CN111524229A - 岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统及方法 - Google Patents

岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统及方法 Download PDF

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CN111524229A CN202010238734.9A CN202010238734A CN111524229A CN 111524229 A CN111524229 A CN 111524229A CN 202010238734 A CN202010238734 A CN 202010238734A CN 111524229 A CN111524229 A CN 111524229A
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Abstract

本发明公开了岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统及方法，通过从多个不同高度的视角拍摄岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，以获取岩石颗粒表面的全部特征点；根据所述岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像进行三维建模，得到所述岩石颗粒的三维模型；在所述三维模型提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述轮廓信息计算所述岩石颗粒的三维几何形貌信息，相比现有技术，本发明中的方法和系统获取的岩石颗粒的三维模型不但精度更高，还能获取岩石颗粒的局部的三维几何形貌信息。

Description

岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统及方法
技术领域
本发明涉及岩石颗粒的三维几何形貌信息提取装置和数据库构建技术，具体而言，涉及岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统及方法。
背景技术
岩石颗粒作为一种自然界中广泛存在的颗粒物质材料，一直是工程领域研究的热点，许多学者从不同角度开展了一系列的相关研究工作。在岩土工程领域，目前已有大量的物理实验和数值模拟的研究，发现颗粒材料的宏观物理力学性质与细观组构有强烈的相关性。
早期的研究集中在利用物理力学试验颗粒材料的力学特性。然而物理试验是非常耗费体力和昂贵的，并且具有很大的不确定性。为了克服物理试验的困难，先后出现了一系列数值颗粒的模拟方法。离散单元法(DEM)是一种运用非常广泛的数值模拟方法，颗粒的形状对其堆积体的组构与力学性质有重要影响。因此，在离散元数值模拟中，采用接近自然界真实形态的岩石颗粒至关重要。
以往学者多采用规则形状颗粒来研究堆积体的力学性质，而对真实颗粒力学性质的研究鲜有报导。而近些年来，随着计算机技术及计算方法的发展，使得建立颗粒精细化的数字模型成为可能。
获取真实颗粒的三维数字化模型是研究其力学性质的第一步。目前，颗粒三维颗粒数字模型的构建主要通过以下两种方式，一种是基于相关理论对颗粒的轮廓进行构建，建立一系列纯数字化的颗粒轮廓信息，另一种是通过图像处理技术获取真实颗粒的轮廓信息。在图像处理方面，有学者通过拍摄三个正交方向的颗粒的二维轮廓，通过一系列的转换来构建颗粒的三维轮廓。这种方法构建的颗粒能够总体反映真实颗粒的形状特征，但无法描述颗粒局部细节信息。随后又出现了一些新的技术可以对物体进行三维重建，诸如：X射线扫描，CT扫描，激光扫描。这些技术重建出模型精度较高，但是价格昂贵，无法大批量地获取。
发明内容
本发明提供了岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统及方法，用以解决现有的图像处理技术获取的三维模型精度不高，无法得到所述岩石颗粒的局部的三维几何形貌信息的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统，包括：
图像采集装置：用于从多个不同高度视角拍摄岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，以获取岩石颗粒表面的全部特征点；
图像处理装置：用于根据所述多张特征图像进行三维建模，得到所述岩石颗粒的三维模型，并在所述三维模型提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述轮廓信息计算所述岩石颗粒的三维几何形貌信息。
优选的，所述图像采集装置包括：拍摄框架、设置在拍摄框架内部的转盘以及设置在拍摄框架上的拍摄窗口；
所述转盘：用于放置岩石颗粒，并带着所述岩石颗粒按预定的角速度旋转，以将岩石颗粒的各个面依次展现在所述拍摄窗口，供拍摄窗口采集岩石颗粒各个面在不同视角的多张特征图像；
所述拍摄窗口上配置有多个不同高度视角的相机，用于按预定的拍摄频率从不同高度视角拍摄岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，所述预定的角速度和预定的拍摄频率的选用标准保证待扫描物体表面的一个特征点同时出现在3张不同的特征图像中，以满足影像画面重叠度的要求。
优选的，所述拍摄框架的顶部、底部以及侧面均安装有LED灯带，用以消除岩石颗粒的影子对拍照效果的影响；拍摄框架的内壁安装有白色背景板，用以消除背景的干扰；所述转盘和LED灯带均与控制元件连接，所述控制元件用于调节所述拍摄框架内的LED灯光的亮度和转盘的转速。
优选的，所述图像处理装置包括：
特征点识别及配准模块：用于使用运动恢复结构算法识别并配准每张特征图像上的特征点，并将每张特征图像上的特征点还原到所述岩石颗粒三维空间的对应位置，构建出所述岩石颗粒特征点的稀疏点云；
密集点云构建模块：用于以稀疏点云的空间点为种子点，使用基于块匹配的多视点三维稠密算法重建并确定所述岩石颗粒的三维空间点云，从而得到所述岩石颗粒更为细致的块石颗粒形态；
三维网格图生成模块：用于对所述岩石颗粒的三维空间点云进行泊松重建，从而构建出块石的三维网格，并在生成网格的过程中，通过点云插值的方式，填充所述岩石颗粒的三维模型表面的缺失部分，得到所述岩石颗粒的三维网格模型；
几何形貌信息提取模块：用于采用等距球面插值算法对所述三维岩石颗粒的三维网格模型进行简化，并从简化的三维网格模型中提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述岩石颗粒的轮廓信息计算所述三维几何形貌信息。
优选的，所述三维几何形貌信息包括基本形状指标和/或深化形状指标和/或纹理形状指标，所述基本形状指标包括：扁平度和球形度，所述深化形状指标包括形状因子、棱角度和凹凸度，所述纹理形状指标包括粗糙度，所述三维几何形貌信息提取系统还包括一岩石颗粒数据库，所述岩石颗粒数据库用于对所述三维网格模型进行标准化处理，并将岩石颗粒的三维几何形貌信息与所述三维网格模型对应存储起来。
一种岩石颗粒的三维几何形貌信息提取方法，具体包括以下步骤：
从多个不同高度的视角拍摄岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，以获取岩石颗粒表面的全部特征点；
根据所述岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像进行三维建模，得到所述岩石颗粒的三维模型；
在所述三维模型提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述轮廓信息计算所述岩石颗粒的三维几何形貌信息。
优选的，从多个不同高度的视角拍摄岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，包括以下步骤：
将所述岩石颗粒放置转盘上，并是转盘按预定的转速进行旋转，以将岩石颗粒的各个面依次展现在多个具有不同高度视角的相机面前；同时控制多个具有不同高度视角的相机按预定的拍摄频率进行拍摄，以得到岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像。
优选的，根据所述岩石颗粒的多张不同视角的特征图像进行三维建模，具体包括以下步骤：
以稀疏点云的空间点为种子点，使用基于块匹配的多视点三维稠密算法重建并确定所述岩石颗粒的三维空间点云，从而得到所述岩石颗粒更为细致的块石颗粒形态；
对所述岩石颗粒的三维空间点云进行泊松重建，从而构建出块石的三维网格，并在生成网格的过程中，通过点云插值的方式，填充所述岩石颗粒的三维模型表面的缺失部分，得到所述岩石颗粒的三维网格模型；
优选的，在所述三维模型提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述轮廓信息计算所述岩石颗粒的三维几何形貌信息，具体包括以下步骤：
采用等距球面插值算法对所述三维岩石颗粒的三维网格模型进行简化，并从简化的三维网格模型中提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述岩石颗粒的轮廓信息计算所述三维几何形貌信息。
优选的，在计算所述岩石颗粒的三维几何形貌信息后，还包括以下步骤：对所述三维网格模型进行标准化处理，并将岩石颗粒的三维几何形貌信息与所述三维网格模型对应存储起来。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统及方法，从多个不同高度的视角拍摄岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，以获取岩石颗粒表面的全部特征点；根据所述岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像进行三维建模，得到所述岩石颗粒的三维模型；在所述三维模型提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述轮廓信息计算所述岩石颗粒的三维几何形貌信息，相比现有技术，本发明中的方法和系统获取的岩石颗粒的三维模型不但精度更高，还能获取岩石颗粒的局部的三维几何形貌信息。
2、在优选方案中，本发明中的构建处符合自然界真实形态的三维数字化的岩石颗粒数据库，进而可以利用数据库来对岩石聚集体进行力学性质分析，可以通过随机调用数据库中具有特定形状指标的岩石，进行相应的数值模拟分析，在不失普遍性的前提下，定性以及定量地研究岩石的细观形状指标对宏观力学性质的影响，使得研究更接近工程实际，对工业和工程实践具有重要的指导意义。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明优选实施例中的三位岩石颗粒图片采集示意图；
图2为本发明优选实施例中的岩石颗粒影像采集系统示意图((a)岩石颗粒；(b)转盘；(c)摄影箱；(d)高机位相机；(e)中机位相机；(f)低机位相机；(g)按钮；(h)-(j)标定点)；
图3为本发明优选实施例中的岩石颗粒三维重建过程示意图((a)采集的颗粒的不同角度的二维照片；(b)稀疏点云；(c)密集点云；(d)生成网格)；
图4为本发明优选实施例中的颗粒三维模型的简化示意图；
图5为本发明优选实施例中的扁平度、伸长率和球形度计算简图(Rinsc为最大内切球半径；Rcirc为最小外接球半径)；
图6为本发明优选实施例中的凹凸度、形状因子和棱角度计算简图(图a中深色部分表示原颗粒，浅色部分表示颗粒的最小外接凸多面体；VA为颗粒表面积；SA为颗粒体积；VCH为最小外接凸多面体的体积；SB为与等体积球的表面积；An为每个棱角区域的面积；kGauss为每个棱角区域的高斯曲率；kinsc为颗粒的最大内切球的曲率，kinsc＝1/Rinsc)；
图7为本发明优选实施例中的岩石颗粒库中提取单个岩石颗粒示意图(FI为扁平度；EI为伸长率；SI为球形度；CI为凹凸度；AI为棱角度；IQ等周商)；
图8本发明的岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统的结构简图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一：
本实施中公开了一种岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统，包括：
图像采集装置：用于从多个不同高度视角拍摄岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，以获取岩石颗粒表面的全部特征点；
图像处理装置：用于根据所述多张特征图像进行三维建模，得到所述岩石颗粒的三维模型，并在所述三维模型提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述轮廓信息计算所述岩石颗粒的三维几何形貌信息。
此外，在本实施例中，还公开了一种岩石颗粒的三维几何形貌信息提取方法，具体包括以下步骤：
从多个不同高度的视角拍摄岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，以获取岩石颗粒表面的全部特征点；
根据所述岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像进行三维建模，得到所述岩石颗粒的三维模型；
在所述三维模型提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述轮廓信息计算所述岩石颗粒的三维几何形貌信息。
本发明中的岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统及方法，从多个不同高度的视角拍摄岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，以获取岩石颗粒表面的全部特征点；根据所述岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像进行三维建模，得到所述岩石颗粒的三维模型；在所述三维模型提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述轮廓信息计算所述岩石颗粒的三维几何形貌信息，相比现有技术，本发明中的方法和系统获取的岩石颗粒的三维模型不但精度更高，还能获取岩石颗粒的局部的三维几何形貌信息。
实施例二：
实施例二是实施例一的拓展实施例，其与实施例一的不同之处在于，对岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统的功能和结构进行了拓展，对方法的步骤进行了细化，具体包括以下内容：
本发明中的岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统采用数码相机、摄影箱及计算机搭建岩石颗粒影像采集系统(即本发明中的图像采集装置)，对岩石颗粒进行图像采集、轮廓提取与信息储存。
如图1至图2所示，本发明中的岩石影像采集系统设计有一立方体摄影箱作为拍摄框架，摄影箱的内部设置有转盘，摄影箱的前部设置有拍摄窗口，拍摄窗口上配置三台相机，且在摄影箱的顶部底部以及侧面均安装有LED灯带，安装灯带的作用是消除岩石颗粒的影子对拍照效果的影响。摄影箱的内壁安装有白色背景板，以消除背景的干扰。摄影箱的右侧设有按钮可以调节摄影箱里面LED灯光的亮度和转盘的转速。
上述岩石颗粒影像采集系统，拍摄质量要求如下：采集岩石颗粒的特征图像要保证相邻影像的画面中具有一定的重叠度，保证有足够数量的影像覆盖整个颗粒的表面。影像数量不足会遗漏颗粒表面上的部分特征点，影像数量过大会显著增加计算机解算的工作量。另外低质量的影像往往成为无效的对象，需要调整合适的相机参数以便获取影像清晰、具有较大景深的相片(对焦区域面积的最大化)。因此密度合适的高质量影像是摄影测量法重建岩石颗粒块石三维模型的关键。
上述岩石颗粒影像采集系统，拍摄框架如下：扫描框架从上到下共分为两大层(上半部分+下半部分)、六小层，每层等角度(30°)采集12张、共计72张特征图像。该扫描框架能够保证待扫描物体表面的一个特征点同时出现在3张不同的特征图像中，满足影像画面重叠度的要求。
上述岩石影像采集系统，拍摄过程如下：在岩石颗粒上贴了三个标定点用以计算岩石的实际尺寸，将岩石颗粒放置在转盘上，转盘每旋转360°，岩石颗粒也随之旋转一周，三台相机分别从高中低三个不同高度视角拍摄岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，高中低三个机位的镜头的俯仰角分别是-60度、0度与60度。完成一次拍摄后，岩石颗粒只有底面的形貌信息未被采集到，因此需要把岩石翻转一个面，重新进行一次拍摄。
上述岩石颗粒影像采集系统，拍摄原理如下：设定转盘旋转的角速度是5°/s，并设定三台相机的拍摄速度均为每6秒拍摄一张特征图像。岩石颗粒每旋转30度，三台相机各自拍摄一张特征图像。因此转盘旋转一周时，三台相机一共可以获得36张特征图像。每个岩石颗粒拍摄两遍，共可得到72张特征图像。
本实施例中的图像处理装置包括：
特征点识别及配准模块：用于使用运动恢复结构算法识别并配准每张特征图像上的特征点，并将每张特征图像上的特征点还原到所述岩石颗粒三维空间的对应位置，构建出所述岩石颗粒特征点的稀疏点云；
密集点云构建模块：用于以稀疏点云的空间点为种子点，使用基于块匹配的多视点三维稠密算法重建并确定所述岩石颗粒的三维空间点云，从而得到所述岩石颗粒更为细致的块石颗粒形态；
三维网格图生成模块：用于对所述岩石颗粒的三维空间点云进行泊松重建，从而构建出块石的三维网格，并在生成网格的过程中，通过点云插值的方式，填充所述岩石颗粒的三维模型表面的缺失部分，得到所述岩石颗粒的三维网格模型；
几何形貌信息提取模块：用于采用等距球面插值算法对所述三维岩石颗粒的三维网格模型进行简化，并从简化的三维网格模型中提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述岩石颗粒的轮廓信息计算所述三维几何形貌信息。
基于上述图像处理装置，如图3所示，根据所述岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，可采用多视几何方法进行三维建模，具体过程为：
(1)对齐特征图像。即通过特征点识别及配准，将每张特征图像中的部分还原到三维空间的对应位置。在对齐特征图像过程中，使用运动恢复结构方法对石块的特征点进行稀疏重建，构建出稀疏点云。
(2)建立密集点云。当确认重建的扫描框架已经完全覆盖中间的物体，就可稀疏点云的空间点为种子点，使用基于块匹配的多视点三维稠密重建确定更多的三维空间点。从而得到更为细致的块石颗粒形态。
(3)生成网格。对稠密重建出的三维点云进行泊松重建，从而构建出块石的三维网格。在生成网格的过程中，可通过点云插值的方式，填充模型表面的缺失部分。
网格生成之后，就可以导出标准格式的三维数据文件(如STL、PLY格式)，用于后续的计算和模拟。
在所述三维模型提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述轮廓信息计算所述岩石颗粒的三维几何形貌信息，流程如下：
(1)如图4所示，对三维模型进行简化。进行经三维重建得到的模型十分精细，面片数较多，能够达到百万量级。然而过于精细化的模型用于宏观形状指标的计算效率较低，因此本发明采用简化后的颗粒模型进行宏观形状指标的计算。简化的思路基于等距球面插值。将三维重建后的颗粒与一个表面网格均匀分布的球体重叠放在一起，保证其几何形心相同。以球心为起点分别做射线，令射线经过球面上的三角网格顶点。并记录每一条射线与颗粒表面的交点。最后，对这些颗粒表面的交点进行拓扑重建。
(2)进行岩石颗粒的三维几何形貌信息的计算，即对不规则岩石颗粒的轮廓信息从三个层次进行分析。
第一层次形状指标。第一层次指标描述了颗粒的基本形状，例如球形、椭球形、纺锤形等，其相应的形状指标有3个：扁平度(Flatness Index,FI)、伸长率(ElongationIndex,EI)和球形度(Sphericity Index,SI)。其中，如图5所示，扁平度和伸长率的定义源自碰撞检测领域的方向包围盒(Oriented Bounding Box,OBB)，即最贴近物体的长方体。球形度由颗粒的“最大内切球半径”(能够被颗粒表面内含的半径最大的球)和“最小外接球半径”(能够包围颗粒表面的半径最小的球)决定。
三个形状指标的计算公式可以表述为：
Figure BDA0002431856800000091
Figure BDA0002431856800000092
Figure BDA0002431856800000093
式中a，b和c分别为OBB包围盒三个方向上的棱长(a＞b＞c)，Rinsc和Rcirc分别为“最大内切球半径”和“最小外接球半径”。FI的值越接近0说明该颗粒越扁平，EI的值越接近0说明该颗粒越细长，SI的值越接近1说明该颗粒越接近球体。
第二层次形状指标(即深化形状指标)。第二层次指标描述了颗粒轮廓的磨圆程度和棱角度等，在第一层次讨论的基础上进一步细化分析颗粒的形状特征。主要凸显了起伏程度不同的表面在同等面积的情况下，包围体积的效率(球面的效率最高)，相应的形状指标有2个：凹凸度(Convexity Index,CI)和棱角度(Angularity Index,AI)。如图6所示，凹凸度由颗粒的体积与颗粒轮廓最小外接凸多面体的体积决定。棱角度由颗粒表面上网格顶点的高斯曲率和上述“最大内切球”的曲率决定。网格顶点的高斯曲率大于“最大内切球”曲率的邻域三角面片定义为棱角区域。
两个形状指标的公式可以表述为：
Figure BDA0002431856800000101
Figure BDA0002431856800000102
式中VA和SA分别为颗粒表面积和体积，VCH为最小外接凸多面体的体积，SB为与等体积球的表面积，An为每个棱角区域的面积，kGauss为每个棱角区域的高斯曲率，kinsc为颗粒的最大内切球的曲率，kinsc＝1/Rinsc。CI的值越接近1说明该颗粒的凹凸程度越小；AI的值越接近1说明该颗粒棱角越明显。
第三层次形状指标(即纹理形状指标)。第三层次指标分析颗粒表面的纹理结构，该层次的分析更加精细，反映了粗糙程度、不规则形状以及曲面细微的起伏变化等，相应的形状指标为等周商(Isoperimetric quotient,IQ)。Isoperimetric quotient由颗粒的表面积和等体积球的表面积决定。计算方法如下式。
Figure BDA0002431856800000103
式中SA为颗粒的表面积，SB为与颗粒等体积的球的表面积。
(3)岩石颗粒数据库的建立。首先对颗粒进行标准化处理，即将颗粒的几何形心移动到原点。颗粒的几何形心(xo,yo,zo)取颗粒轮廓上所有点的坐标的平均值。即：
Figure BDA0002431856800000104
其中(xi,yi,zi)为颗粒轮廓上任意一点的坐标，而n为颗粒上点的总数。
则将颗粒形心移动到原点后颗粒上任意一点的坐标(xi’,yi’,zi’)为:
x′i＝xi-xo y′i＝yi-yo z′i＝zi-zo
然后将标准化处理后岩石颗粒的几何轮廓信息存储起来，存储格式为[Coordinate,Structure]，其中Coordinate代表颗粒的点的坐标，Structure表示点的组织方式，即颗粒表面三角网格的拓扑关系。并将岩石颗粒七个形状指标几何参数对应存储起来，作为标签对数据库里的岩石颗粒进行标记，方便检索与取样，为后续研究岩石颗粒几何形貌信息与力学性质之间的联系奠定基础。构建的岩石颗粒库存储格式为[Number,Geometric_contour,FI,EI,SI,CI,AI,IQ,c,b,a,Rcirc,Rinsc,SA,VA,VCH,Sscan,Vscan]。
岩石颗粒数据库构建完成后，如图7至图8所示，输入岩石颗粒的三维几何形貌信息，就可以根据岩石颗粒的索引值取出此岩石颗粒及其对应的形状指标计算值。
在实际研究中，需要提取出指标在某个范围内的所有道颗粒。在本发明构建的数据库中，只需要输入对应指标的范围，程序会自动输出符合要求的所有岩石颗粒的轮廓坐标及其形状指标计算值，并自动对这些岩石颗粒的形状指标进行统计。数据库构建完成后，可以很方便地从中取出自己符合自己需求的岩石颗粒，便于后续进行统计分析以及岩石颗粒形状指标与力学性质关系的研究。
综上所述，本发明中的岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统及方法，从多个不同高度的视角拍摄岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，以获取岩石颗粒表面的全部特征点；根据所述岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像进行三维建模，得到所述岩石颗粒的三维模型；在所述三维模型提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述轮廓信息计算所述岩石颗粒的三维几何形貌信息，相比现有技术，本发明中的方法和系统获取的岩石颗粒的三维模型不但精度更高，还能获取岩石颗粒的局部的三维几何形貌信息。
在优选方案中，本发明中的构建处符合自然界真实形态的三维数字化的岩石颗粒数据库，进而可以利用数据库来对岩石聚集体进行力学性质分析，可以通过随机调用数据库中具有特定形状指标的岩石，进行相应的数值模拟分析，在不失普遍性的前提下，定性以及定量地研究岩石的细观形状指标对宏观力学性质的影响，使得研究更接近工程实际，对工业和工程实践具有重要的指导意义。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统，其特征在于，包括：
图像采集装置：用于从多个不同高度视角拍摄岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，以获取岩石颗粒表面的全部特征点；
图像处理装置：用于根据所述多张特征图像进行三维建模，得到所述岩石颗粒的三维模型，并在所述三维模型提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述轮廓信息计算所述岩石颗粒的三维几何形貌信息。
2.根据权利要求1所述的岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统，其特征在于，所述图像采集装置包括：拍摄框架、设置在拍摄框架内部的转盘以及设置在拍摄框架上的拍摄窗口；
所述转盘：用于放置岩石颗粒，并带着所述岩石颗粒按预定的角速度旋转，以将岩石颗粒的各个面依次展现在所述拍摄窗口，供拍摄窗口采集岩石颗粒各个面在不同视角的多张特征图像；
所述拍摄窗口上配置有多个不同高度视角的相机，用于按预定的拍摄频率从不同高度视角拍摄岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，所述预定的角速度和预定的拍摄频率的选用标准保证待扫描物体表面的一个特征点同时出现在3张不同的特征图像中，以满足影像画面重叠度的要求。
3.根据权利要求2所述的岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统，其特征在于，所述拍摄框架的顶部、底部以及侧面均安装有LED灯带，用以消除岩石颗粒的影子对拍照效果的影响；拍摄框架的内壁安装有白色背景板，用以消除背景的干扰；所述转盘和LED灯带均与控制元件连接，所述控制元件用于调节所述拍摄框架内的LED灯光的亮度和转盘的转速。
4.根据权利要求3所述的岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统，其特征在于，所述图像处理装置包括：
特征点识别及配准模块：用于使用运动恢复结构算法识别并配准每张特征图像上的特征点，并将每张特征图像上的特征点还原到所述岩石颗粒三维空间的对应位置，构建出所述岩石颗粒特征点的稀疏点云；
密集点云构建模块：用于以稀疏点云的空间点为种子点，使用基于块匹配的多视点三维稠密算法重建并确定所述岩石颗粒的三维空间点云，从而得到所述岩石颗粒更为细致的块石颗粒形态；
三维网格图生成模块：用于对所述岩石颗粒的三维空间点云进行泊松重建，从而构建出块石的三维网格，并在生成网格的过程中，通过点云插值的方式，填充所述岩石颗粒的三维模型表面的缺失部分，得到所述岩石颗粒的三维网格模型；
几何形貌信息提取模块：用于采用等距球面插值算法对所述三维岩石颗粒的三维网格模型进行简化，并从简化的三维网格模型中提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述岩石颗粒的轮廓信息计算所述三维几何形貌信息。
5.根据权利要求4所述的岩石颗粒的三维几何形貌信息提取系统，其特征在于，所述三维几何形貌信息包括基本形状指标和/或深化形状指标和/或纹理形状指标，所述基本形状指标包括：扁平度和球形度，所述深化形状指标包括形状因子、棱角度和凹凸度，所述纹理形状指标包括粗糙度，所述三维几何形貌信息提取系统还包括一岩石颗粒数据库，所述岩石颗粒数据库用于对所述三维网格模型进行标准化处理，并将岩石颗粒的三维几何形貌信息与所述三维网格模型对应存储起来。
6.一种岩石颗粒的三维几何形貌信息提取方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
从多个不同高度的视角拍摄岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，以获取岩石颗粒表面的全部特征点；
根据所述岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像进行三维建模，得到所述岩石颗粒的三维模型；
在所述三维模型提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述轮廓信息计算所述岩石颗粒的三维几何形貌信息。
7.根据权利要求6所述的三维几何形貌信息提取方法，其特征在于，从多个不同高度的视角拍摄岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像，包括以下步骤：
将所述岩石颗粒放置转盘上，并是转盘按预定的转速进行旋转，以将岩石颗粒的各个面依次展现在多个具有不同高度视角的相机面前；同时控制多个具有不同高度视角的相机按预定的拍摄频率进行拍摄，以得到岩石颗粒各个面在不同高度视角中的多张特征图像。
8.根据权利要求7所述的三维几何形貌信息提取方法，其特征在于，根据所述岩石颗粒的多张不同视角的特征图像进行三维建模，具体包括以下步骤：
以稀疏点云的空间点为种子点，使用基于块匹配的多视点三维稠密算法重建并确定所述岩石颗粒的三维空间点云，从而得到所述岩石颗粒更为细致的块石颗粒形态；
对所述岩石颗粒的三维空间点云进行泊松重建，从而构建出块石的三维网格，并在生成网格的过程中，通过点云插值的方式，填充所述岩石颗粒的三维模型表面的缺失部分，得到所述岩石颗粒的三维网格模型。
9.根据权利要求8所述的三维几何形貌信息提取方法，其特征在于，在所述三维模型提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述轮廓信息计算所述岩石颗粒的三维几何形貌信息，具体包括以下步骤：
采用等距球面插值算法对所述三维岩石颗粒的三维网格模型进行简化，并从简化的三维网格模型中提取所述岩石颗粒的轮廓信息，进而根据所述岩石颗粒的轮廓信息计算所述三维几何形貌信息。
10.根据权利要求9所述的三维几何形貌信息提取方法，其特征在于，在计算所述岩石颗粒的三维几何形貌信息后，还包括以下步骤：对所述三维网格模型进行标准化处理，并将岩石颗粒的三维几何形貌信息与所述三维网格模型对应存储起来。
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112200754A (zh) * 2020-10-30 2021-01-08 中国矿业大学 一种随机矸石块体三维形状参数自动获取方法
CN112509118A (zh) * 2020-12-02 2021-03-16 南京航空航天大学 一种可预加载节点和自适应填充的大规模点云可视化方法
CN112528470A (zh) * 2020-11-24 2021-03-19 长安大学 一种颗粒系统粗集料复合几何特征计算模型及其建立方法
CN112967372A (zh) * 2021-02-03 2021-06-15 武汉南北极测绘地理信息有限公司 基于互联网场景的矿物、岩石标本教学展示方法及系统
CN113177949A (zh) * 2021-04-16 2021-07-27 中南大学 一种大尺寸岩石颗粒特征识别方法及装置
CN113515878A (zh) * 2021-07-07 2021-10-19 重庆交通大学 一种基于块石形状和破碎的堆积体离散元三维建模方法
CN113624163A (zh) * 2021-08-11 2021-11-09 西南交通大学 一种基于三维激光扫描的碎石颗粒表面棱角度测量方法
CN113781545A (zh) * 2021-09-16 2021-12-10 西南科技大学 快速识别不规则颗粒几何特征的方法
CN115239907A (zh) * 2022-07-08 2022-10-25 苏州大学 基于改进最大类间方差法的骨料形貌表征方法和系统
CN115841560A (zh) * 2023-01-03 2023-03-24 河北工业大学 土颗粒二维特征数据集的构建方法、土颗粒降维识别方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014003596A1 (en) * 2012-06-26 2014-01-03 Schlumberger, Holdings Limited A method for building a 3d model of a rock sample
CN104063899A (zh) * 2014-07-10 2014-09-24 中南大学 一种岩心保形三维重建方法
CN105319155A (zh) * 2015-11-23 2016-02-10 中国石油大学(华东) 一种考虑粗糙表面特征的岩石毛管力确定方法
CN109598714A (zh) * 2018-12-03 2019-04-09 中南大学 一种基于图像三维重建及网格曲面的隧道超欠挖检测方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014003596A1 (en) * 2012-06-26 2014-01-03 Schlumberger, Holdings Limited A method for building a 3d model of a rock sample
CN104063899A (zh) * 2014-07-10 2014-09-24 中南大学 一种岩心保形三维重建方法
CN105319155A (zh) * 2015-11-23 2016-02-10 中国石油大学(华东) 一种考虑粗糙表面特征的岩石毛管力确定方法
CN109598714A (zh) * 2018-12-03 2019-04-09 中南大学 一种基于图像三维重建及网格曲面的隧道超欠挖检测方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIANHENG ZHAO等: "A digitalized 2D particle database for statistical shape analysis and discrete modeling of rock aggregate", 《CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS》 *
梁晋 等: "《3D反求技术》", 31 January 2019 *

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112200754A (zh) * 2020-10-30 2021-01-08 中国矿业大学 一种随机矸石块体三维形状参数自动获取方法
CN112528470A (zh) * 2020-11-24 2021-03-19 长安大学 一种颗粒系统粗集料复合几何特征计算模型及其建立方法
CN112528470B (zh) * 2020-11-24 2024-03-26 长安大学 一种颗粒系统粗集料复合几何特征计算模型及其建立方法
CN112509118A (zh) * 2020-12-02 2021-03-16 南京航空航天大学 一种可预加载节点和自适应填充的大规模点云可视化方法
CN112967372A (zh) * 2021-02-03 2021-06-15 武汉南北极测绘地理信息有限公司 基于互联网场景的矿物、岩石标本教学展示方法及系统
CN113177949B (zh) * 2021-04-16 2023-09-01 中南大学 一种大尺寸岩石颗粒特征识别方法及装置
CN113177949A (zh) * 2021-04-16 2021-07-27 中南大学 一种大尺寸岩石颗粒特征识别方法及装置
CN113515878A (zh) * 2021-07-07 2021-10-19 重庆交通大学 一种基于块石形状和破碎的堆积体离散元三维建模方法
CN113624163A (zh) * 2021-08-11 2021-11-09 西南交通大学 一种基于三维激光扫描的碎石颗粒表面棱角度测量方法
CN113624163B (zh) * 2021-08-11 2022-04-15 西南交通大学 一种基于三维激光扫描的碎石颗粒表面棱角度测量方法
CN113781545B (zh) * 2021-09-16 2022-07-26 西南科技大学 快速识别不规则颗粒几何特征的方法
CN113781545A (zh) * 2021-09-16 2021-12-10 西南科技大学 快速识别不规则颗粒几何特征的方法
CN115239907A (zh) * 2022-07-08 2022-10-25 苏州大学 基于改进最大类间方差法的骨料形貌表征方法和系统
CN115841560A (zh) * 2023-01-03 2023-03-24 河北工业大学 土颗粒二维特征数据集的构建方法、土颗粒降维识别方法
CN115841560B (zh) * 2023-01-03 2023-04-21 河北工业大学 土颗粒二维特征数据集的构建方法、土颗粒降维识别方法

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