不同混凝土路面防眩光能力测试及分析

潘太宗+苏其鹏

摘 要：采用MATLAB图像处理技术，测试不同路面表面图像灰度值，从而对不同路面反光性能进行研究，试验结果表明：沥青路面与聚合物改性混凝土路面防眩光能力最好；多孔混凝土路面与露石路面因较大的孔隙和粗糙的集料表面，其防眩光能力也较好；拉毛路面表面纹理较差，其防眩光能力也较差。

关键词：路面；反光特性；MATLAB；图像处理；灰度值

1 概述

随着公路建设的快速发展，人们对道路行驶的舒适性要求也越来越高，高抗滑、低噪声以及高防眩的路面形式已成为我国公路的发展趋势[1]。路面的反光是指入射到路面表面上的光线，一部分被路面所反射（包括镜面反射和漫反射），另一部分则被路面吸收，被反射的这部分光（一般为镜面反射）到达观察者的眼睛，会产生明亮的感觉，如水泥混凝土路面，当夏天强光照射时，会使人感觉到严重的不舒适感，此外，光线更易在白色路面上反射，会发生强烈的反射现象，当路面表面反光能力较强或路面防眩光能力较差时，会使司机视觉不舒服或视觉机能及视觉降低，严重时可直接影响车辆行驶，甚至引发惨重的交通事故，尤其在夜间或雨天行车，为保证行车安全，对路面防眩光性能要求更高[2]。路面防眩光能力对公路行驶舒适性起到重要的作用，而鲜有文献对路面反光能力及其测试方法进行研究，文献[3]自主发明路面反光测试仪，采用该方法可对路面反光能力进行测试；文献[2]对露石路面光的散射系数进行测试，研究了露石路面具有一定的防眩光能力。

采用MATLAB图像处理技术，提出路面反光能力测试方法，对不同路面反光性能进行试验研究，对提高路面设计和修筑技术水平，提高其路用性能，降低路面放光能力有一定的指导意义。

2 测试方法及原理

2.1 测试原理

像素是用来计算数码图像的一种单位，数码图像也具有连续性的浓淡色调，我们若把数字图像放大至数倍，明显可以看出图像是由诸多小方块组成，而在邻近区域，这些小方块的颜色相近，图像的最小单位就是这些小方块，通常被称之为像素。当图像被设置成黑白图像后，图像只表现为亮度上的差别，即图像亮度的深浅，黑白图像也称灰度图像，灰度图像的中像素的颜色深度，可用数量级来表示，其范围为0～255，其中白色为255，黑色为0[4]。而一幅图像的像素值是一定的，构成影像的最小单位“像素”的灰度值不同，通过求得所有像素点的灰度值大小并求和，可以得到图像总的灰度值大小或平均灰度值。当光源管线照射在路面后，会形成一系列反射光线，白色路面和路面文理单一的路面，其反射光线更强烈，在本研究，采用感光元件接收经路面反射后的光线，并形成数字图像，将数字图像处理为灰度图像，通过测试该数字图像的灰度值均值，便可求得路面的反光程度，其中，灰度值越大，表明路面的反光能力越强，灰度值越小，则反光度就越小，路面具有较好的遮光特性。基于此，可以评价路面的防眩光能力，即通过拍摄路面表面的色彩照片，然后转换为灰度图像，通过统计相同尺寸大小的不同路面灰度图像灰度值之和或灰度值均值，从而对比各路面类型的反光性能。

2.2 路面图像拍摄

采用高清数码相机，拍摄路面表面图像，照片在拍摄过程中应使镜头离路面的高度保持一致（20cm左右），同时数码相机机身应与路面表面保持水平，为达到以上要求，采用专门订做的钢铁架（如图1所示）用于固定相机，所有路面在拍摄过程中应保持路面四周光强不变，从而保证路面在相同光照条件下拍摄路面图像。

2.3 数据处理

MATLAB是MathWorks公司推出的具有强大功能的科学及数值计算软件，它将矩阵运算、数值分析、编程技术以及图形处理等功能集合于一体，不但具有以矩阵与数值计算为基础的强大数学计算和分析功能，而且还具有丰富的可视化图形处理工具和简易的程序设计能力[4-5]，从而成为具有全部高级语言功能的新一代软件开发平台，深受使用者欢迎。

选用MATLAB软件来进行图像灰度值大小计算，直接调用MATLAB内部函数，程序如下：

I=imread（'D：＼shiyan＼沥青路面1.jpg'）；%读入图像

I1=rgb2gray（I）；%将色差图像转化为灰度图像

mean2（I1） %求灰度图像灰度平均值

std2（I1） %求灰度图像灰度方差

3 测试结果及分析

选取六种不同类型路面进行测试，包括AC-13沥青路面、多孔水泥混凝土路面、露石水泥混凝土路面、拉毛以及聚合物改性水泥混凝土路面，各路面具体纹理构造见表1。

采用数码相机拍摄各测试路面图像，图像局部如图1所示。

将色彩图像转化为灰度图像，然后采用前述MATLAB程序计算其灰度均值和灰度方差。测试结果如图2所示。

由测试结果可知：沥青路面的反光率最低，且其对光的分散能力也越强（灰度值标准差最高）这是因为沥青路面不仅具有丰富的路面表观纹理，路面存在一定的孔隙，从而有效吸收和分散光的照射，同时路面因其本身为黑色路面，能够吸收光线，故其具有很好的路面遮光性能，同时该结论也验证了沥青路面的行车舒适性高于普通水泥混凝土路面的观点，即车辆长时间的行驶不会使司机产生视觉疲劳，从而提高行驶安全性。

由于聚合物改性水泥混凝土（PCC）路面存在水性炭黑色浆，可以使路面“染成黑色”，因黑色对光的吸收较强，故其防眩光能力也较强，但其表面纹理较沥青路面差，路面灰度值變异性较小，对光的分散能力较差。

多孔混凝土路面因具有丰富的表面宏观构造，同时均有一定的孔隙，对光具有较强的吸收和分散作用，因此其防眩光能力也较好；同时多孔混凝土集料粒径的大小对路面反光能力影响显著，测试结果表明，粒径越大，路面孔隙率越高，路面防眩光能力越强，且其对光的分散作用也最好，多孔-16的反光能力较多孔-10提高了8%。

露石混凝土路面在施工过程中，主要是除去表层砂浆，露出粗集料颗粒，形成丰富的路面表面纹理，当光照射在其上面时，可分散照射光线，使人接收到的光线很少，从而具有优良的路面遮光特性，降低水泥混凝土路面高反光特性给行车安全带来的隐患，较普通水泥混凝土路面（拉毛）相比，露石路面可提高防眩光能力9%。

所有路面防眩光能力为：沥青混凝土路面>聚合物改性混凝土路面>多孔-16>露石混凝土路面>多孔-10>拉毛混凝土路面。

4 结束语

（1）采用MATLAB图像处理技术，通过统计图像灰度值来表征路面反光大小，从而准确测量路面的防眩光能力。

（2）通过对路面反光能力进行测试，沥青路面和聚合物改性混凝土路面因其黑色特性而路面防眩光能力最好；多孔混凝土路面因含较大孔隙率能够较好地吸收入射光线，其防眩光能力也较好；露石路面因表面露出粗糙集料表面，对光线有很好的分散作用，从而具有优良的路面防眩光能力；拉毛路面防眩光能力最差，是典型的“白色”路面，易造成视觉疲劳，影响行车舒适性与安全性。

参考文献

[1]傅智，李红.我国水泥混凝土路面30年建设成就与展望[J].公路交通科技，2008，25（12）：21-27.

[2]韩森.露石混凝土路面研究[D].西安：长安大学，2006.

[3]李波，康宏伟，杨小龙，等.路面反光测试仪[P].中国：CN203231970U，2013-10-09.

[4]罗军辉，冯平，哈力旦·A，等.MATLAB7.0在图像处理中的应用[M].北京：机械工业出版社，2005.6：1-31.

[5]刘卫国.MATLAB程序设计教程[M].第二版.北京：中国水利水电出版社，2010，2：56-79.