基于二維數字圖像混凝土三維模型建立的思考

胡愛宇 喻 驍

（南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211167）

引言

目前，醫學上通過觀察人體的某一斷層圖像進行診斷。由于人體器官結構的復雜性以及病變或破損位置、形狀的不可預知性，僅僅由二維圖像顯示生物結構形態，難以得到準確、完整的描述，對進一步研究病情帶來了困難，通過二維圖像，利用三維重建技術可以將看不見的人體器官真實地顯示出來，改變了傳統的放射診斷方法。

混凝土的力學性能一直都是科學界研究的課題。混凝土的宏觀研究,忽略了混凝土材料內部復雜的細觀結構，將混凝土視為均質連續體，運用連續介質力學、損傷力學、斷裂力學等理論，對混凝土進行力學性能的研究，難以揭示材料變形和破壞的物理機制，特別是天然存在的大量的細、微觀缺陷，如骨料界面、空洞以及隨機分布的微裂紋隨載荷作用的擴展對混凝土力學性能的影響。自20世紀70年代末，隨著計算機水平的提高和圖形處理軟件的發展，對混凝土的研究逐漸由宏觀向細觀及微觀深入，人們發展了混凝土細觀力學研究方法。細觀研究方法把混凝土看作多相非均質復合材料，結合理論和試驗研究，認為混凝土宏觀的力學性能和破壞過程與其內部的細觀結構特點及裂縫發展有關，混凝土的破壞正是由潛在的各種缺陷引起的，其破壞過程實際上就是微裂紋萌生、擴展、貫通，直到產生宏觀裂紋，導致混凝土失穩破裂的過程。細觀研究手段主要有兩類，一是基于隨機抽樣原理和統計學原理建立虛擬細觀結構數值模型，運用軟件計算分析模型加載破壞過程中的力學特征；二是通過成像設備獲取混凝土斷面的真實數字圖像，進行圖像處理后建立模型，進行加載分析。或者獲取實時加載破壞斷面圖，分析圖像變化，探知細觀破壞規律。本文介紹后者。

1 圖像獲取

采用連續切片方法獲得二維數字圖像。切割過程中要嚴格控制切片厚度，每兩個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，采用普通數碼相機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。圖像應能足夠了解物體的立體結構信息要求，最后用計算機軟件將序列平面圖像依次連接起來，便可得到研究對象的立體結構圖。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，有很多使計算分析變得復雜的雜質等干擾因素，有必要進行圖像處理。

各相物質的增強、分割等處理是三維重建中必須的環節。圖像處理內容包括圖像剪切、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對混凝土的多幅經過圖像處理后的連續切片圖像進行三維重建。

(1)三維體數據采集。依次讀入由連續切片獲得的斷序列截面數字圖像，將圖像的序列號作為第三維數據構造出三維體數據集D,因此得到一個三維矩陣。

(2)體數據集預處理。構造所得到的體數據集數據量大 ,可根據實際情況利用 reducevolume函數對體數據集 D進行預處理 ,以降低所處理的數據量。

(3)面繪制及三維顯示。利用 is osurface函數計算體數據集 D在顯示平面的累計投影。再利用 patch函數指定所有頂點的坐標和各小面片的頂點和顏色來創建面片。

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

(5)設置透明度，實現多層面顯示為等值面設置 Alpha值 (透明系數 )，給等值面添加透明度，揭示試件內部結構。上述過程主要的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。

結束語

基于真實混凝土內部結構的二維圖像重構了接近實際的混凝土骨料分布模型，彌補了傳統的數值方法采用統計學原理建立三維細觀模型的不足。該技術描述的非均質性能在表征上十分接近混凝土的真實非均勻性,為進一步研究混凝土材料的力學性能與破壞機制提供了新的手段。可以研究混凝土的級配、骨料含量及其分布模型對混凝土的力學性能的影響 ,可以驗證混凝土數值模擬中一定級配下各種骨料隨機投放模型的可靠性。

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