包括的函数有很多:图像显示、图像文件输入与输出、图像分析与增强、图像变换、图像类型
转换等等，使用者可以根据自己的需要自行编写函数［2］.本文对四川省绵阳地区的软粘土室内劈裂注浆试验微观结构的SEM图像，借助Photoshop和Matlab
软件处理微观结构SEM图像，获得孔隙微观结构定量信息以及相应的图表分析，通过实验和分析，确定了孔隙分布变化规律，为深入研究劈裂注浆与微观结构变化之间的定量关系提供了一条可行的途径.该法不仅具有应用广泛的特点，同时还能
大大降低研究成本.
1 扫描图处理具体步骤
(1)用Photoshop处理图像，提取边缘空隙.Photoshop是美国Adobe公司于20世纪80年代末期发布的具有强大功能的图像编辑处理软件，它以其强大的图像设计及处理的功能，用户界面友好，操作界面简单，深受用户的青睐.本文将软粘土
劈裂注浆前后的扫描电镜图像在photoshop软件中直接打开［3］，打开后如图
1所示，利用photoshop对扫描电镜图片的灰度值进行处理，把颗粒和孔隙区分开，其中黑色部分且不含灰白色斑点的部分为空隙.在photoshop中选取“图像”＞“调整”＞“色调均化”命令重新分布图像中像素的亮度值，最暗的值表示黑色，最亮的值表示白色，再操作菜单“图像”＞“模式”＞“灰度”，图像转换为0～255级的灰度图像，便于识别出孔隙，然后使用“信息”调板标识出孔隙的灰度值，然后选取“滤镜”＞“风格化”＞“等高线”，在“色阶”栏，输入阈值，本文通过不同色阶值反复试验后，最后取50找出图像中孔隙边缘，图1处理结果如图2所示.
(2)图像二值分割［4］
二值分割就是把图像分成只有两种颜色(一般用黑白)的图像.通常在进行孔隙面积处理时要利用该方法把孔隙和颗粒分开，然后让软件自动计算微孔隙参数.对软粘土的SEM图像二值分割(图3).白色为孔隙，黑色为固体颗粒.
(3)用Matlab软件进行处理图像，进行灰度直方均衡化，并统计出孔隙的相关参数，Matlab提供有Gamma校正，中值滤波，直方图均衡等图像增强处理方法，在对图像进行均衡化之前，首先对图像进行增强，即质量进行改善，强化图像的某些部分.如:强化孔隙边缘，使图像中颗粒轮廓清晰，更加明显，其目的是提高图像的可读度.从数学上来说，图像直方图是图像各灰度值统计特性与图像灰度值的函数，它统计一幅图像中各个灰度级出现的概率，而图像增强的目的是提高图像的可读度.Matlab提供了专门绘制直方图的函数imhist()、直方图函数histeq()、调整对比度函数madjust()，本文将原状土样的SEM图进行直方图均衡化处理.程序和图像如下:
i=imread(‘clay.tif’);
j=imadjust(i，［0/255 120/255］，［］);
k=histeq(i)
subplot(1，2，1)，imshow(i)，title(“原图像”)
subplot(1，2，2)，imshow(j)，title(“直方图均衡化后图像”)
figure，subplot(1，2，1)，imhist(i，64)，tide(“原图形对应直方图”) figure，subplot(1，2，2)，imhist(j，64)，tide(“均衡化后对应直方图”)
图3 软粘土的SEM图像分割为二值图像(1800×)Fig.3 Binary image of SEM images of soft clay(magnification 1800)
图4为直方图均衡化预处理前后比较，采用直方图均衡化可使图像的细节清晰度
达到增强的效果.最后用bwlabel和regionprops［5］两个函数对二值化图像后
的孔隙进行参数统计，由这些参数值［6］可以获得孔隙的总面积、孔隙率、总周长、平均面积、平均周长等参数，分析结果见表1.
图4 直方图均衡化后图像Fig.4 histogram － equalized image
表1 土样形貌分析结果Table 1 Morphology of soil sample analysis results土样相对面积(孔隙)/%总面积/μm2总周长/μm2 孔隙数目平均面积/μm2平均周
长/μm2平均孔径/μm2 17.85 15735.80 3512.5 1657 9.5 2.12 0.287 22.28 19641.32 2998.6 1103 17.8 2.72 0.979初始注浆 18.24 16085.63 3285.8 1452 11.1 2.26 0.439注浆完成原状土
直方图均衡化处理的图像是从比较集中的灰度范围内的均匀分布，是多种处理技术的基础，该操作能够有效运用于图像的增强，提供一些有利于研究的图像统计信息，用直方图分析粘性土劈裂注浆前后的孔隙形态特征变化，比较直观地看出孔隙特征的分布状态，便于判断孔隙总体分布情况以及注浆效果.从表1得到的数据，可以
进行粘性土微观结构的定量研究，为后面的粘性土微观结构研究提供参考数据，软粘土随着劈裂注浆的进行，原来的大的絮凝结构逐渐破坏，孔隙被浆液充填，粒间距离减小甚至出现重叠现象，结果造成土体断面内孔隙数目不断增多，总孔隙面积减小，而单个孔隙再减小，大孔径的孔隙逐渐减小，小孔径孔隙数目增多，部分小孔隙可能超出图像分辨率而无法识别，沿着注浆断面，有集中于平均孔径的趋势，孔隙也变得圆滑，但仍具有各向异性.
2 结论
根据绵阳某地区的软粘土进行劈裂注浆前后的扫描电镜图片进行定量分析，从扫描电镜微观结构变化图像可以看出，浆液在土体中形成浆脉骨架，同时具有渗透、充填和压密效应.扫描电镜的出现加速了土的微观结构的研究，使微观结构研究从定
性到定量有了突破性的进展，而图像处理技术的应用使土的微观结构研究更上了一
个台阶，但是目前土体微观结构定量测试技术大多比较昂贵，本文提出的将Photoshop、matlab两个通用软件相结合进行扫描电镜图像数据处理的方法，可以比较全面地分析粘性土劈裂注浆前后的颗粒形态及孔隙特征，包括孔隙的总面积、孔隙率、总周长、平均面积、平均周长等参数，采用直方图均衡化可使图像的细节清晰达到增强目的，为粘性土微观结构定量研究提供了参考依据，同时大大降低分析研究成本.由此可以看出，图像处理技术中使用软件可以大大提高实验效率，降
低使用专业仪器和分析软件的成本.
参考文献:
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