CN108387524B - 一种多相材料连续剖面图像获取方法 - Google Patents

一种多相材料连续剖面图像获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于多相材料剖面图像获取技术领域，涉及一种多相材料连续剖面图像获取方法，采用优化设计的脆性材料剖面磨削箱室配合磨削刀具对多相材料试件进行固定间距的逐层干磨，拍摄多相材料试件的连续剖面图像，进而利用图像处理软件对多相材料试件连续剖面图像进行配准、标准化处理和预处理操作获取标准可用的多相材料试件连续剖面图像，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，实现了较小层间距和较高校准度的连续剖面图像的获取，具备“模拟CT”图像的特点，获得的真彩色图像克服了CT扫描的灰度图像信息量丢失的缺点；其图像获取的方式简单、快捷，图像获取成本低，获取的图像信息量完整，便于应用推广。

Description

一种多相材料连续剖面图像获取方法
技术领域：
本发明属于多相材料剖面图像获取技术领域，涉及一种多相材料连续剖面图像获取方法，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：
多相材料是指不同质物质共同“复合”成一种材料，该材料因为不同质而具有相界面，主要有固-固、固-液、液-液、气-固、气-液等相界面，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使材料的综合性能优化而满足各种不同的使用要求，多相复合材料由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成；多相材料是土木工程领域应用的主要材料之一，多相材料的细观结构研究是热门的研究课题，一般情况下人们无法通过常规的方法了解到结构的内部三维信息，对三维结构进行断层切片，通过对切片的观察能够推断三维结构信息，所以，通过对多相材料的剖面图像进行分析是研究多相材料内部结构的主要途径，提取剖面图像中各相组成部分及界面并进行研究，通过试件连续二维剖面图像建立三维结构模型成为重要的研究方向，三维模型的建立与分析为研究多相材料的结构与性能提供基础。
CT扫描技术是实现多相材料内部结构识别的主要手段，CT及电子计算机断层扫描技术，CT扫描的原理是利用精确准直的X射线、γ射线或超声波等，结合灵敏度极高的探测器围绕扫描对象进行断层扫描，探测器接收X射线衰减后的信息，X射线的衰减遵循方程式：I＝I0exp(-μmρλ)，其中，I为X射线穿过扫描对象后的光强；I0为X射线穿过扫描对象前的光强；μm为扫描对象单位质量的吸收系数(cm2/g)；ρ为扫描对象的密度；λ为入射X射线的波长；探测器接收到衰减信息后将其转换为可见光信号，可见光信号经光电转换器转换为电信号，电信号被数字转换器转为数字信息并存储于计算机内，扫描所得的数字信息经计算获得每个体素的X射线衰减系数或吸收系数后被排列为数字矩阵，计算机将数字矩阵中的每个数字转换为由黑到白不等的灰度像素，构成CT图像，CT图像将选定层面分为若干体素；CT扫描技术是一种无损检测技术，其优点在于扫描成像速度快，扫描间距小，最小扫描间距可达1mm，成像过程中不会破坏扫描对象的结构形态的；近年来CT扫描技术被广泛应用到岩石、土壤、沥青混合料和混凝土材料领域，CT扫描技术在无损检测和逆向工程中发挥了重大的作用。
但是，CT扫描技术也存在一定的缺陷：CT扫描时扫描层具有一定的厚度，其内部包含不同密度的物质，每一像素的CT值仅代表单位体积内各物质CT值的平均数，并非真实值，这种现象被称为部分容积效应；CT扫描图像实际是一种以灰度表达的灰度分布图像，并非我们看到的真实色彩图像，这就导致了大量图像信息的丢失；对于密度相同或相近的物质来说，CT扫描技术很难对不同的相进行区分，使得多相材料剖面图像的识别和重建过程受到较大影响；扫描过程产生的噪音和伪影以及扫描分辨率对CT扫描图像质量造成影响从而导致分析结果数据的不精确；另外，CT扫描设备价格昂贵，试验成本较高，限制了CT扫描技术在土木工程领域的推广和应用。
视觉信息是人们获取信息的主要来源，信息量可达70％以上，现阶段，相机成像技术已经达到相当高的发展水平，通过相机拍照获得的照片是24位RGB彩色图像，其RGB分量分别以3个8位为矩阵保存，所以相机所得图像能够包含完整的剖面信息；通过颜色的差别可以很好的进行多相材料各相物质的轮廓提取和区分，通过图像色彩的分辨进行色差分析，提取感兴趣的区域进行研究，彩色图像能够有效的解决CT扫描图像灰度分辨不准确的问题。
切片法是对多相材料进行一定间距的切割并暴露出其切断面以获取图像的方法，切片法能够较好的节省试验成本，切割剖面能够真实的呈现出多相材料试件内部的结构信息，但是由于切割设备的限制，多相材料连续剖面图像获取时的相邻剖面间距较大，很难实现较小间距连续剖面图像的获取；另外，拍摄图像时由于相机与剖截面的相对不稳定从而致使连续剖面图像的校准度低，在三维重构时带来了较大的误差。
目前，基于以上多相材料连续剖面图像获取时存在的不足，迫切需要研发设计一种能够可靠获取较小层间距的连续剖面图像的方法。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种多相材料连续剖面图像获取方法，实现真彩色的多相材料小间距连续剖面图像的获取。
为了实现上述目的，本发明涉及的多相材料连续剖面图像获取方法的具体工艺过程包括打磨多相材料试件、拍摄多相材料剖面图像、配准连续剖面图像、标准化处理连续剖面图像和预处理连续剖面图像共五个步骤：
(一)打磨多相材料试件：将磨削刀具与脆性材料剖面磨削箱室固定连接，把预制的多相材料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，按照设定的磨削参数对多相材料试件进行打磨，磨削刀具的横向丝杆控制磨头前后往复运动，磨削刀具的纵向丝杆控制磨头的进深间距，磨削刀具的阻尼器和纵向丝杆的精密螺丝能够进行角度调整以实现进深间距为0.01—2mm的多相材料剖面打磨；
磨头粒度分为粗粒式和细粒式的金刚石颗粒式，不同粒度的磨头能够获取不同光滑程度的打磨剖面；
(二)拍摄多相材料剖面图像：利用外置数码相机进行多相材料试件剖面图像的拍摄，将固定在三脚架上的数码相机与多相材料试件截面的相对位置保持不变，调整相机镜头的垂直高度使其与多相材料试件的截面中心点的垂直高度均为H1，相机镜头距多相材料试件截面的水平直线距离为H2，待步骤(一)中每层多相材料试件剖面打磨完成后，将脆性材料剖面磨削箱室的试件夹持箱门开启并固定在90°方向上，打开相机对多相材料试件的剖面进行拍照，交替进行步骤(一)与步骤(二)得到设定深度范围内的多相材料试件连续剖面图像，相机与试件夹持机构的相对稳定性能够保证连续剖面图像的衔接性和校准度；
(三)配准连续剖面图像：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，由于多相材料试件分层打磨时，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；
(四)标准化处理连续剖面图像：拍摄时包含了不属于多相材料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，保留需要分析的多相材料试件打磨区域的连续剖面图像并进行尺寸校正，将连续剖面图像调整为相同的像素值，得到具有“模拟CT”图像特征的连续剖面图像；
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，成像设备与多相材料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；
(五)预处理连续剖面图像：
图像分析前需要根据使用要求对图像进行预处理以达到分析效果，图像预处理能够排除多相材料试件连续剖面图像的噪声现象，提高图像使用质量，图像预处理图像增强和图像分割：
(1)图像增强：对步骤(四)处理的连续剖面图像进行图像增强处理，以提高连续剖面图像各组成部分的清晰度和图像视觉效果，便于后续进行人工和计算机处理，采用均值滤波、中值滤波或线性高通滤波函数变换对连续剖面图像进行平滑和锐化处理；
(2)图像分割：图像分割是按照设定原则将图像分成具有各自相同特性的区域并获取目标对象的过程，对步骤(1)处理的连续剖面图像进行图像分割处理，图像分割的路径有三种，一是以区域为对象进行分割，采取相似性原则进行区域划分，就是依据图像的灰度值来将图像划分为不同的区域；二是以物体边界为对象，以确定区域间的边界达到分割图像的目的；三是通过连接边缘像素形成分割边界来实现分割；
根据图像处理的要求选择图像分割的路径，最后对分割后的连续剖面图像进行灰度化处理，实现多相材料连续剖面图像获取。
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，采用优化设计的脆性材料剖面磨削箱室配合磨削刀具对多相材料试件进行固定间距的逐层干磨，拍摄多相材料试件的连续剖面图像，进而利用图像处理软件对多相材料试件连续剖面图像进行配准、标准化处理和预处理操作获取标准可用的多相材料试件连续剖面图像，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，实现了较小层间距和较高校准度的连续剖面图像的获取，具备“模拟CT”图像的特点，获得的真彩色图像克服了CT扫描的灰度图像信息量丢失的缺点；其图像获取的方式简单、快捷，图像获取成本低，获取的图像信息量完整，便于应用推广。
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(二)涉及的拍照状态示意图。
图12为本发明实施例步骤(四)涉及的像素值为400像素×400像素的混凝土试件剖面图像。
图13为本发明实施例步骤(四)涉及的标准化处理后的混凝土试件连续剖面图像。
图14为本发明实施例步骤(五)涉及的图像增强前的混凝土试件剖面图像。
图15为本发明实施例步骤(五)涉及的图像增强后的混凝土试件剖面图像。
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：
本实施例涉及的多相材料连续剖面图像获取方法的具体工艺过程包括打磨多相材料试件、拍摄多相材料剖面图像、配准连续剖面图像、标准化处理连续剖面图像和预处理连续剖面图像共五个步骤：
(一)打磨多相材料试件：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6上，磨削刀具的横向丝杆控制细粒式金刚石颗粒磨头前后往复运动，磨削刀具的纵向丝杆控制磨头的进深间距，将纵向丝杆的精密螺丝旋转一周以1mm为进深单位对混凝土试件进行打磨，获得光滑的混凝土试件剖面；
(二)拍摄多相材料剖面图像：利用外置数码相机进行混凝土试件剖面图像的拍摄，将固定在三脚架上的数码相机与混凝土试件截面的相对位置保持不变，调整相机镜头高度使其与混凝土试件的截面中心点在同一条直线上，相机镜头距混凝土试件截面的水平直线距离为30cm，待步骤(一)中每层混凝土试件剖面打磨完成后，将脆性材料剖面磨削箱室的试件夹持箱门4开启并固定在90°方向上，打开相机对混凝土试件的剖面进行拍照，交替进行步骤(一)与步骤(二)得到设定深度范围内的混凝土试件连续剖面图像，相机与试件夹持机构6的相对稳定性能够保证连续剖面图像的衔接性和校准度；
(三)配准连续剖面图像：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；
(四)标准化处理连续剖面图像：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进行尺寸校正，将连续剖面图像的像素值调整为400像素×400像素，得到具有“模拟CT”图像特征的连续剖面图像；
(五)预处理连续剖面图像：
图像分析前需要根据使用要求对图像进行预处理以达到分析效果，图像预处理能够排除混凝土试件连续剖面图像的噪声现象，提高图像使用质量，图像预处理图像增强和图像分割：
(1)图像增强：对步骤(四)处理的连续剖面图像进行图像增强处理，以提高连续剖面图像各组成部分的清晰度和图像视觉效果，便于后续进行人工和计算机处理，采用均值滤波、中值滤波或线性高通滤波函数变换对连续剖面图像进行平滑和锐化处理；
(2)图像分割：图像分割是按照设定原则将图像分成具有各自相同特性的区域并获取目标对象的过程，对步骤(1)处理的连续剖面图像进行图像分割处理，图像分割的路径有三种，一是以区域为对象进行分割，采取相似性原则进行区域划分，就是依据图像的灰度值来将图像划分为不同的区域；二是以物体边界为对象，以确定区域间的边界达到分割图像的目的；三是通过连接边缘像素形成分割边界来实现分割；
根据图像处理的要求选择图像分割的路径，最后对分割后的连续剖面图像进行灰度化处理，实现混凝土连续剖面图像获取。
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)

1.一种多相材料连续剖面图像获取方法，其特征在于具体工艺过程包括打磨多相材料试件、拍摄多相材料剖面图像、配准连续剖面图像、标准化处理连续剖面图像和预处理连续剖面图像共五个步骤：
(一)打磨多相材料试件：将磨削刀具与脆性材料剖面磨削箱室固定连接，把预制的多相材料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，按照设定的磨削参数对多相材料试件进行打磨，磨削刀具的横向丝杆控制磨头前后往复运动，磨削刀具的纵向丝杆控制磨头的进深间距，磨削刀具的阻尼器和纵向丝杆的精密螺丝能够进行角度调整以实现进深间距为0.01—2mm的多相材料剖面打磨；
磨头粒度分为粗粒式和细粒式的金刚石颗粒式，不同粒度的磨头能够获取不同光滑程度的打磨剖面；
(二)拍摄多相材料剖面图像：利用外置数码相机进行多相材料试件剖面图像的拍摄，将固定在三脚架上的数码相机与多相材料试件截面的相对位置保持不变，调整相机镜头的垂直高度使其与多相材料试件的截面中心点的垂直高度均为H1，相机镜头距多相材料试件截面的水平直线距离为H2，待步骤(一)中每层多相材料试件剖面打磨完成后，将脆性材料剖面磨削箱室的试件夹持箱门开启并固定在90°方向上，打开相机对多相材料试件的剖面进行拍照，交替进行步骤(一)与步骤(二)得到设定深度范围内的多相材料试件连续剖面图像，相机与试件夹持机构的相对稳定性能够保证连续剖面图像的衔接性和校准度；
(三)配准连续剖面图像：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，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；
(四)标准化处理连续剖面图像：拍摄时包含了不属于多相材料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，保留需要分析的多相材料试件打磨区域的连续剖面图像并进行尺寸校正，将连续剖面图像调整为相同的像素值，得到具有“模拟CT”图像特征的连续剖面图像；
(五)预处理连续剖面图像：
图像分析前需要根据使用要求对图像进行预处理以达到分析效果，图像预处理能够排除多相材料试件连续剖面图像的噪声现象，提高图像使用质量，图像预处理包括图像增强和图像分割：
(1)图像增强：对步骤(四)处理的连续剖面图像进行图像增强处理，采用均值滤波、中值滤波或线性高通滤波函数变换对连续剖面图像进行平滑和锐化处理；
(2)图像分割：图像分割是按照设定原则将图像分成具有各自相同特性的区域并获取目标对象的过程，对步骤(1)处理的连续剖面图像进行图像分割处理，图像分割的路径有三种，一是以区域为对象进行分割，采取相似性原则进行区域划分，依据图像的灰度值将图像划分为不同的区域；二是以物体边界为对象，以确定区域间的边界达到分割图像的目的；三是通过连接边缘像素形成分割边界来实现分割；
根据图像处理的要求选择图像分割的路径，最后对分割后的连续剖面图像进行灰度化处理，实现多相材料连续剖面图像获取。
2.根据权利要求1所述的多相材料连续剖面图像获取方法，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所述的多相材料连续剖面图像获取方法，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所述的多相材料连续剖面图像获取方法，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所述的多相材料连续剖面图像获取方法，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所述的多相材料连续剖面图像获取方法，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所述的多相材料连续剖面图像获取方法，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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