基于二維數(shù)字圖像混凝土三維模型建立的思考

胡愛(ài)宇 喻 驍

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

引言

目前，醫(yī)學(xué)上通過(guò)觀察人體的某一斷層圖像進(jìn)行診斷。由于人體器官結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及病變或破損位置、形狀的不可預(yù)知性，僅僅由二維圖像顯示生物結(jié)構(gòu)形態(tài)，難以得到準(zhǔn)確、完整的描述，對(duì)進(jìn)一步研究病情帶來(lái)了困難，通過(guò)二維圖像，利用三維重建技術(shù)可以將看不見的人體器官真實(shí)地顯示出來(lái)，改變了傳統(tǒng)的放射診斷方法。

混凝土的力學(xué)性能一直都是科學(xué)界研究的課題?；炷恋暮暧^研究,忽略了混凝土材料內(nèi)部復(fù)雜的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，將混凝土視為均質(zhì)連續(xù)體，運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)等理論，對(duì)混凝土進(jìn)行力學(xué)性能的研究，難以揭示材料變形和破壞的物理機(jī)制，特別是天然存在的大量的細(xì)、微觀缺陷，如骨料界面、空洞以及隨機(jī)分布的微裂紋隨載荷作用的擴(kuò)展對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。自20世紀(jì)70年代末，隨著計(jì)算機(jī)水平的提高和圖形處理軟件的發(fā)展，對(duì)混凝土的研究逐漸由宏觀向細(xì)觀及微觀深入，人們發(fā)展了混凝土細(xì)觀力學(xué)研究方法。細(xì)觀研究方法把混凝土看作多相非均質(zhì)復(fù)合材料，結(jié)合理論和試驗(yàn)研究，認(rèn)為混凝土宏觀的力學(xué)性能和破壞過(guò)程與其內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及裂縫發(fā)展有關(guān)，混凝土的破壞正是由潛在的各種缺陷引起的，其破壞過(guò)程實(shí)際上就是微裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通，直到產(chǎn)生宏觀裂紋，導(dǎo)致混凝土失穩(wěn)破裂的過(guò)程。細(xì)觀研究手段主要有兩類，一是基于隨機(jī)抽樣原理和統(tǒng)計(jì)學(xué)原理建立虛擬細(xì)觀結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，運(yùn)用軟件計(jì)算分析模型加載破壞過(guò)程中的力學(xué)特征；二是通過(guò)成像設(shè)備獲取混凝土斷面的真實(shí)數(shù)字圖像，進(jìn)行圖像處理后建立模型，進(jìn)行加載分析。或者獲取實(shí)時(shí)加載破壞斷面圖，分析圖像變化，探知細(xì)觀破壞規(guī)律。本文介紹后者。

1 圖像獲取

采用連續(xù)切片方法獲得二維數(shù)字圖像。切割過(guò)程中要嚴(yán)格控制切片厚度，每?jī)蓚€(gè)切片間距為集料粒徑的四分之一。將混凝土截面修平后研磨，使得其表面為平整平面，采用普通數(shù)碼相機(jī)拍攝獲取混凝土截面的二維圖像,之后切去較薄一層材料,研磨后拍攝，如此循環(huán)。圖像應(yīng)能足夠了解物體的立體結(jié)構(gòu)信息要求，最后用計(jì)算機(jī)軟件將序列平面圖像依次連接起來(lái)，便可得到研究對(duì)象的立體結(jié)構(gòu)圖。切片后拍攝獲得的混凝土二維圖像如圖1所示。

2 三維重建

2.1 圖像處理

圖1 混凝土截面圖像

所攝取的圖像中，有很多使計(jì)算分析變得復(fù)雜的雜質(zhì)等干擾因素，有必要進(jìn)行圖像處理。

各相物質(zhì)的增強(qiáng)、分割等處理是三維重建中必須的環(huán)節(jié)。圖像處理內(nèi)容包括圖像剪切、灰度直方圖均化、灰度變換、平滑和銳化處理、閾值分割等。

2.2 三維重建

利用軟件MATLAB對(duì)混凝土的多幅經(jīng)過(guò)圖像處理后的連續(xù)切片圖像進(jìn)行三維重建。

(1)三維體數(shù)據(jù)采集。依次讀入由連續(xù)切片獲得的斷序列截面數(shù)字圖像，將圖像的序列號(hào)作為第三維數(shù)據(jù)構(gòu)造出三維體數(shù)據(jù)集D,因此得到一個(gè)三維矩陣。

(2)體數(shù)據(jù)集預(yù)處理。構(gòu)造所得到的體數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)量大 ,可根據(jù)實(shí)際情況利用 reducevolume函數(shù)對(duì)體數(shù)據(jù)集 D進(jìn)行預(yù)處理 ,以降低所處理的數(shù)據(jù)量。

(3)面繪制及三維顯示。利用 is osurface函數(shù)計(jì)算體數(shù)據(jù)集 D在顯示平面的累計(jì)投影。再利用 patch函數(shù)指定所有頂點(diǎn)的坐標(biāo)和各小面片的頂點(diǎn)和顏色來(lái)創(chuàng)建面片。

(4)建立視圖，添加 phone光照模型。接近實(shí)際生活中物體在光源照射下產(chǎn)生特有的光澤,因此生成的圖像真實(shí)感較強(qiáng)。

(5)設(shè)置透明度，實(shí)現(xiàn)多層面顯示為等值面設(shè)置 Alpha值 (透明系數(shù) )，給等值面添加透明度，揭示試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)。上述過(guò)程主要的Matlab命令流有：

1)i mage n=i mread(′二維圖像地址′，′bmp′)；

2)D=cat(3，i mage1，……i mage n)；

3)[x，y，z，D]=reducevolume(D，[1，1，1])；

4)D=s mooth3(D)；

5)fv=is osurface(x，y，z，D，4) ；

6)p=patch (fv，′facecol or′，′yell ow′，′edgecol or′，′none′) ；

7)das pect([841])；

8)col or map(gray)；

9)view(3)；

10)camlight headlight。

結(jié)束語(yǔ)

基于真實(shí)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維圖像重構(gòu)了接近實(shí)際的混凝土骨料分布模型，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的數(shù)值方法采用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理建立三維細(xì)觀模型的不足。該技術(shù)描述的非均質(zhì)性能在表征上十分接近混凝土的真實(shí)非均勻性,為進(jìn)一步研究混凝土材料的力學(xué)性能與破壞機(jī)制提供了新的手段?？梢匝芯炕炷恋募?jí)配、骨料含量及其分布模型對(duì)混凝土的力學(xué)性能的影響 ,可以驗(yàn)證混凝土數(shù)值模擬中一定級(jí)配下各種骨料隨機(jī)投放模型的可靠性。

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