CN108364350B - 一种混凝土细观结构模型三维重建方法 - Google Patents

一种混凝土细观结构模型三维重建方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

一种混凝土细观结构模型三维重建方法
技术领域：
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，能够快速准确的获取多相材料小间距连续剖面图像。
背景技术：
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，Ellinger H，Klinksiek R，etal.Examination of concrete by computerizedtomography[J].ACI Journal，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(Stock S R，Naik NK，Wilkinson A P，etal.X_ray micro tomography of the progression of sulfateattact of cement paste[J].cement and Concrete Research，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。
发明内容：
本发明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，本发明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(矩阵实验室)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(图像处理软件)、image proplus (图像分析软件)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(医学影像控制系统)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；
基于连续剖面图像为全景图像，拍摄和保存图像的成像设备参数的不同，成像设备与混凝土试件剖面相对位置和角度的不同，使得各层剖面图像之间存在位置偏差，需要对获得的连续剖面图像进行标准化处理，以满足实验分析的需求；
(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；
蒙板是独立于原始图像的中间产物，反映需要保留的感兴趣区域和不需保留区域，蒙板支持各种修剪和形态学操作；
(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(等值面提取)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(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：
Figure BDA0001555020320000051
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。
本发明步骤(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门，箱体与观察箱门通过2-4个合页连接；箱体与试件夹持箱门和箱体与观察箱门分别通过门锁机构实现开闭，箱盖的底面和观察箱门的中部分别开设有矩形板状结构的窗口，抽屉的面板上和箱盖的窗口上分别设置有圆弧形结构的把手，窗口与把手螺栓式连接；使用时，将脆性材料剖面磨削箱室与磨削机具连接，磨削机具的主动杆轴由随动密封机构进入箱体的内部，主动杆轴与试件夹持箱门垂直，打开试件夹持箱门，将待磨削的材料试件固定于试件夹持机构上并调整材料试件的截面位置，设定试件夹持机构的上夹持钳和下夹持钳的角点处为校准锚点，将安置有相机的三脚架固定在试件夹持箱门的正前方位置，调整相机的垂直高度使相机的中心高度与试件剖面的中心高度均为H1，按照设定的拍照距离H2调整相机与试件剖面之间的水平距离，相机镜头对准材料试件的正截面，通过门锁机构关闭试件夹持箱门，使箱体密封，开启磨削机具，按照设定的深度对材料试件进行磨削，磨削完成后，开启试件夹持箱门，试件夹持箱门带动试件夹持机构和材料试件跟随铰链机构的转动而旋转，试件夹持箱门旋转角度达到90°时，控制杆的低端的凸起与基座中孔道内的凹槽嵌合并保持稳定，支座与基座呈90°角的稳定状态，试件夹持箱门停止旋转并固定，打开相机对磨削好的材料试件进行拍照获取材料试件的剖面图像，拍摄完毕后再次关闭试件夹持箱门对材料试件进行下一深度的磨削，依此进行多次磨削和拍照，得到设定深度范围内材料试件的连续剖面图像，以锚点为基准点对连续剖面图像进行校准，以提高连续剖面图像的对准度，实现增加三维重建模型精准性的目的；试件夹持箱门每次打开后都处于同一固定位置，使相机镜头轴线与材料试件每层剖面的中心法线位于同一直线上，保证了材料试件连续剖面图像参数的一致性。
本发明涉及的铰链机构的主体结构包括支座、连接杆、控制杆、凸起、基座、孔道、凹槽和连接凸起；板状结构的支座的一端设置有内空式圆柱形结构的连接杆，支座的上表面中部横向设置有一端高另一端低的条状结构的控制杆，控制杆的一端的上底面和下底面分别设置有半球形伸缩式结构的凸起，板状结构的基座的中部开设有矩形结构的孔道，孔道的上表面和下表面分别设置有半球形结构的凹槽，基座的一端顶部和底部分别设置有半球形结构的连接凸起，连接杆的外壁与控制杆的外侧壁平齐，支座与试件夹持箱门螺栓式连接，基座与箱体螺栓式连接，连接杆嵌于连接凸起之间将支座与基座连接，凸起嵌合在凹槽中。
本发明涉及的试件夹持机构的主体结构包括连接片、扭簧、上夹持钳、上开口、连接件、下夹持钳和下开口；矩形片状结构的连接片与试件夹持箱门的上部螺栓式连接，连接片与试件夹持箱门之间设置有螺旋式结构的扭簧，扭簧的下端与块状结构的上夹持钳固定连接，扭簧压缩时，上夹持钳向上运动，扭簧伸展时，上夹持钳向下运动，上夹持钳的底部开设有倒V形结构的上开口，U形片状结构的连接件与试件夹持箱门螺栓式连接，连接件的U形口槽中卡接有块状结构的下夹持钳，下夹持钳在连接件的U形槽中上下移动，下夹持钳的顶部开设有V形结构的下开口。
本发明涉及的随动密封机构的主体结构包括底座板、上滑槽、下滑槽、第一层薄片、第一通孔、第二层薄片、第二通孔、第三层薄片和第三通孔；矩形板状结构的底座板的上部设置有U形槽状结构的上滑槽，底座板的下部设置有U形槽状结构的下滑槽，上滑槽与下滑槽之间设置有三层矩形板状结构的薄片，外层为第一层薄片，第一层薄片的中部开设有圆形结构的第一通孔，中间层为第二层薄片，第二层薄片的中部开设有胶囊形结构的第二通孔，内层为第三层薄片，第三层薄片的中部开设有胶囊形结构的第三通孔；底座板焊接在箱体的侧面，底座板的长度大于上滑槽和下滑槽的长度，上滑槽的长度与下滑槽的长度相等，上滑槽和下滑槽的长度大于第三层薄片的长度，第三层薄片的长度大于第二层薄片的长度，第二层薄片的长度大于第一层薄片的长度，第一层薄片、第二层薄片和第三层薄片在上滑槽和下滑槽之间移动，第一通孔的直径小于第二通孔的长度，第二通孔的长度小于第三通孔的长度。
本发明涉及的门锁机构的主体结构包括底板、卡板、控制板、基板和挡板；圆形板状结构的底板的上表面与板状结构的卡板转动式连接，卡板能够围绕卡板与底板的连接点旋转360°，卡板的上表面与板状结构的控制板固定连接，矩形板状结构的基板的上表面设置有L 形板状结构的挡板，底板分别与试件夹持箱门和观察箱门螺栓式连接，基板与箱体螺栓式连接，旋转控制板，控制板带动卡板旋转旋进或旋出挡板之间实现试件夹持箱门和观察箱门的闭合和开启。
本发明涉及的箱体、箱盖和合页的材质均为不锈钢；抽屉用于收集材料试件磨削过程中产生的粉末碎屑，便于集中处理；试件夹持箱门在开合过程中带动试件夹持机构旋转，试件夹持箱门的转动角度范围为0°-90°；铰链机构是旋转角度可控的钢铰链；试件夹持机构能够稳固的夹持不同规格尺寸的材料试件；随动密封机构随着磨削刀具主动杆轴的往复运动发生相对移动，在主动杆轴运动过程中，保证箱体的密封性，并且有效防止粉尘和噪声污染；观察箱门便于观察材料试件的磨削过程；门锁机构能够将试件夹持箱门和观察箱门分别与箱体紧密闭合，并能轻松开启试件夹持箱门和观察箱门；窗口的材质为玻璃，在磨削材料试件的过程中，便于肉眼观察箱体内部的状况；把手便于抽屉和箱盖的开合操作。
本发明与现有技术相比，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大大减少，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，以二值蒙板作为中间产物通过人工修建方式完善不同相的提取范围，选取范围精确度高，修剪方便快捷，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。
附图说明：
图1为本发明的工艺流程框图。
图2为本发明步骤(一)涉及的脆性材料剖面磨削箱室的主体结构原理示意图。
图3为本发明步骤(一)涉及的脆性材料剖面磨削箱室的外观结构原理示意图。
图4为本发明步骤(一)涉及的铰链机构的结构原理示意图。
图5为本发明步骤(一)涉及的支座的结构原理示意图。
图6为本发明步骤(一)涉及的基座的结构原理示意图。
图7为本发明步骤(一)涉及的试件夹持机构的结构原理示意图。
图8为本发明步骤(一)涉及的随动密封机构的结构原理示意图。
图9为本发明步骤(一)涉及的三层薄片的主体结构分散原理示意图。
图10为本发明步骤(一)涉及的门锁机构的结构原理示意图。
图11为本发明步骤(一)涉及的拍照状态示意图。
图12为本发明实施例步骤(一)拍摄的透水混凝土试件剖面图像。
图13为本发明实施例步骤(一)拍摄的透水混凝土试件连续剖面图像。
图14为本发明实施例步骤(一)获取的透水混凝土试件剖面图像的灰度值分布范围线条图。
图15为本发明实施例步骤(三)涉及的集料蒙板拟合图。
图16为本发明实施例步骤(三)涉及的胶凝材料蒙板拟合图。
图17为本发明实施例步骤(三)涉及的孔隙蒙板拟合图。
图18为本发明实施例步骤(三)涉及的三相结构蒙板拟合图。
图19为本发明实施例步骤(四)涉及的三相结构轮廓图。
图20为本发明实施例步骤(五)涉及的集料三维模型图。
图21为本发明实施例步骤(五)涉及的胶凝材料三维模型图。
图22为本发明实施例步骤(五)涉及的孔隙三维模型图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例涉及的混凝土细观结构模型三维重建方法用以构建透水混凝土试件中集料-胶凝材料-孔隙三相结构的三维模型，其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100mm×100mm×100mm透水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6上，透水混凝土试件跟随试件夹持箱门4旋转，试件夹持箱门4的最大旋转角度为90°，透水混凝土试件截面中心距地面高度为105cm；将固定在三脚架上的数码相机的镜头高度调整为105cm使其与透水混凝土试件的截面中心点在同一条直线上，将相机镜头与透水混凝土试件截面的水平直线距离调整为30em；开启磨削刀具沿透水混凝土试件的Z轴方向对透水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透水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80次，获取80张透水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，由于透水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6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(矩阵实验室)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(图像处理软件)、image proplus(图像分析软件)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，保留需要分析的透水混凝土试件打磨区域的连续剖面图像；将透水混凝土试件连续剖面图像裁剪为100mm×100mm，将透水混凝土试件连续剖面图像的像素调整为400pixel×400pixel，每一像素点对应的图像尺寸为0.25mm；为保证图像像素(pixel)与真实骨料尺度的比例一致，对连续剖面图像进行图像像素与真实骨料尺寸的转换推算，输入X轴、Y轴和Z轴的扫描分辨率，图像上的点坐标(x’，y’)对应真实切片上的相应点坐标(x，y)，根据推算公式
Figure BDA0001555020320000111
和
Figure BDA0001555020320000112
计算得到 x＝0.25mm，y＝0.25mm，计算结果表示图像每一像素所包含的图像尺寸，x轴和y轴扫描分辨率均为0.25mm，z轴扫描分辨率为剖面图像的间距1mm；把尺寸裁剪和像素调整后的透水混凝土试件连续剖面图像导入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的集料、胶凝材料和孔隙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：通过Mimics(医学影像控制系统)软件的Thresholds(阈值)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(等值面提取)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(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：
Figure BDA0001555020320000121
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：利用软件或工具将步骤(四)绘制的面网格模型转换为体网格模型，得到透水混凝土试件集料、胶凝材料和孔隙的三维模型，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。
本实施例步骤(一)涉及的脆性材料剖面磨削箱室的主体结构包括箱体1、抽屉2、箱盖3、试件夹持箱门4、铰链机构5、试件夹持机构6、随动密封机构7、观察箱门8、合页9、门锁机构10、窗口 11和把手12；内空式矩形结构的箱体1的下部设置有矩形结构的抽屉2，箱体1的顶部设置有内凹式矩形结构的箱盖3，箱体1与箱盖 3铰接式连接，箱体1的前侧面设置有矩形结构的试件夹持箱门4，箱体1与试件夹持箱门4通过2-4个铰链机构5连接，试件夹持箱门 4的内侧面设置有试件夹持机构6，箱体1的后侧面设置有随动密封机构7，箱体1与随动密封机构7焊接式连接，箱体1的左侧面设置有矩形结构的观察箱门8，箱体1与观察箱门8通过2-4个合页9连接；箱体1与试件夹持箱门4和箱体1与观察箱门8分别通过门锁机构10实现开闭，箱盖3的底面和观察箱门8的中部分别开设有矩形板状结构的窗口11，抽屉2的面板上和箱盖3的窗口11上分别设置有圆弧形结构的把手12，窗口11与把手12螺栓式连接；使用时，将脆性材料剖面磨削箱室与磨削机具连接，磨削机具的主动杆轴由随动密封机构7进入箱体1的内部，主动杆轴与试件夹持箱门4垂直，打开试件夹持箱门4，将待磨削的材料试件固定于试件夹持机构6上并调整材料试件的截面位置，设定试件夹持机构6的上夹持钳63和下夹持钳66的角点处为校准锚点，将安置有相机的三脚架固定在试件夹持箱门4的正前方位置，调整相机的垂直高度使相机的中心高度与试件剖面的中心高度均为H1，按照设定的拍照距离H2调整相机与试件剖面之间的水平距离，相机镜头对准材料试件的正截面，通过门锁机构10关闭试件夹持箱门4，使箱体1密封，开启磨削机具，按照设定的深度对材料试件进行磨削，磨削完成后，开启试件夹持箱门 4，试件夹持箱门4带动试件夹持机构6和材料试件跟随铰链机构5 的转动而旋转，试件夹持箱门4旋转角度达到90°时，控制杆53的低端的凸起54与基座55中孔道56内的凹槽57嵌合并保持稳定，支座51与基座55呈90°角的稳定状态，试件夹持箱门4停止旋转并固定，打开相机对磨削好的材料试件进行拍照获取材料试件的剖面图像，拍摄完毕后再次关闭试件夹持箱门4对材料试件进行下一深度的磨削，依此进行多次磨削和拍照，得到设定深度范围内材料试件的连续剖面图像，以锚点为基准点对连续剖面图像进行校准，以提高连续剖面图像的对准度，实现增加三维重建模型精准性的目的；试件夹持箱门4每次打开后都处于同一固定位置，使相机镜头轴线与材料试件每层剖面的中心法线位于同一直线上，保证了材料试件连续剖面图像参数的一致性。
本实施例涉及的铰链机构5的主体结构包括支座51、连接杆 52、控制杆53、凸起54、基座55、孔道56、凹槽57和连接凸起 58；板状结构的支座51的一端设置有内空式圆柱形结构的连接杆 52，支座51的上表面中部横向设置有一端高另一端低的条状结构的控制杆53，控制杆53的一端的上底面和下底面分别设置有半球形伸缩式结构的凸起54，板状结构的基座55的中部开设有矩形结构的孔道56，孔道56的上表面和下表面分别设置有半球形结构的凹槽57，基座55的一端顶部和底部分别设置有半球形结构的连接凸起58，连接杆52的外壁与控制杆53的外侧壁平齐，支座51与试件夹持箱门 4螺栓式连接，基座55与箱体1螺栓式连接，连接杆52嵌于连接凸起58之间将支座51与基座55连接，凸起54嵌合在凹槽57中。
本实施例涉及的试件夹持机构6的主体结构包括连接片61、扭簧62、上夹持钳63、上开口64、连接件65、下夹持钳66和下开口 67；矩形片状结构的连接片61与试件夹持箱门4的上部螺栓式连接，连接片61与试件夹持箱门4之间设置有螺旋式结构的扭簧62，扭簧62的下端与块状结构的上夹持钳63固定连接，扭簧62压缩时，上夹持钳63向上运动，扭簧62伸展时，上夹持钳63向下运动，上夹持钳63的底部开设有倒V形结构的上开口64，U形片状结构的连接件65与试件夹持箱门4螺栓式连接，连接件65的U形口槽中卡接有块状结构的下夹持钳66，下夹持钳66在连接件65的U形槽中上下移动，下夹持钳66的顶部开设有V形结构的下开口67。
本实施例涉及的随动密封机构7的主体结构包括底座板71、上滑槽72、下滑槽73、第一层薄片74、第一通孔75、第二层薄片 76、第二通孔77、第三层薄片78和第三通孔79；矩形板状结构的底座板71的上部设置有U形槽状结构的上滑槽72，底座板71的下部设置有U形槽状结构的下滑槽73，上滑槽72与下滑槽73之间设置有三层矩形板状结构的薄片，外层为第一层薄片74，第一层薄片74 的中部开设有圆形结构的第一通孔75，中间层为第二层薄片76，第二层薄片76的中部开设有胶囊形结构的第二通孔77，内层为第三层薄片78，第三层薄片78的中部开设有胶囊形结构的第三通孔79；底座板71焊接在箱体1的侧面，底座板71的长度大于上滑槽72和下滑槽73的长度，上滑槽72的长度与下滑槽73的长度相等，上滑槽 72和下滑槽73的长度大于第三层薄片78的长度，第三层薄片78的长度大于第二层薄片76的长度，第二层薄片76的长度大于第一层薄片74的长度，第一层薄片74、第二层薄片76和第三层薄片78在上滑槽72和下滑槽73之间移动，第一通孔75的直径小于第二通孔77 的长度，第二通孔77的长度小于第三通孔79的长度。
本实施例涉及的门锁机构10的主体结构包括底板101、卡板 102、控制板103、基板104和挡板105；圆形板状结构的底板101的上表面与板状结构的卡板102转动式连接，卡板102能够围绕卡板 102与底板101的连接点旋转360°，卡板102的上表面与板状结构的控制板103固定连接，矩形板状结构的基板104的上表面设置有L 形板状结构的挡板105，底板101分别与试件夹持箱门4和观察箱门 8螺栓式连接，基板104与箱体1螺栓式连接，旋转控制板103，控制板103带动卡板102旋转旋进或旋出挡板105之间实现试件夹持箱门4和观察箱门8的闭合和开启。
本实施例涉及的箱体1、箱盖3和合页9的材质均为不锈钢；抽屉2用于收集材料试件磨削过程中产生的粉末碎屑，便于集中处理；试件夹持箱门4在开合过程中带动试件夹持机构6旋转，试件夹持箱门4的转动角度范围为0°-90°；铰链机构5是旋转角度可控的钢铰链；试件夹持机构6能够稳固的夹持不同规格尺寸的材料试件；随动密封机构7随着磨削刀具主动杆轴的往复运动发生相对移动，在主动杆轴运动过程中，保证箱体1的密封性，并且有效防止粉尘和噪声污染；观察箱门8便于观察材料试件的磨削过程；门锁机构10能够将试件夹持箱门4和观察箱门8分别与箱体1紧密闭合，并能轻松开启试件夹持箱门4和观察箱门8；窗口11的材质为玻璃，在磨削材料试件的过程中，便于肉眼观察箱体1内部的状况；把手12便于抽屉 2和箱盖3的开合操作。

Claims (7)

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，包括摄像机的角度、距离和方向、物体位置的移动，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，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：
Figure FDA0002991563270000031
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门，箱体与观察箱门通过2-4个合页连接；箱体与试件夹持箱门和箱体与观察箱门分别通过门锁机构实现开闭，箱盖的底面和观察箱门的中部分别开设有矩形板状结构的窗口，抽屉的面板上和箱盖的窗口上分别设置有圆弧形结构的把手，窗口与把手螺栓式连接；使用时，将脆性材料剖面磨削箱室与磨削机具连接，磨削机具的主动杆轴由随动密封机构进入箱体的内部，主动杆轴与试件夹持箱门垂直，打开试件夹持箱门，将待磨削的材料试件固定于试件夹持机构上并调整材料试件的截面位置，设定试件夹持机构的上夹持钳和下夹持钳的角点处为校准锚点，将安置有相机的三脚架固定在试件夹持箱门的正前方位置，调整相机的垂直高度使相机的中心高度与试件剖面的中心高度均为H1，按照设定的拍照距离H2调整相机与试件剖面之间的水平距离，相机镜头对准材料试件的正截面，通过门锁机构关闭试件夹持箱门，使箱体密封，开启磨削机具，按照设定的深度对材料试件进行磨削，磨削完成后，开启试件夹持箱门，试件夹持箱门带动试件夹持机构和材料试件跟随铰链机构的转动而旋转，试件夹持箱门旋转角度达到90°时，控制杆的低端的凸起与基座中孔道内的凹槽嵌合并保持稳定，支座与基座呈90°角的稳定状态，试件夹持箱门停止旋转并固定，打开相机对磨削好的材料试件进行拍照获取材料试件的剖面图像，拍摄完毕后再次关闭试件夹持箱门对材料试件进行下一深度的磨削，依此进行多次磨削和拍照，得到设定深度范围内材料试件的连续剖面图像，以锚点为基准点对连续剖面图像进行校准，以提高连续剖面图像的对准度，实现增加三维重建模型精准性的目的；试件夹持箱门每次打开后都处于同一固定位置，使相机镜头轴线与材料试件每层剖面的中心法线位于同一直线上，保证了材料试件连续剖面图像参数的一致性。
3.根据权利要求2所述的混凝土细观结构模型三维重建方法，其特征在于所述铰链机构的主体结构包括支座、连接杆、控制杆、凸起、基座、孔道、凹槽和连接凸起；板状结构的支座的一端设置有内空式圆柱形结构的连接杆，支座的上表面中部横向设置有一端高另一端低的条状结构的控制杆，控制杆的一端的上底面和下底面分别设置有半球形伸缩式结构的凸起，板状结构的基座的中部开设有矩形结构的孔道，孔道的上表面和下表面分别设置有半球形结构的凹槽，基座的一端顶部和底部分别设置有半球形结构的连接凸起，连接杆的外壁与控制杆的外侧壁平齐，支座与试件夹持箱门螺栓式连接，基座与箱体螺栓式连接，连接杆嵌于连接凸起之间将支座与基座连接，凸起嵌合在凹槽中。
4.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，其特征在于所述试件夹持机构的主体结构包括连接片、扭簧、上夹持钳、上开口、连接件、下夹持钳和下开口；矩形片状结构的连接片与试件夹持箱门的上部螺栓式连接，连接片与试件夹持箱门之间设置有螺旋式结构的扭簧，扭簧的下端与块状结构的上夹持钳固定连接，扭簧压缩时，上夹持钳向上运动，扭簧伸展时，上夹持钳向下运动，上夹持钳的底部开设有倒V形结构的上开口，U形片状结构的连接件与试件夹持箱门螺栓式连接，连接件的U形口槽中卡接有块状结构的下夹持钳，下夹持钳在连接件的U形槽中上下移动，下夹持钳的顶部开设有V形结构的下开口。
5.根据权利要求2所述的混凝土细观结构模型三维重建方法，其特征在于所述随动密封机构的主体结构包括底座板、上滑槽、下滑槽、第一层薄片、第一通孔、第二层薄片、第二通孔、第三层薄片和第三通孔；矩形板状结构的底座板的上部设置有U形槽状结构的上滑槽，底座板的下部设置有U形槽状结构的下滑槽，上滑槽与下滑槽之间设置有三层矩形板状结构的薄片，外层为第一层薄片，第一层薄片的中部开设有圆形结构的第一通孔，中间层为第二层薄片，第二层薄片的中部开设有胶囊形结构的第二通孔，内层为第三层薄片，第三层薄片的中部开设有胶囊形结构的第三通孔；底座板焊接在箱体的侧面，底座板的长度大于上滑槽和下滑槽的长度，上滑槽的长度与下滑槽的长度相等，上滑槽和下滑槽的长度大于第三层薄片的长度，第三层薄片的长度大于第二层薄片的长度，第二层薄片的长度大于第一层薄片的长度，第一层薄片、第二层薄片和第三层薄片在上滑槽和下滑槽之间移动，第一通孔的直径小于第二通孔的长度，第二通孔的长度小于第三通孔的长度。
6.根据权利要求2所述的混凝土细观结构模型三维重建方法，其特征在于所述门锁机构的主体结构包括底板、卡板、控制板、基板和挡板；圆形板状结构的底板的上表面与板状结构的卡板转动式连接，卡板能够围绕卡板与底板的连接点旋转360°，卡板的上表面与板状结构的控制板固定连接，矩形板状结构的基板的上表面设置有L形板状结构的挡板，底板分别与试件夹持箱门和观察箱门螺栓式连接，基板与箱体螺栓式连接，旋转控制板，控制板带动卡板旋转旋进或旋出挡板之间实现试件夹持箱门和观察箱门的闭合和开启。
7.根据权利要求2所述的混凝土细观结构模型三维重建方法，其特征在于所述箱体、箱盖和合页的材质均为不锈钢；抽屉用于收集材料试件磨削过程中产生的粉末碎屑，便于集中处理；试件夹持箱门在开合过程中带动试件夹持机构旋转，试件夹持箱门的转动角度范围为0°-90°；铰链机构是旋转角度可控的钢铰链；试件夹持机构能够稳固的夹持不同规格尺寸的材料试件；随动密封机构随着磨削刀具主动杆轴的往复运动发生相对移动，在主动杆轴运动过程中，保证箱体的密封性，并且有效防止粉尘和噪声污染；观察箱门便于观察材料试件的磨削过程；门锁机构能够将试件夹持箱门和观察箱门分别与箱体紧密闭合，并能轻松开启试件夹持箱门和观察箱门；窗口的材质为玻璃，在磨削材料试件的过程中，便于肉眼观察箱体内部的状况；把手便于抽屉和箱盖的开合操作。
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