一种混凝土细观结构模型三维重建方法技术

本发明专利技术属于混凝土模型重建技术领域，涉及一种混凝土细观结构模型三维重建方法，通过精密螺丝控制混凝土剖面打磨间距，采用重复进行混凝土打磨和拍照的方式获取较小层间距的连续剖面图像，使得在三维模型重建时的图像层间差值运算量减少，在连续剖面图像获取时考虑了剖面图像在Z轴方向的对准，获取的连续剖面图像具有较高的校准度，为混凝土各相材料及其界面层的数值模拟研究提供模型基础，提取的不同相拟合程度高，建立的三维数值模型精准度高；其原理科学可靠，连续剖面图像获取方法简单可行、性价比高，建立的混凝土细观结构三维模型较CT扫描图像建立的模型所受图像干扰少，能够真实地反映出混凝土内部结构特征和各相结构分布情况。

A 3D reconstruction method for concrete meso structure model

The present invention belongs to the technical field of concrete model reconstruction, which involves a three-dimensional reconstruction method of the concrete meso structure model. Through the precision screw controlling the distance of the concrete section, the continuous section image of the smaller layer spacing is obtained by repeated concrete grinding and photographing, so as to make the reconstruction of the 3D model. The calculation of the difference between layers is reduced. The alignment of the section image in the direction of the Z axis is considered in the continuous section image acquisition. The continuous section image obtained has high calibration degree. It provides the model basis for the numerical simulation of each phase of the concrete and its interface layer, and the extracted different phase fitting degree is high and the three-dimensional number is established. The precision of the value model is high, its principle is scientific and reliable, the method of obtaining the continuous section image is simple and feasible, and the performance price ratio is high. The three-dimensional model of concrete meso structure is less interference than the model of the CT scan image. It can truly reflect the characteristics of the internal structure of the concrete and the distribution of each phase.

【技术实现步骤摘要】
一种混凝土细观结构模型三维重建方法
：本专利技术属于混凝土模型重建
，涉及一种混凝土细观结构模型三维重建方法，能够快速准确的获取多相材料小间距连续剖面图像。
技术介绍
：混凝土(简称为砼)是指由胶凝材料将骨料胶结成整体的工程复合材料的统称，混凝土是由粗骨料、细骨料、水泥水化物、未水化水泥颗粒、孔隙及裂纹等组成的非均质复合材料；与水(可含外加剂和掺合料)按一定比例配合，经搅拌而得的水泥混凝土，也称普通混凝土，广泛应用于土木工程，在土木工程中常将混凝土视为宏观、均质、各向同性的材料，这种宏观假定理论能够解决部分具体问题，但是没有考虑混凝土材料的细观组成和物理力学性能的复杂性。目前，混凝土细观结构模型三维重建的方法有很多：参考文献一(MorganIL，EllingerH，KlinksiekR，etal.Examinationofconcretebycomputerizedtomography[J].ACIJournal，1980，77(1)；23-27)首次公开了采用医用CT对混凝土小试件进行CT扫描，获得骨料、砂浆、裂纹清晰的混凝土断面图；参考文献二(StockSR，NaikNK，WilkinsonAP，etal.X_raymicrotomographyoftheprogressionofsulfateattactofcementpaste[J].cementandConcreteResearch，2002，32(10)：1673-1675)公开了采用X射线CT方法研究硫酸对水泥砂浆的腐蚀作用；参考文献三(姜袁，柏巍，戚永乐，王乾峰.基于CT扫描数据的混凝土细观结构的三维重建[J].三峡大学学报(自然科学版)，2008，(01)：52-55.)提出了通过CT技术获取的最初信息的DICOM格式图像，完成了混凝土结构的三维重建，比价理想的反映出混凝土内部结构的复杂特征；参考文献四(苏盛，沈德建，吕维波.三维重建技术在全级配混凝土骨料随机分布中的研究与应用[J].江西科学，2007，25(5)：522-525，531)分别介绍了基于表面和基于体数据的三维重建方法，建立了接近现实的混凝土骨料模型，从而为研究混凝土内部骨料特征对其各项性能的影响奠定了基石；参考文献五(田威，党发宁，陈厚群.混凝土CT图像的3维重建技术[J].四川大学学报(工程科学版)，2010，42(06)：12-16.)公开了利用三维图像处理软件MIMICS实现了对混凝土结构的三维重建，同时利用ANSYS软件对得到的重建模型进行分析计算，得到了比较理想的效果；参考文献六(梁丽敏，余红发，潘浙锋.基于真实细观结构的多孔混凝土三维重建[J].河海大学学报(自然科学版)，2010，38(04)：424-427.)公开了采用切片的方法对多孔混凝土进行等间隔切-片，然后根据切片的序列图像采用MATLAB软件对多孔混凝土进行三维重建；综合现有技术和以上文献公开的混凝土细观结构的研究发现，在混凝土细观结构的三维重建过程中，利用数学模拟的方法较多，利用实验实测的方法较少；进行集料的模拟随机投放的方法较多，基于真实混凝土结构模拟的方法较少；利用体视学原理将集料平面分布推广到三维形态分布可能与实际不符，数字图像分析技术中，图像间隔较大，空间分辨率较低；现有技术的三维重建中，主要是对混凝土整体进行重建并直接进行数值分析，混凝土的匀质性假设较多，非匀质性模拟较少，没有对多相的混凝土各相材质进行区分，所以混凝土的细观数值模拟与混凝土实际细观结构有很大的区别。近年来，随着CT扫描技术的应用与不断发展，CT扫描技术能够应用于内部结构的无损检测，利用CT扫描技术还能够获取的序列图像实现混凝土结构的三维重建，从而可以更加直接、准确地得到混凝土内部各组分的分布以及气泡分布、裂纹的扩展贯通情况；CT扫描技术极大地推动了三维重建技术的发展，基于CT切片扫描获得的三维重建模型能够更加真实的反映物体内部结构形态，通过CT扫描技术进行细观数值模拟研究已成为一项重要的研究课题。但是CT扫描序列图像进行重建的三维模型方法也存在不足：一是CT扫描图像是将选定层面分成若干体素，然后经矩阵转换重组而成的图像，这种重建图像丢失了大量的信息；二是CT扫描每层具有一定的厚度，厚度内可能包括不同密度的物质，每一像素的CT值实际代表单位体积内各物质的CT值的平均数，而不是其真实值，即部分容积效应，导致了与扫描层相垂直的两种不同物质的CT值不能被准确测知，进而不能进行准确的图像分割；三是CT扫描图像易受噪声和伪影的影响从而降低图像质量；四是CT扫描技术进行三维重建需要采用与设备配套的专用软件，在进行混凝土3D细观结构模型建立时，形成多相和多尺度的三维模型都需要进行压缩和插值处理，且CT设备价格昂贵，三维重建过程缺乏灵活性。所以，CT扫描技术对于真实混凝土细观结构的三维重建存在一定局限性。基于以上不足，研发设计一种混凝土细观结构模型三维重建方法，精确和便捷的取得连续混凝土剖面图像，并针对序列图像重新建立真实的各相结构模型，用于分析和研究混凝土的细观结构，具有社会价值和经济效益。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于克服目前三维重建技术中CT扫描图像受伪影或噪声等因素干扰致使混凝土材料不同相地提取误差较大的问题，提供一种基于真彩色混凝土剖面图像进行混凝土材料各相提取和三维重建的方法。为了实现上述目的，本专利技术涉及的混凝土细观结构模型三维重建方法的具体工艺过程包括获取混凝土试件连续剖面图像、标准化处理连续剖面图像、连续剖面图像阈值分割、绘制面网格模型和转换面网格模型共五个步骤：(一)获取混凝土试件连续剖面图像：将磨削刀具与脆性材料剖面磨削箱室固定连接，把预制的混凝土试件装设并固定在脆性材料剖面磨削箱室的试件夹持机构上，混凝土试件跟随试件夹持箱门旋转，试件夹持箱门的最大旋转角度为90°，混凝土试件截面中心距地面高度为H1；将固定在三脚架上的数码相机的镜头高度调整为H1使其与混凝土试件的截面中心点在同一条直线上，将相机镜头与混凝土试件截面的水平直线距离调整为H2；开启磨削刀具对混凝土试件进行打磨，通过磨削刀具的精密螺丝的旋转周数控制混凝土试件剖面的打磨厚度和间距，精密螺丝的螺纹间距为1mm，精密螺丝旋转一周磨头的打磨进深间距为1mm；每层剖面打磨完成后进行截面拍照，以相同的拍照参数重复打磨-拍照过程，获取设定数量n的混凝土试件连续剖面图像；(二)标准化处理连续剖面图像：采用基于点映射的几何配准方法，对连续剖面图像进行三锚点配准，由于混凝土试件分层打磨时，拍摄的每一层剖面图像不能保证在层间配准，由于图像拍摄时受到各种因素的影响，如摄像机的角度、距离和方向、物体位置的移动以及其他因素，导致图像出现误差，需要对图像进行配准，选取试件夹持机构上靠近多相材料试件的三个控制点作为基准点，三个基准点不在一条直线上，连续剖面图像成像时，每个剖面图像都包含这三个基准点，选择其中一幅标准图像作为基准图像，其余剖面图像为待配准图像，标准图像是连续剖面图像中的角度、距离、方向和物体位置均符合设定要求的图像，图像配准是寻求待配准图像和标准图像间一对一的映射的过程，是将两幅图像中对应于空间同一位置的点联系起来，待配准图像中的三个控制点与基准图像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混凝土细观结构模型三维重建方法，其特征在于具体工艺过程包括获取混凝土试件连续剖面图像、标准化处理连续剖面图像、连续剖面图像阈值分割、绘制面网格模型和转换面网格模型共五个步骤：(一)获取混凝土试件连续剖面图像：将磨削刀具与脆性材料剖面磨削箱室固定连接，把预制的混凝土试件装设并固定在脆性材料剖面磨削箱室的试件夹持机构上，混凝土试件跟随试件夹持箱门旋转，试件夹持箱门的最大旋转角度为90°，混凝土试件截面中心距地面高度为H1；将固定在三脚架上的数码相机的镜头高度调整为H1使其与混凝土试件的截面中心点在同一条直线上，将相机镜头与混凝土试件截面的水平直线距离调整为H2；开启磨削刀具对混凝土试件进行打磨，通过磨削刀具的精密螺丝的旋转周数控制混凝土试件剖面的打磨厚度和间距，精密螺丝的螺纹间距为1mm，精密螺丝旋转一周磨头的打磨进深间距为1mm；每层剖面打磨完成后进行截面拍照，以相同的拍照参数重复打磨—拍照过程，获取设定数量n的混凝土试件连续剖面图像；(二)标准化处理连续剖面图像：采用基于点映射的几何配准方法，对连续剖面图像进行三锚点配准，由于混凝土试件分层打磨时，拍摄的每一层剖面图像不能保证在层间配准，由于图像拍摄时受到各种因素的影响，如摄像机的角度、距离和方向、物体位置的移动以及其他因素，导致图像出现误差，需要对图像进行配准，选取试件夹持机构上靠近多相材料试件的三个控制点作为基准点，三个基准点不在一条直线上，连续剖面图像成像时，每个剖面图像都包含这三个基准点，选择其中一幅标准图像作为基准图像，其余剖面图像为待配准图像，标准图像是连续剖面图像中的角度、距离、方向和物体位置均符合设定要求的图像，图像配准是寻求待配准图像和标准图像间一对一的映射的过程，是将两幅图像中对应于空间同一位置的点联系起来，待配准图像中的三个控制点与基准图像中的三个基准点应重合，根据控制点的位置来推算空间映射的关系，再用空间映射的关系对待配准图像进行几何变换，在MATLAB中，使用cpselect函数交互工具对连续剖面图像进行Z轴方向的配准，获得配准结果；拍摄时包含了不属于混凝土试件剖面图像的锚点，利用Photoshop、image proplus对配准后的连续剖面图像进行统一的图像剪裁，裁剪掉连续剖面图像周围包括锚点的无用区域，保留需要分析的混凝土试件打磨区域的连续剖面图像并将连续剖面图像调整为相同尺寸；将连续剖面图像输入Mimics三维重建软件中对真彩色连续剖面图像进行灰度转化处理，得到的连续剖面图像中不同相的图像灰度具有不同的阈值范围；(三)连续剖面图像阈值分割：调整连续剖面图像的阈值，通过Mimics软件的Thresholds功能进行反复调试确定各相部分最为合适的阈值范围，根据连续剖面图像的阈值范围进行连续剖面图像分割以提取混凝土材料的各相部分，不同阈值范围内的相保存为不同的二值蒙板，并以不同的伪彩色表示不同的二值蒙板，其中选取孔隙阈值范围为0‑88，胶凝材料部分阈值范围为88‑134，骨料部分灰度为134‑228，分别绘制各相结构和以及三相结构的蒙板拟合图，连续剖面图像中每幅图像之间相同相的阈值保存为相同的蒙板，对于剖面图像中胶凝材料和骨料灰度值交叉的部分，通过Mimics蒙板编辑功能对阈值分割后的蒙板进行手动编辑分割；(四)绘制面网格模型：对三相结构的蒙板拟合图进行三维重建获得三相结构的轮廓，不同相分别生成不同的面网格模型，不同相的模型重建是基于Mimics三维重建软件中的marching cubes算法进行的面重建，marching cubes算法的原理在于假定将某一断层放在三维坐标系中，观察未知物体轮廓上点P的三维坐标，点P在X轴和Y轴的坐标值(x，y)由点P在水平断面上的位置确定，点P在Z轴的坐标值z由断面间距d及剖面序列顺序ni的乘积确定，即z＝ni×d，marching cubes算法是基于三角面片几何图元表示的表面绘制，marching cubes算法面网格模型绘制原理如下；1、假设原始数据是离散的三维空间规则数据场，2、设定所需等值面的阈值，等值面表示为{(x，y，z)|f(x，y，z)＝c},其中c为常数，3、利用marching cubes算法在体数据场中提取等值面，4、处理体数据场中体元，将与等值面相交体元进行分类，5、利用线性插值算法计算构造三角面片并求出三角形各顶点法向量，三角形各顶点法向量计算由顶点所在棱边两个顶点梯度经线性插值所得，假设三维数据场某点函数值用f(x，y，z)表示，在x，y，z方向上相邻两点的间距分别为Δx,Δy,Δz，则该点的梯度矢量(gx,gy,gz)用下式计算：...

【技术特征摘要】
1.一种混凝土细观结构模型三维重建方法，其特征在于具体工艺过程包括获取混凝土试件连续剖面图像、标准化处理连续剖面图像、连续剖面图像阈值分割、绘制面网格模型和转换面网格模型共五个步骤：(一)获取混凝土试件连续剖面图像：将磨削刀具与脆性材料剖面磨削箱室固定连接，把预制的混凝土试件装设并固定在脆性材料剖面磨削箱室的试件夹持机构上，混凝土试件跟随试件夹持箱门旋转，试件夹持箱门的最大旋转角度为90°，混凝土试件截面中心距地面高度为H1；将固定在三脚架上的数码相机的镜头高度调整为H1使其与混凝土试件的截面中心点在同一条直线上，将相机镜头与混凝土试件截面的水平直线距离调整为H2；开启磨削刀具对混凝土试件进行打磨，通过磨削刀具的精密螺丝的旋转周数控制混凝土试件剖面的打磨厚度和间距，精密螺丝的螺纹间距为1mm，精密螺丝旋转一周磨头的打磨进深间距为1mm；每层剖面打磨完成后进行截面拍照，以相同的拍照参数重复打磨—拍照过程，获取设定数量n的混凝土试件连续剖面图像；(二)标准化处理连续剖面图像：采用基于点映射的几何配准方法，对连续剖面图像进行三锚点配准，由于混凝土试件分层打磨时，拍摄的每一层剖面图像不能保证在层间配准，由于图像拍摄时受到各种因素的影响，如摄像机的角度、距离和方向、物体位置的移动以及其他因素，导致图像出现误差，需要对图像进行配准，选取试件夹持机构上靠近多相材料试件的三个控制点作为基准点，三个基准点不在一条直线上，连续剖面图像成像时，每个剖面图像都包含这三个基准点，选择其中一幅标准图像作为基准图像，其余剖面图像为待配准图像，标准图像是连续剖面图像中的角度、距离、方向和物体位置均符合设定要求的图像，图像配准是寻求待配准图像和标准图像间一对一的映射的过程，是将两幅图像中对应于空间同一位置的点联系起来，待配准图像中的三个控制点与基准图像中的三个基准点应重合，根据控制点的位置来推算空间映射的关系，再用空间映射的关系对待配准图像进行几何变换，在MATLAB中，使用cpselect函数交互工具对连续剖面图像进行Z轴方向的配准，获得配准结果；拍摄时包含了不属于混凝土试件剖面图像的锚点，利用Photoshop、imageproplus对配准后的连续剖面图像进行统一的图像剪裁，裁剪掉连续剖面图像周围包括锚点的无用区域，保留需要分析的混凝土试件打磨区域的连续剖面图像并将连续剖面图像调整为相同尺寸；将连续剖面图像输入Mimics三维重建软件中对真彩色连续剖面图像进行灰度转化处理，得到的连续剖面图像中不同相的图像灰度具有不同的阈值范围；(三)连续剖面图像阈值分割：调整连续剖面图像的阈值，通过Mimics软件的Thresholds功能进行反复调试确定各相部分最为合适的阈值范围，根据连续剖面图像的阈值范围进行连续剖面图像分割以提取混凝土材料的各相部分，不同阈值范围内的相保存为不同的二值蒙板，并以不同的伪彩色表示不同的二值蒙板，其中选取孔隙阈值范围为0-88，胶凝材料部分阈值范围为88-134，骨料部分灰度为134-228，分别绘制各相结构和以及三相结构的蒙板拟合图，连续剖面图像中每幅图像之间相同相的阈值保存为相同的蒙板，对于剖面图像中胶凝材料和骨料灰度值交叉的部分，通过Mimics蒙板编辑功能对阈值分割后的蒙板进行手动编辑分割；(四)绘制面网格模型：对三相结构的蒙板拟合图进行三维重建获得三相结构的轮廓，不同相分别生成不同的面网格模型，不同相的模型重建是基于Mimics三维重建软件中的marchingcubes算法进行的面重建，marchingcubes算法的原理在于假定将某一断层放在三维坐标系中，观察未知物体轮廓上点P的三维坐标，点P在X轴和Y轴的坐标值(x，y)由点P在水平断面上的位置确定，点P在Z轴的坐标值z由断面间距d及剖面序列顺序ni的乘积确定，即z＝ni×d，marchingcubes算法是基于三角面片几何图元表示的表面绘制，marchingcubes算法面网格模型绘制原理如下；1、假设原始数据是离散的三维空间规则数据场，2、设定所需等值面的阈值，等值面表示为{(x，y，z)|f(x，y，z)＝c},其中c为常数，3、利用marchingcubes算法在体数据场中提取等值面，4、处理体数据场中体元，将与等值面相交体元进行分类，5、利用线性插值算法计算构造三角面片并求出三角形各顶点法向量，三角形各顶点法向量计算由顶点所在棱边两个顶点梯度经线性插值所得，假设三维数据场某点函数值用f(x，y，z)表示，在x，y，z方向上相邻两点的间距分别为Δx,Δy,Δz，则该点的梯度矢量(gx,gy,gz)用下式计算：6、根据各三角面片顶点坐标值及其法向量绘制面网格模型；(五)转换面网格模型：将步骤(四)绘制的面网格模型转换为体网格模型，得到混凝土试件细观结构的三维模型，对混凝土试件进行各相材料的属性赋值，实现混凝土细观结构的数值模拟研究。2.根据权利要求1所述的混凝土细观结构模型三维重建方法，其特征在于所述步骤(一)涉及的脆性材料剖面磨削箱室的主体结构包括箱体、抽屉、箱盖、试件夹持箱门、铰链机构、试件夹持机构、随动密封机构、观察箱门、合页、门锁机构、窗口和把手；内空式矩形结构的箱体的下部设置有矩形结构的抽屉，箱体的顶部设置有内凹式矩形结构的箱盖，箱体与箱盖铰接式连接，箱体的前侧面设置有矩形结构的试件夹持箱门，箱体与试件夹持箱门通过2-4个铰链机构连接，试件夹持箱门的内侧面设置有试件夹持机构，箱体的后侧面设置有随动密封机构，箱体与随动密封机构焊接式连接，箱体的左侧面设置有矩形结构的观察箱...

【专利技术属性】
技术研发人员：范宏，刘树明，赵铁军，张鹏，万小梅，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37