[发明专利]一种混凝土细观结构模型三维重建方法

摘要

本发明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。

主权项

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(g_x,g_y,g_z)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。