CN110243699B - 岩石模型结构面可视化试验的表面形态网格追踪及还原方法 - Google Patents

Abstract

一种岩石模型结构面可视化试验的表面形态网格追踪及还原方法，以岩石模型结构面可视化试验的表面形态网格追踪及还原方法为基础，利用在模型结构面上网格划分、降低灰阶值和多方位CCD测量成像，全过程追踪更加精确地拍摄结构面表面的剪切区域。依据结构面剪切后正面拍摄图像以及结构面还原图像等信息，对比分析剪切区域形状和破损区域面积。本发明通过多方位CCD测量技术，对透明光敏材料的拍摄角度的选择、网格的划分以及拍摄完成后如何让还原的剪损部分面积更接近真实剪损面积。

Description

岩石模型结构面可视化试验的表面形态网格追踪及还原方法

技术领域

本发明涉及土木工程中的岩土工程技术领域，特别是一种岩石模型结构面可视化试验的表面形态网格追踪及还原方法。

背景技术

岩体是地质历史的产物，是赋存于地质环境中的、经历过变形及破坏改造的、并且具有一定岩石成分及结构的地质体。岩体由岩石和结构面组成，结构面是岩体中的薄弱环节，往往对岩体的变形和破坏起着控制作用。多年以来，许多学者对结构面力学行为进行了大量的研究，利用了许多手段包括试验以及数值模拟来揭示结构面力学性质的特性。有研究表明，结构面表面形态在剪切过程中的破坏特征决定了峰值抗剪强度，而直剪试验往往只能测得结构面表面最终的破坏形态，无法获取结构面在剪切过程中三维形貌的渐变规律。目前，三维激光扫描技术和3D打印技术逐渐已经逐渐成熟，应用于试验中也越来越普遍。而利用3D打印技术打印透明材料做成模型已经有许多学者验证将其应用在试验中与原试样试验效果几乎相同。因此，将原试样的结构面通过三维激光扫描和3D打印技术获得透明材料的结构面模型。由于结构面是在透明光敏树脂材料的内部，用CCD相机拍摄时不可避免会产生折射现象，因此需要分析不同拍摄角度对表面形态折射的影响，为了提高精度，在结构面模型上划分网格，利用CCD测量技术进行追踪能更好地观察结构面在剪切过程中的变化过程，且网格还原也能更好地了解结构面的细观力学响应。结构面网格追踪及还原的方法尚未有学者完整地研究，因此该方法是基于三维激光扫描3D打印技术、CCD测量技术及折射的理论总结出。

发明内容

为了克服原有的拍摄角度以及透明材料折射带来的影响，提高还原结构面剪损面积的精确度，本发明以岩石模型结构面可视化试验的表面形态网格追踪及还原方法为基础，通过多方位CCD测量技术，对透明光敏材料的拍摄角度的选择、网格的划分以及拍摄完成后如何让还原的剪损部分面积更接近真实剪损面积提供一种新方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种岩石模型结构面可视化试验的表面形态网格追踪及还原方法，所述方法包括如下步骤：

1)网格划分及追踪，过程如下：

1.1)选取原岩结构面，对原岩结构面进行三维扫描获取模型，然后对三维模型利用透明光敏树脂材料进行3D打印，得到相似模型结构面试样；

1.2)对结构面表面进行区域划分，并用网格线进行等距离标记，假设在试验过程中认为同一区域内的所有的点受外界因素影响的程度都相同，那么划分的区域越小则上述假设就越精确；

1.3)为了追踪结构面形貌的变化情况，需要显著区分结构面与试样其他部位以及剪切区域与结构面，则需要减少结构面表面在图像中的灰阶值，使得结构面相较于其他部位颜色更暗，因此采用的方法是在结构面表面上涂抹红颜色并且在试验时增加光源，以更加突出结构面表面的主体地位，当在试验中结构面只要有区域磨损或者破坏，此区域就会变亮；

1.4)在模型结构面的前后两面放置CCD摄像机负责结构面形貌变化以及试验过程中结构面周围裂隙扩展的拍摄，试验过程中实时监测试样各区域结构面形貌变化以及裂隙的萌生扩展以获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况；

2)网格还原，过程如下：

2.1)通过CCD相机实时追踪结构面表面，得到各网格在剪切过程中各时段的真实图形，并选择最优的拍摄角度；

2.2)通过穿透拍摄获得的由若干个网格组成的整体结构面表面图像，测量各网格拍摄图像的各条边像素，分析倾斜角度和折射角对拍摄画面各边画面产生的影响，由这些影响推导出换算公式如下1a，1b，1c，通过对这些网格各边各自的比例进行缩放后，得到这些网格各边的实际长度；

b′＝b/2+0.1x (1a)

c′＝c+0.1x (1b)

d′＝d/2+0.1x (1c)

其中：b′，c′，d′为穿透拍摄图像的边，b，c，d为正面拍摄图像的边；

而通过CCD相机实时追踪结构面表面，可得到各网格在剪切过程中各时段的真实图形，为了对比上述图像与剪切后正面拍摄画面，先对穿透拍摄的图像进行水平翻转，将其按照位置关系合成在正面拍摄原图中，将穿透拍摄还原画面与正面拍摄画面的对比，得出剪切区域形状和破损区面积的偏差。

进一步，所述步骤2)还包括以下步骤：

2.3)分析除模型试样本身的折射率外对试验拍摄画面其他的影响因素，其分别为：相机自身旋转角度、相机与试样外表面距离以及相机与穿透结构面的高差。

本发明的技术构思为：本发明以岩石模型结构面可视化试验的表面形态网格追踪及还原方法为基础，利用在模型结构面上网格划分、降低灰阶值和多方位CCD测量成像，全过程追踪更加精确地拍摄结构面表面的剪切区域。依据结构面剪切后正面拍摄图像以及结构面还原图像等信息，对比分析剪切区域形状和破损区域面积。

本发明的有益效果主要表现在：以岩石模型结构面可视化试验的表面形态网格追踪及还原方法为基础，利用在透明材料模型结构面上网格划分、降低灰阶值以及多方位CCD测量成像，全过程追踪更加精确地拍摄结构面表面的剪切区域，克服原有拍摄角度以及透明材料折射所造成的影响，提高还原的精确度。依据结构面剪切后正面拍摄图像以及结构面还原图像等信息，对比分析剪切区域形状和破损区域面积。

附图说明

图1是物体折射示意图。

图2是结构面内点的光线的折射示意图。

图3是模型试样拍摄图像，其中，(a)正面拍摄图像(b)穿透拍摄图像。

图4是结构面网格划分图。

图5是结构面上色后穿透拍摄图。

图6是区域各边提取示意图和结构面剪切部分还原过程与原图比较图，其中，(a)区域各边提取示意图(b)结构面剪切部分还原过程与原图比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种结构面抗剪强度试验网格追踪及还原方法，包括如下步骤：

1)网格划分及追踪，过程如下：

1.1)选取100×100×80(单位：mm)的原岩上盘结构面，对原岩结构面进行三维扫描获取模型，然后对三维模型利用透明材料进行3D打印，得到相似模型结构面试样；

1.2)为了在实验过程中区域追踪明确，需要对结构面表面进行区域划分，并用网格线进行等距离标记，假设在试验过程中认为同一区域内的所有点受外界因素影响的程度都相同，因此划分的区域越小则上述假设就越精确，即在结构面表面颜色涂抹前，将对结构面表面进行各边五等分，将正方形划分成25个小网格，并用网格线进行标记(如图4)；

1.3)为了追踪结构面形貌的变化情况，需要显著区分结构面与试样其他部位以及剪切区域与结构面，则需要减少结构面表面在图像中的灰阶值，使得结构面相较于其他部位颜色更暗，因此采用的方法是在结构面表面上涂抹红颜色并且在试验时增加光源，以更加突出结构面表面的主体地位，当在试验中结构面只要有区域磨损或者破坏，此区域就会变亮；

1.4)在模型结构面的前后两面放置CCD摄像机负责结构面形貌变化以及试验过程中结构面周围裂隙扩展的拍摄，试验过程中实时监测试样各区域结构面形貌变化以及裂隙的萌生扩展以获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况；

2)网格还原，过程如下：

2.1)通过CCD相机实时追踪结构面表面，可得到各网格在剪切过程中各时段的的真实图形，得出正面拍摄时结构面各边长度随倾斜角度的改变而改变，由于结构面是在透明光敏树脂材料的内部，拍摄时不可避免会产生折射现象，因此需要分析不同拍摄角度对表面形态折射的影响，并选择最优的拍摄角度；

2.2)穿透拍摄时结构面各边长度不仅受倾斜角度影响而且受折射角影响，因此还需分析折射角对拍摄画面各边长度产生的影响。图1中L₁和L₂的交点(x，y)可理解为试样内部物点所成近似的像，该像随观察位置的变化而发生变化。设直线L₁、L₂的斜率分别为k₁、k₂，它们的交点坐标为(x，y)，那么交点的坐标为：

如图2所示，以x轴为结构面试样表面的切剖线，y轴为试样内外表面的分界线，图中P点为结构面表面上一点，距离试样外表面(y轴)为h(图示OP长度)，来自物点P的某条光线的入射角为i，折射角为r；x'、y'分别为折射光线L在x和y轴上的截距。图中x'、y'与折射光L斜率k的关系式如式3a和式3b所示。

其中：y'＝htan i，x'＝y'cot r＝htani·cot r，k＝-tan r

鉴于严格的成像要求两条光线的夹角趋于零，因此将这里的x'、y'、k代入式2a和式2b以及利用折射定律sin i＝sin r/n，其中n为材料的折射率，即可求得视角r方向上的虚像点位置坐标(x，y)，可得到公式3a和公式3b，从式中可见，随着i(或视角r)的增大，坐标x随之减小，坐标y随之增大，这就意味着如果以结构面为参照面，虚像点随着视角r的增大而向左移动，也就是只有x值产生影响，画面上表现为结构面随着角度的增大而渐渐压缩，由于本试验主要是以观察结构面为主；

y＝h(n²-1)tan³ i (4b)

随着视角的增大，正面拍摄时b边(如图3a)或d(如图3a)边的长度均单调递增，但增速逐渐趋缓；而对于观测角度不变只考虑折射影响时，穿透的结构面图像呈现一个逐渐被压缩的过程，即宽度单调递减，但减速逐渐变快；由于穿透拍摄相比正面拍摄，受折射的影响，由原正面拍摄时的b边和d边曲线的单调递增变为b'(如图3b)边和d'(如图3b)曲线先增后减，并且随着视角的增大，b边与b'边和d边与d'边的差值越大；但c边与c'边曲线都是单调递增，随着视角增加它们的差值呈现递减的趋势。通过上述数据分析和规律查找，结构面在倾斜和折射的共同影响下，其各边长度存在如下关系(公式1a，1b，1c)，通过实测值和公式计算(如表1所示)，其最大误差为-6.92％，上述关系也证明了折射推导公式的正确性；

b′＝b/2+0.1x (1a)

c′＝c+0.1x (1b)

d′＝d/2+0.1x (1c)

表1为实测值和计算值；

表1

穿透拍摄(如图5)可得到25个网格组成的整体结构面表面图像，测量各网格拍摄图像的各条边像素，由上述②～③的换算方法，通过对25个网格各边各自的比例进行缩放后，可得到25个网格各边的真实长度；而通过CCD相机实时追踪结构面表面，可得到各网格在剪切过程中各时段的的真实图形。为了对比上述图像与剪切后正面拍摄画面，先对穿透拍摄的图像进行水平翻转，将其按照位置关系合成在正面拍摄原图中，如图6所示，将穿透拍摄还原画面与正面拍摄画面的对比，得出剪切区域形状和破损区面积的偏差。

2.3)在考虑模型试样本身的折射率外，对试验拍摄画面的影响还有三种影响因素，分别为：相机自身旋转角度、相机与试样外表面距离以及相机与穿透结构面的高差。在距离和高差固定的情况下，相机的投影中心是固定的，相机旋转角度的改变只是改变了像点在成像面上的位置，在能够覆盖拍摄的情况下对折射成像并没有影响；而距离和高差的改变归根结底是折射角r的改变，在距离一定时，高差越大，折射角r越大；在高差一定时，距离越大，折射角r越小。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种岩石模型结构面可视化试验的表面形态网格追踪及还原方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤:

1)网格划分及追踪，过程如下:

1.1)选取原岩结构面，对原岩结构面进行三维扫描获取模型，然后对三维模型利用透明光敏树脂材料进行3D打印，得到相似模型结构面试样;

1.2)对结构面表面进行区域划分，并用网格线进行等距离标记，假设在试验过程中认为同一区域内的所有的点受外界因素影响的程度都相同，那么划分的区域越小则上述假设就越精确;

1.3)为了追踪结构面形貌的变化情况，需要显著区分结构面与试样其他部位以及剪切区域与结构面，则需要减少结构面表面在图像中的灰阶值，使得结构面相较于其他部位颜色更暗，因此采用的方法是在结构面表面上涂抹红颜色并且在试验时增加光源，以更加突出结构面表面的主体地位，当在试验中结构面只要有区域磨损或者破坏，此区域就会变亮;

1.4)在模型结构面的前后两面放置CCD相机负责结构面形貌变化以及试验过程中结构面周围裂隙扩展的拍摄，试验过程中实时监测试样各区域结构面形貌变化以及裂隙的萌生扩展以获得剪切渐进过程的三维表面形态变化情况;

2)网格还原，过程如下:

2.1)通过CCD相机实时追踪结构面表面，得到各网格在剪切过程中各时段的真实图形，并选择最优的拍摄角度;

2.2)通过穿透拍摄获得的由若干个网格组成的整体结构面表面图像，测量各网格拍摄图像的各条边像素，分析倾斜角度和折射角对拍摄画面各边画面产生的影响，由这些影响推导出换算公式如下la, 1b,1c，通过对这些网格各边各自的比例进行缩放后，得到这些网格各边的实际长度;

b'=b/2 +0.1x (la)

c'=c+0.1x (lb)

d'=d/2 +0.1x (1c)

其中: b',c',d'为穿透拍摄图像的边，x为视角方向上的虚像点位置的横坐标，b,c,d为正面拍摄图像的边;

而通过CCD相机实时追踪结构面表面，可得到各网格在剪切过程中各时段的真实图形，为了对比上述图像与剪切后正面拍摄画面,先对穿透拍摄的图像进行水平翻转，将其按照位置关系合成在正面拍摄原图中，将穿透拍摄还原画面与正面拍摄画面的对比，得出剪切区域形状和破损区面积的偏差。

2.如权利要求1所述的岩石模型结构面可视化试验的表面形态网格追踪及还原方法，其特征在于，所述步骤2)还包括以下步骤:

2.3)分析除模型试样本身的折射率外对试验拍摄画面其他的影响因素，其分别为:相机自身旋转角度、相机与试样外表面距离以及相机与穿透结构面的高差。

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