CN110487789B - 基于磨片装置的岩石细观结构三维重建系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于磨片装置的岩石细观结构三维重建系统及方法。本发明通过对二维彩色图像使用线性空间滤波函数去噪；由RGB颜色空间转换为CIEXYZ颜色空间；采用阈值法对图像X、Y、Z三通道分别进行分割；对彩色图像进行直方图增强，再进行colorgrad边缘检测；对边分割后的图像和反边缘检测图像进行图像乘法；使用小波分析对彩色图像进行边缘检测；把分割好的图像导入MIMICS软件进行三维重构及材料参数赋值，再利用ABAQUS有限元程序进行实体转换。其有益效果是，岩石磨平面的二维彩色图像边缘检测更加精确，数字图像处理精确性高，可以区分颜色不同的矿物；图像采集质量及清晰度高；试验成本低，效率高。

Description

基于磨片装置的岩石细观结构三维重建系统及方法

技术领域

本发明涉及一种岩石细观结构的彩色图像三维重建方法，尤其是涉及一种基于磨片装置的岩石细观结构三维重建系统及方法。

背景技术

岩石内部存在着大量不规则分布的细观结构，例如：不同尺度的矿物颗粒、裂隙等。在外部载荷的作用下，岩石的宏观力学性能由岩石细观结构损伤演化所决定。目前，对岩石内部细观结构的研究方法主要有电镜扫描、核磁共振、CT扫描等，但上述方法都存在一定缺陷，如：电镜扫描对岩石总体情况反映能力不够完善；核磁共振对细节反映欠缺；而CT扫描虽然能准确定量展示岩石内部结构关系、物质组成及缺陷状况而被许多研究者应用，但基于CT图像的岩石细观结构三维重构，图像会受到噪声和伪影影响，重构过程中利用灰度图像二值化处理，一定程度上会影响重构结果的精度和信息；另外仪器占地面积大、成本高也成为研究岩石力学性能的一大阻碍。

发明内容

为了克服现有岩石内部细观结构的研究过程中存在以上不足，本发明提供一种基于磨片装置的岩石细观结构三维重建系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于磨片装置的岩石细观结构三维重建方法，步骤如下：

A、对二维彩色图像使用线性空间滤波函数去噪；

B、由RGB颜色空间转换为CIEXYZ颜色空间；

C、采用阈值法对图像X、Y、Z三通道分别进行分割；

D、对步骤B中的彩色图像进行直方图增强，再进行colorgrad边缘检测；

对边缘检测结果进行非线性全局拉伸以增加对比度，得到边缘检测结果；使用imcomplement方法得到取反边缘检测结果，进行二值化，得到取反边缘检测结果二值化图像；

E、对步骤C中分割后的图像和步骤D中取反边缘检测图像进行图像乘法；

F、使用小波分析对彩色图像进行边缘检测，在两种边缘检测结果中选取边缘检测效果相比较更好的；

G、把分割好的图像导入MIMICS软件进行三维重构及材料参数赋值，再利用ABAQUS有限元程序进行实体转换。

一种为三维重建方法提供岩石磨片的实验装置，包括水平工作台、导轨、计算机，导轨为直线形滑动导轨，导轨固定安装在水平工作台上，所述岩石磨片实验装置还包括升降台、磨片装置、清洗烘干设备、图像采集设备，所述升降台设置在导轨上，沿所述导轨水平滑动。

所述升降台安装有夹具，夹具伸出升降台的一端固定夹持岩石试件，岩石试件的磨平面朝下且与水平面平行；升降台设置有垂直的丝杆，丝杆旋转带动夹具沿其上下移动。

在所述导轨的外侧，依次设置有磨片装置、清洗烘干设备、图像采集设备，所述导轨上设置有位置传感器分别对应所述磨片装置、清洗烘干设备、图像采集设备，当所述升降台到达相应位置时，位置传感器将发出到达信号。

所述夹具夹持岩石试件随升降台沿轨道水平直线运动和沿升降台的丝杆上下移动，将岩石试件送至磨片装置进行磨平，送至清洗烘干设备对岩石磨平面进行清洗、烘干，送至图像采集设备采集图像。

所述计算机安装有所述实验装置的操作控制程序和图像处理程序，操作控制程序用于所述实验装置的运行控制，获得岩石磨平面二维彩色图像；图像处理程序用于所述步骤A～F对岩石磨平面二维彩色图像进行处理。

所述图像采集设备包括筒状的壳体、自动对焦CCD彩色相机、LED灯、光电传感器，所述自动对焦CCD彩色相机通过USB接口将采集的图像传至计算机。

进一步，所述壳体为封闭筒状，自动对焦CCD彩色相机安装在壳体内的底部，镜头垂直向上；所述壳体上端对应自动对焦CCD彩色相机的镜头位置有一垂直通孔，夹具将岩石试件送至通孔供图像采集；在壳体的底部和内筒壁上安装有LED灯。

所述磨片装置设置有磨片机、激光位移传感器，所述磨片机采用金刚石水磨片。

一种所述岩石磨片实验装置的使用方法，其步骤如下：

a、准备工作：

调整夹具，将岩石试件固定在所述夹具上，岩石试件的磨平面水平朝下，

设置所述清洗烘干设备的工作参数，如：清洗力度、烘干温度，

调试图像采集设备，以便岩石试件到达时可准确拍摄，

启动所述计算机的操作控制程序，设置岩石磨片厚度、磨片数量参数；

b、通过计算机的操作控制程序操控实验装置的运行，升降台的丝杆转动，通过夹具调整岩石试件的高度，升降台沿导轨滑动，岩石试件移动且依次经过所述磨片装置、清洗烘干设备，在接收到位置传感器信号后，依次完成岩石试件的磨片工作和磨平面的清洗、烘干；

c、所述夹具将岩石试件的磨平面移动至所述图像采集设备的筒状壳体（11）上部的通孔处，操作控制程序接收光电传感器信号，自动对焦CCD彩色相机对磨平面进行图像采集，并将图像数据通过USB接口输出至计算机；

d、所述升降台携夹具及岩石试件沿导轨滑动，回到磨片装置再次进行磨片；

重复步骤c和步骤d，直至获取足够数量的岩石磨平面二维彩色图像；

e、通过所述计算机中的图像处理程序，对岩石磨平面二维彩色图像进行处理。

本发明的有益效果是：

（1）基于磨片装置的岩石细观结构三维重建方法，采用彩色图像直接进行裂隙提取，使边缘检测更加精确；数字图像的算法采用阈值法、局部增强和边缘提取法相结合，提高图像处理的精确性；此种方法可直接对岩石中密度相近，但颜色不同的矿物进行分割；

（2）岩石磨片实验装置采用直线形布局方式，使得装置结构紧凑，能够在实验室有限空间内安装使用；采用金刚石水磨片减小了对试件的磨损并保证了磨片的精度；清洗烘干设备将清洗、烘干合二为一，降低成本，提高实验效率；采用自动对焦CCD彩色相机可提高图像质量及清晰度；通过计算机控制装置运行、数据采集、数据处理等全过程，有效避免人为操作带来的各种误差，保证实验结果的准确性、完整性。

附图说明

图1是本发明基于磨片装置的岩石细观结构的彩色图像三维重建流程图。

图2是本发明岩石磨片实验装置结构示意图。

图3是本发明图像采集设备结构示意图。

图4是本发明岩石磨片实验装置使用方法流程图。

图中：1.夹具，2.升降台，3.磨片装置，4.磨片机，5.清洗烘干设备，6.图像采集设备，7.导轨，8.计算机，9.岩石试件，10.自动对焦CCD彩色相机，11.壳体，12.通孔，13.LED灯。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式，只要符合本发明的精神，都应该包括于本发明的保护范围内。

参见附图1。本发明基于磨片装置的岩石细观结构三维重建方法，包括通过岩石磨片实验装置采集的足够数量的岩石磨平面二维彩色图像，步骤如下：

A、对彩色图像使用线性空间滤波函数去噪；

B、由RGB颜色空间转换为CIEXYZ颜色空间；

C、采用阈值法对图像X、Y、Z三通道分别进行分割；

D、对步骤B中的彩色图像进行直方图增强，再进行colorgrad边缘检测；

对边缘检测结果进行非线性全局拉伸以增加对比度，得到边缘检测结果；使用imcomplement方法得到取反边缘检测结果，进行二值化，得到取反边缘检测结果二值化图像；

E、对步骤C中分割后的图像和步骤D中反边缘检测图像进行图像乘法；

F、使用小波分析对彩色图像进行边缘检测，在两种边缘检测结果中选取边缘检测效果相比较更好的；

G、把分割好的图像导入MIMICS软件进行三维重建及材料参数赋值，再利用ABAQUS有限元程序进行实体转换。

其中：RGB是工业界的一种颜色标准，

CIEXYZ是与RGB相关的相像的基色系统；

colorgrad为色彩分级；

imcomplement方法是对图像数据进行取反运算（实现底片效果）；

MIMICS是交互式的医学影像控制系统，是模块化结构的软件；

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件。

在上述岩石细观结构的彩色图像三维重建方法中，

将RGB色彩空间转换为CIEXYZ色彩空间，CIEXYZ颜色空间多色彩感知更加均匀，更适用于颜色的计算；

对感兴趣的区域有效放大和突出显示，有利于对图像的识别；

colorgrad边缘检测法能够直接检测彩色边缘，边缘定位精度高；

对边缘检测结果进行非线性全局拉伸、反对应边缘检测、二值化，以增强对比度，使图像结果更加清晰；使用二值化方法去除过度提取的裂纹；

本发明彩色图像三维重建方法不仅可以分割彩色图像，还可以提取彩色岩石图像的纹理、裂隙。

参见附图2。本发明中为所述岩石细观结构的彩色图像三维重建提供岩石磨片的实验装置，包括水平工作台、升降台2、磨片装置3、清洗烘干设备5、图像采集设备6、导轨7、计算机8，导轨7为直线形滑动导轨，导轨7固定安装在水平工作台上。所述计算机8安装有实验装置的操作控制程序和图像处理程序，其中：操作控制程序用于所述实验装置的运行控制，获得岩石磨平面二维彩色图像；图像处理程序用于所述步骤A～F对岩石磨平面二维彩色图像进行处理。

所述升降台2设置在导轨7上，沿所述导轨7水平滑动。

所述升降台2安装有夹具1，夹具1伸出升降台2的一端固定夹持有岩石试件9，岩石试件9的磨平面朝下且与水平面平行；升降台2设置有垂直的丝杆，丝杆旋转带动夹具1沿丝杆上下移动。

在所述导轨7的外侧，依次设置有磨片装置3、清洗烘干设备5、图像采集设备6，所述导轨7上设置有位置传感器分别对应所述磨片装置3、清洗烘干设备5、图像采集设备6，当所述升降台2到达相应位置时，位置传感器将发出到达信号。

所述岩石磨片实验装置采用直线形布局，结构紧凑；清洗烘干设备将清洗、烘干合二为一，提高效率，节省空间，占地面积小，能够在实验室有限空间内安装使用。

所述夹具1夹持岩石试件9随升降台2沿轨道7水平直线运动，以及沿升降台2的丝杆上下移动，当夹具1夹持岩石试件9随升降台2到达所述磨片装置3、清洗烘干设备5、图像采集设备6相应位置时，所述操作控制程序接收位置传感器的发送信号，送至磨片装置3时对岩石试件9进行磨平，送至清洗烘干设备5时对岩石磨平面进行清洗、烘干，送至图像采集设备6采集图像。

参见附图3。所述图像采集设备6包括自动对焦CCD彩色相机10、筒状的壳体11、LED灯13、光电传感器等，所述自动对焦CCD彩色相机10通过USB接口将采集的图像传至计算机8。采用自动对焦CCD彩色相机可提高图像质量及清晰度。

进一步，所述壳体11为封闭筒状，自动对焦CCD彩色相机10安装在壳体11内的底部，镜头垂直向上；所述壳体11上端对应自动对焦CCD彩色相机10的镜头位置有一垂直通孔12，夹具1将岩石试件9送至通孔10供图像采集；在壳体11的底部和内筒壁上安装有LED灯。图像采集设备6采用筒状封闭结构，有效减少人为碰撞及环境对图像采集质量的影响；在壳体11的内筒壁及底部安装LED灯，可根据需要选择开启或关闭，并可进行亮度调节，能够提高采集图像的质量。

所述磨片装置3设置有磨片机4、激光位移传感器，所述磨片机4采用金刚石水磨片。金刚石水磨片可减少磨平过程对岩石的损伤，且加入研磨液可减少灰尘，监测磨片厚度的激光位移传感器可高精度实时获取磨片厚度数值，此实验装置实现磨片厚度达微米级别。

所述磨片装置3靠近外边缘处均匀布置四个螺栓，将所述磨片机4固定安装，在磨片装置3的左右两侧设置有高精度激光位移传感器，在磨片过程中检测磨片装置3位置高低变化，以保证磨片装置3和试件磨片端面处于水平状态。

本发明的岩石磨片实验装置，磨片装置对试件损伤小，磨片精度高；结构紧凑，实验效率高，适合在实验室有限空间内安装使用；通过计算机控制装置运行、数据采集、数据处理等实验过程，采集的图像质量及清晰度高，有效避免人为操作带来的各种误差，实现实验结果的准确性、完整性。

参见附图4。本发明岩石磨片实验装置的使用方法，其步骤如下：

a、准备工作：

首先，调整夹具1，将岩石试件9固定在夹具1上，岩石试件9的磨平面水平朝下；

设置所述清洗烘干设备5的工作参数，如：清洗力度、烘干温度等；

调试图像采集设备6，以便岩石试件到达时可准确拍摄；

启动所述计算机8的操作控制程序，设置岩石磨片厚度、磨片数量等参数；

b、通过计算机8的操作控制程序操控实验装置的运行，升降台2的丝杆转动，通过夹具1调整岩石试件9的高度；升降台2沿导轨7滑动，岩石试件9移动且依次经过所述磨片装置3、清洗烘干设备5，在接收到位置传感器信号后，依次完成岩石试件9的磨片和磨平面的清洗、烘干；

c、所述夹具1将岩石试件9的磨平面移动至所述图像采集设备6的筒状壳体11上部的通孔12处，操作控制程序接收到光电传感器信号，自动对焦CCD彩色相机10对磨平面进行图像采集，并将图像数据通过USB接口输出至计算机8；

d、所述升降台2携夹具1及岩石试件9沿导轨7滑动，回到磨片装置3再次进行磨片；

重复步骤c和步骤d，直至获取足够数量的岩石磨平面二维彩色图像；

e、通过所述计算机8中的图像处理程序，对岩石磨平面二维彩色图像进行处理。

在本发明中采用基于磨片装置的岩石细观结构三维重建方法所涉及的软件，既可以安装在所述基于磨片装置的计算机8上，也可以安装在其他计算机上。

本发明提供的基于磨片装置的岩石细观结构的彩色图像三维重建方法及其岩石磨片实验装置可广泛应用于实验室对岩石的研究工作中。

应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离本专利的权利要求范围。

Claims (1)

1.一种基于磨片装置的岩石细观结构三维重建方法，步骤如下：

A、对二维彩色图像使用线性空间滤波函数去噪；

B、由RGB颜色空间转换为CIEXYZ颜色空间；

C、采用阈值法对图像X、Y、Z三通道分别进行分割；

D、对步骤B中的彩色图像进行直方图增强，再进行colorgrad边缘检测；

对边缘检测结果进行非线性全局拉伸以增加对比度，得到边缘检测结果；使用imcomplement方法得到取反边缘检测结果，进行二值化，得到取反边缘检测结果二值化图像；

E、对步骤C中分割后的图像和步骤D中取反边缘检测图像进行图像乘法；

F、使用小波分析对彩色图像进行边缘检测，在两种边缘检测结果中选取边缘检测效果相比较更好的；

G、把分割好的图像导入MIMICS软件进行三维重构及材料参数赋值，再利用ABAQUS有限元程序进行实体转换。

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