一种场域微结构实时量化分析与多相微结构三维重构方法技术

本发明专利技术公开了一种场域微结构实时量化分析与多相微结构三维重构方法，所述方法通过在岩土试样内布置零物距微结构跟踪摄像头，可以再现土样微观结构变化，基于微结构成像技术，实现全程跟踪、动态监测与实时显示试验中土单元内部结构变化；通过实时传输端口与数字图像处理技术，可达到实时监测、显示与数据分析的效果；通过多组视觉采集设备模组的多视角监测，可实现监测对象多相微结构的三维重构，更好地反映岩土材料的真实结构特征，最终实现土壤微结构图像数据的实时采集与实时监控。该方法解决了当前岩土材料结构监测无法实时获知孔隙结构动态变化过程及三维结构的问题。孔隙结构动态变化过程及三维结构的问题。孔隙结构动态变化过程及三维结构的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种场域微结构实时量化分析与多相微结构三维重构方法


[0001]本专利技术属于岩土材料检测领域，涉及一种岩土材料微结构的量化分析方法，具体涉及一种场域微结构实时量化分析与多相微结构三维重构方法。

技术介绍

[0002]由于岩土体在形成过程中受搬运、沉积和风化等各种作用，产生复杂的物理化学反应，使得土体参数具有显著的空间变异性。虽然土层剖面内某一点的性质是确定的，但在空间结构分布上存在着不确定性。这种不确定性会影响岩土体的物理力学性质，进而引发不均匀沉降、应力集中以及基坑突涌等工程问题。
[0003]岩土材料微结构的量化分析对研究结构参数对岩土材料各项性能参数具有重要意义。目前对于岩土体微结构主要通过拍摄、扫描等方法进行观测。传统室内拍摄方法虽然通过后续图像处理可以对微结构进行量化分析，但是结果仅能体现拍摄时的单一时刻、单一视角微结构分布情况；使用CT扫描等方法由于扫描成本及采样成本方面的限制也不利于被广泛应用。以上方法不仅对土样的扰动性较大，观测精度存在误差，而且仅基于二维的分析，并没有实现三维重构与量化分析。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种场域微结构实时量化分析与多相微结构三维重构方法，该方法解决了当前岩土材料结构监测无法实时获知孔隙结构动态变化过程及三维结构的问题，通过实时获取岩土材料微结构变化进而与监测材料的各项参数性能构成联系，从三维结构的角度更符合岩土体真实变化过程。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种场域微结构实时量化分析与多相微结构三维重构方法，包括如下步骤：步骤一、拍摄图像：通过宽动态低照度视觉采集设备对监测对象不同方位进行图像拍摄，原始图像经由传输接线实时直接上传至计算机监测平台；步骤二、图像处理：对步骤一实时获取的原始图像依次进行灰度化、二值化处理，获取黑白的二值图像；步骤三、闭操作：对步骤二得到的二值图像进行轮廓填充，填补由于成像、反光引起的伪孔隙，在区分土壤颗粒与孔隙后，利用数字图像处理技术，即可实现土样相关物理参数的有效统计，获得孔隙分布直方图；步骤四、三维重构：将视觉采集设备获取的原始图像经过体积渲染和表面渲染即可实现对监测对象多相微结构的三维重构。
[0006]相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：本专利技术可以再现土样微观结构变化，实现全程跟踪、动态监测与实时显示试验中土单元内部结构变化，更好地反映岩土材料的真实结构特征，最终实现土壤微结构图像数据的实时采集与实时监控，为岩土材料微结构监测及影响研究提供技术支撑。
附图说明
[0007]图1为岩土体微结构量化分析流程图；图2为某冻土土样微结构拍摄图像及微结构量化分析过程，a为原始拍摄图像，b为灰度化处理后的图像，c为二值化后的图像，d为轮廓填充后的图像，e为外接轮廓后的图像；图3为某冻土土样微结构量化分析结果，a为数字图像处理后的结果图像，b为量化分析得到的孔隙分布直方图；图4为某冻土土样微结构三维重构结果，a为三维重构后的各相分布情况图像，b为微结构点位信息。
具体实施方式
[0008]下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。
[0009]本专利技术提供了一种场域微结构实时量化分析与多相微结构三维重构方法，通过在岩土试样内布置零物距微结构跟踪摄像头，可以再现土样微观结构变化，基于微结构成像技术，实现全程跟踪、动态监测与实时显示试验中土单元内部结构变化；通过实时传输端口与数字图像处理技术，可达到实时监测、显示与数据分析的效果；通过多组视觉采集设备模组的多视角监测，可实现监测对象多相微结构的三维重构，更好地反映岩土材料的真实结构特征，最终实现土壤微结构图像数据的实时采集与实时监控。如图1所示，所述方法包括如下步骤：步骤一、拍摄图像：步骤一一、将监测土样置于监测土箱，宽动态低照度视觉采集设备内置于监测土箱棱边；步骤一二、对监测土样施加荷载的过程中控制视觉采集设备在不同方位进行图像拍摄，参见图2a；步骤一三、控制视觉采集设备获取的原始图像由外部传输接线实时传输至计算机监测平台上。
[0010]本步骤中，拍摄图像所采用的零物距微结构跟踪硬件装置需包括宽动态低照度视觉采集设备、补光电路、抗压外壳与防尘罩，利用铝合金制抗压外壳包裹宽动态低照度视觉采集设备，以保证在监测土箱内稳定运行。
[0011]步骤二、图像处理：步骤二一、对步骤一实时获取的原始图像进行灰度化处理，参见图2b，消除图像噪音，增强图像质量；步骤二二、对灰度化处理后的图像进行二值化操作，参见图2c，将设定的孔隙阈值应用于整个图像，得到黑白的二值图像，其中：孔隙阈值的大小根据具体情况具体分析，可由研究人员自主设定。
[0012]步骤三、闭操作：步骤三一、对步骤二得到的二值图像进行轮廓填充，参见图2d，填补由于成像、反光引起的伪孔隙，其中：轮廓填充是一种开源图像处理方法，可采用基于OpenCV的泛洪算
法，提取图像中的轮廓，对轮廓里面进行颜色填充；步骤三二、通过外界矩形将整个图像界面的微结构位置进行标注，参见图2e；步骤三三、在区分土壤颗粒与孔隙后，通过对土壤孔隙分布进行分析可得到孔隙中心坐标、孔隙面积、孔隙周长等信息；通过对土壤颗粒分布进行分析可得到土壤颗粒中心坐标、土壤颗粒面积、土壤颗粒周长等信息；步骤三四、利用数字图像处理技术对步骤三三分析得到的土样相关物理参数进行有效统计并获得孔隙分布直方图，参见图3。
[0013]步骤四、三维重构：步骤四一、基于wxpython结合opencv库，编制软件上位机，可实现数据采集、数据预处理、物理参数提取、结果保存的全流程封装。
[0014]步骤四二、由土箱每条棱边上的视觉采集设备获取的原始图像，经过体积渲染和表面渲染即可实现对监测土体多相微结构的三维重构，参见图4。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种场域微结构实时量化分析与多相微结构三维重构方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一、拍摄图像：通过宽动态低照度视觉采集设备对监测对象不同方位进行图像拍摄，原始图像经由传输接线实时直接上传至计算机监测平台；步骤二、图像处理：对步骤一实时获取的原始图像依次进行灰度化、二值化处理，获取黑白的二值图像；步骤三、闭操作：对步骤二得到的二值图像进行轮廓填充，填补由于成像、反光引起的伪孔隙，在区分土壤颗粒与孔隙后，利用数字图像处理技术，即可实现土样相关物理参数的有效统计，获得孔隙分布直方图；步骤四、三维重构：将视觉采集设备获取的原始图像经过体积渲染和表面渲染即可实现对监测对象多相微结构的三维重构。2.根据权利要求1所述的场域微结构实时量化分析与多相微结构三维重构方法，其特征在于所述步骤一的具体步骤如下：步骤一一、将监测土样置于监测土箱中，宽动态低照度视觉采集设备内置于监测土箱棱边；步骤一二、对监测土样施加荷载的过程中控制视觉采集设备在不同方位进行图像拍摄；步骤一三、控制视觉采集...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐亮，凌贤长，邓月，田爽，丛晟亦，李新宇，王柯，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：