技术领域：
[0001] 本
发明属于混凝土数值模拟研究技术领域，涉及一种混凝土骨料数值模型重建方法，能够快速准确的获取多相材料小间距连续剖面图像。背景技术：
[0002] 混凝土(简称为砼)是指由胶凝材料将骨料胶结成整体的工程
复合材料的统称，通常讲的混凝土由粗骨料、细骨料、
水泥水化物、未水化
水泥颗粒、孔隙及裂纹等组成的；与水(可含外加剂和掺合料)按一定比例配合，经搅拌而得的水泥混凝土，也称普通混凝土，它广泛应用于
土木工程。目前，对于混凝土的研究仅仅局限于宏观层次，随着计算机技术的不断发展，混凝土细观
力学方面的研究日益受到人们的重视，对混凝土进行数值模拟后能够研究混凝土中骨料，
砂浆及其两者之间的界
面层的破坏形态，采用数值方法分析的前提是建立混凝土材料细观结构的有限元
几何模型，混凝土的性能与骨料的形状、级配等有很大的关系，所以，混凝土骨料模型形状的生成就成为了混凝土数值模拟的一个重要课题。
[0003] 细观数值模拟在理论模型合理和混凝土各相材料特性数据足够精确的条件下，可以取代部分实验，而且能够避开实验条件的客观限制和人为因素对其结果的影响，对于混凝土细观模型的建立采用了许多假设，这些假设均存在一定的误差：例如，混凝土数值模拟的关键问题是对混凝土骨料形状的模拟，以往的研究中，对二维混凝土骨料多用圆形或椭圆形模拟卵石或砾石骨料，以凸多边形模拟碎石骨料，三维中多以圆球或椭球形来模拟卵石或砾石骨料，以凸多面
体模拟碎石骨料；这些简化方式在方法上是可行的，但是不能精确表达真实混凝土骨料颗粒的形态特征，二维模拟虽然计算简便，但其缺点也是显而易见的，不能真实还原混凝土骨料的空间分布及级配特征，也不能表达出混凝土的破坏特征；三维模拟中球形，椭球形以及凸多面体的随机投放能够模拟混凝土骨料的空间分布形态，不能完全代替真实骨料的形状，在骨料与砂浆界面层的研究方面存在不足。为了得到更为真实的混凝土结构及破坏特征，有必要采用更为有效的方法对真实的混凝土骨料进行模拟。
[0004] 利用工业CT扫描技术实现对混凝土剖面切片的扫描，然后用
三维重建软件进行混凝土模型的重建，得出基于真实形状的混凝土数值模型，再在数值模型的
基础上进行分析能够得到较好的效果。但CT扫描技术在混凝土领域的应用也存在不足之处，CT扫描图像
分辨率提高时，其
密度分辨率下降，导致包含的信息量不足，同时，由于CT扫描技术受扫描设备的影响较大，容易产生噪声和伪影干扰致使重建的模型不够精确，并且CT扫描设备价格昂贵，不利于CT扫描技术在混凝土领域的广泛应用，所以说，CT扫描技术对于真实混凝土细观结构三维重建还存在一定的局限性。
[0005] 中国
专利201510801544.2公开的一种基于剖面塑形法的混凝土骨料结构特征拾取方法，利用进行三维重建的混凝土材料制作油泥模
块，对制成的油泥模块进行切割、扫描，将获取的油泥模块扫描图像进行
图像处理，并进行混凝土颗粒结构三维空间模型重构，最终将得到的混凝土颗粒结构三维空间模型进行方向和
位置的随机分布，实现混凝土骨料结构特征拾取，其进行试块切割时，切割厚度不易控制，切割间距过大导致重建的模型与实物之间的误差较大；中国专利201210015951.7公开的一种混凝土CT图像三维重建的方法，首先用CT机对混凝土试样进行
断层扫描，其次光线投影
算法对混凝土C T图像进行三维重建，得到骨料、砂浆、孔洞的真实图像，最后利用
可视化工具VTK对混凝土CT图像进行三维立体重构，通过重建模型能够清晰地分辨骨料、砂浆及孔隙，其存在扫描图像受CT设备干扰以及
精度的问题。
[0006] 基于以上原因，有必要寻求一种更精确和便捷的混凝土骨料数值模型重建方法，利用数值模型进一步建立基于真实混凝土骨料形状的骨料模型
数据库，在混凝土的数值模拟研究中方便快捷的从模型数据库中提取骨料并进行随机投放。发明内容：
[0007] 本发明的目的在于克服
现有技术存在的缺点，研发设计一种基于真实混凝土骨料逐层打磨获取的连续剖面图像进行模型重建的方法，进一步利用此方法建立的骨料模型生成骨料模型数据库。以增加混凝土数值模拟的有效性。
[0008] 为了实现上述目的，本发明涉及的混凝土骨料数值模型重建方法的具体工艺过程包括制作包含目标骨料的打磨试件、获取骨料连续剖面图像、校准和预处理连续剖面图像、生成骨料模型、计算骨料模型参数并进行格式转化以及建立骨料模型数据库共六个步骤：
[0009] (一)制作包含目标骨料的打磨试件：根据骨料模型数据库建立的要求，制作包含
单体骨料试件或包含群体骨料试件；包含单体骨料试件的制作过程是将单个骨料包裹在胶凝材料中制作成打磨试件，胶凝材料为便于打磨的快硬性材料，包括水泥砂浆和建筑
石膏，包含单体骨料试件便于进行骨料便捷的提取和三维模型的重建；包含群体骨料试件的制作过程与普通混凝土试件的制作过程相同，包含群体骨料试件的骨料间存在黏连现象，需要进行分割提取；
[0010] (二)获取骨料连续剖面图像：将骨料打磨试件固定在磨削设备上，磨头沿骨料打磨试件的Z轴方向以相同的打磨间距对骨料打磨试件进行逐层干磨，剖面的打磨间距通过磨头的进给量控制，最小打磨间距为0.01mm，每层剖面打磨完成后，使用
数码相机对剖面进行拍摄，获取骨料连续剖面图像：
[0011] (三)校准和预处理连续剖面图像：采用三
锚点对准方法对骨料连续剖面图像进行校准，由于骨料打磨试件分层打磨时，拍摄的每一层剖面图像不能保证在层间配准，由于图像拍摄时受到各种因素的影响，如摄像机的
角度、距离和方向、物体位置的移动以及其他因素，导致图像出现误差，需要对图像进行配准，选取试件夹持机构上靠近多相材料试件的三个控制点作为基准点，三个基准点不在一条直线上，连续剖面图像成像时，每个剖面图像都包含这三个基准点，选择其中一幅标准图像作为基准图像，其余剖面图像为待配准图像，标准图像是连续剖面图像中的角度、距离、方向和物体位置均符合设定要求的图像，
图像配准是寻求待配准图像和标准图像间一对一的映射的过程，是将两幅图像中对应于空间同一位置的点联系起来，待配准图像中的三个控制点与基准图像中的三个基准点应重合，根据控制点的位置来推算空间映射的关系，再用空间映射的关系对待配准图像进行几何变换，在MATLAB(矩阵实验室)中，使用cpselect函数交互工具对连续剖面图像进行Z轴方向的配准，获得配准结果；拍摄时包含了不属于
多孔混凝土试件剖面图像的锚点，利用Photoshop(图像处理软件)、image proplus(
图像分析软件)对配准后的连续剖面图像进行统一的图像剪裁，裁剪掉连续剖面图像周围包括锚点的无用区域，保留需要分析的混凝土试件打磨区域的连续剖面图像，将剪裁后的连续剖面图像灰度化处理并转
化成二值图像，其中，白色区域为骨料，黑色区域为胶凝材料，完成连续剖面图像的校准和预处理；
[0012] 基于连续剖面图像为全景图像，拍摄和保存图像的成像设备参数的不同，成像设备与多孔混凝土试件剖面相对位置和角度的不同，使得各层剖面图像之间存在位置偏差，需要对获得的连续剖面图像进行标准化处理，以满足实验分析的需求；
[0013] (四)生成骨料模型：
[0014] (1)为保证图像
像素(pixel)与真实骨料尺度的比例一致，对连续剖面图像进行图像像素与真实骨料尺寸的转换推算，在连续剖面图像导入Mimics(医学影像控制系统)三维重建软件的过程中输入X轴、Y轴和Z轴的扫描分辨率，图像上的点坐标(x’，y’)对应真实切片上的相应点坐标(x，y)，x轴和y轴的扫描分辨率为每一像素所对应的图像真实尺寸，z轴扫描分辨率为连续剖面图像的层间距d；
[0015] (2)
阈值分割，提取白色的骨料区域生成骨料蒙板，单体骨料试件直接提取白色区域，群体骨料试件需要先判断不同二维图像中白色区域是否来源于同一骨料，判断过程通过软件编程实现，对任意量骨料的形心距离与两骨料最大半径进行比较，两骨料形心距离小于任意一个骨料半径判定两骨料来自同一骨料，采用灰度值范围定义与手工描取相结合的方法提取同一骨料的白色区域并保存为同一蒙板，对连续剖面图像中不同骨料的黏连部分蒙板通过蒙板编辑操作进行手工
修剪和分割；
[0016] (3)对步骤(2)中的单体骨料试件提取出的骨料蒙板进行3D计算，生成初始骨料面网格数据模型，对群体骨料试件提取出的不同骨料蒙板分别进行3D计算,同时生成多个初始骨料面网格数据模型，由于骨料试件连续剖面图像层间距对Z轴分辨率的影响，生成的骨料面网格数据模型为粗糙的初级模型；
[0017] (4)对步骤(3)生成的初级骨料面网格数据模型进行光顺、网格划分和包裹处理以获得精确的骨料面网格数据模型，对精确的骨料面网格数据模型进行填充，得到基于真实骨料的体网格数据模型；
[0018] Mimics(医学影像控制系统)三维重建软件逆向重建骨料颗粒模型的原理是：基于连续剖面图像包含的未知物体的三维信息，在计算机中重建出物体轮廓的数字三维模型，其中未知物体轮廓上点P在X轴和Y轴的坐标值(x，y)由在其水平断面上的位置确定，点P在Z轴的坐标值(z)由切割的间距(d)和剖面顺序(n)的关系式：z＝d×n确定；
[0019] (五)计算骨料模型参数并进行格式转化：直接从Mimics软件重建的骨料体网格数据模型中提取的几何参数包括模型体积，表面积，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的长
轴距离、短轴距离以及基于模型坐标边框确定的
质量重心坐标，通过直接提取的几何参数能够进行包括骨料形状因子、圆度、针度和扁平度的骨料模型间接形状参数的计算，进一步地，通过Mimics软件提供的各种应用设计软件的相应
接口能够将骨料体网格数据模型转化为dxf、stl、inp和igs的便于骨料模型数据库保存的格式，骨料模型格式的互转便于骨料模型的投放与研究；
[0020] (六)建立骨料模型数据库：利用步骤(一)至(五)建立不同尺寸和类型的骨料体网格数据模型，对不同尺寸和类型的骨料体网格数据模型进行骨料模型参数统计和归类整合，建立骨料模型数据库，并在后续数值模拟研究中进行骨料的选取和投放。
[0021] 本发明步骤(一)涉及的骨料连续剖面图像的层间距大小影响着骨料模型重建结果在Z轴方向上的分辨率，骨料连续剖面图像的层间距越小，真实混凝土骨料模型的外部形态拟合效果越精确；步骤(一)获取的骨料连续剖面图像的分辨率高，包含的信息完整，能够重建多相多尺度的数值模型，便于不同层次的研究，并赋予基于骨料连续剖面图像的混凝土细观结构的三维重建较大的灵活性；步骤(六)建立的骨料模型数据库具有真实度高，骨料选取方便快捷的特点，为混凝土骨料数值模拟研究提供了坚实的基础。
[0022] 本发明与现有技术相比，对包含单体骨料试件或包含群体骨料试件进行打磨拍照，获得骨料的连续剖面图像，基于连续剖面图像建立骨料模型，根据骨料模型建立骨料模型数据库，包含群体骨料试件能够同时建立多个骨料模型，能够解决因CT扫描设备昂贵不便于实施的问题，且基于真实混凝土骨料颗粒进行三维重建，最大程度上模拟了真实骨料外形特征，建立的骨料模型以网格形式保存，对于真实骨料模型数据库的建立创造条件，并且可以同CAD软件或FEA有限元模拟软件进行格式互换，便于混凝土力学性能的数值模拟研究；其图像获取的方式简单、快捷，图像获取成本低，获取的
图像序列层间距小、对准度高、信息量完整，建立的骨料模型数据库具有真实可靠的特性，便于应用推广。
附图说明：
[0024] 图2为本发明
实施例1步骤(三)涉及的二值化前的剖面图像。
[0025] 图3为本发明实施例1步骤(三)涉及的二值化后的剖面图像。
[0026] 图4为本发明实施例1步骤(四)涉及的骨料初建模型图。
[0027] 图5为本发明实施例1步骤(四)涉及的骨料面
网格模型图。
[0028] 图6为本发明实施例1步骤(四)涉及的骨料体网格模型图。
[0029] 图7为本发明实施例1步骤(五)涉及的转化后的CAD骨料模型图。
[0030] 图8为本发明实施例2涉及的形状描述为偏向扁平类的骨料模型图。
[0031] 图9为本发明实施例2涉及的形状描述为稍扁平类的骨料模型图。
[0032] 图10为本发明实施例2涉及的形状描述为稍针状类的骨料模型图。
[0033] 图11为本发明实施例2涉及的形状描述为偏向针状类的骨料模型图。具体实施方式：
[0034] 下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
[0035] 实施例1：
[0036] 本实施例涉及的混凝土骨料数值模型重建方法的具体工艺过程包括制作包含目标骨料的打磨试件、获取骨料连续剖面图像、校准和预处理连续剖面图像、生成骨料模型、计算骨料模型参数并进行格式转化共五个步骤：
[0037] (一)制作包含目标骨料的打磨试件：现浇100mm×100mm×100mm的立方体混凝土试块，将立方体混凝土试块置于标准养护室养护7天后得到包含群体骨料的混凝土试件；
[0038] (二)获取骨料连续剖面图像：将骨料打磨试件固定在磨削设备上，磨头沿骨料打磨试件的Z轴方向以1mm的打磨间距对骨料打磨试件进行逐层干磨，剖面的打磨间距通过磨头的进给量控制，每层剖面打磨完成后，使用数码相机对剖面进行拍摄，获取层间距为1mm的骨料连续剖面图像：
[0039] (三)校准和预处理连续剖面图像：采用三锚点对准方法对骨料连续剖面图像进行校准，由于骨料打磨试件分层打磨时，拍摄的每一层剖面图像不能保证在层间配准，由于图像拍摄时受到各种因素的影响，如摄像机的角度、距离和方向、物体位置的移动以及其他因素，导致图像出现误差，需要对图像进行配准，选取试件夹持机构上靠近多相材料试件的三个控制点作为基准点，三个基准点不在一条直线上，连续剖面图像成像时，每个剖面图像都包含这三个基准点，选择其中一幅标准图像作为基准图像，其余剖面图像为待配准图像，标准图像是连续剖面图像中的角度、距离、方向和物体位置均符合设定要求的图像，图像配准是寻求待配准图像和标准图像间一对一的映射的过程，是将两幅图像中对应于空间同一位置的点联系起来，待配准图像中的三个控制点与基准图像中的三个基准点应重合，根据控制点的位置来推算空间映射的关系，再用空间映射的关系对待配准图像进行几何变换，在MATLAB(矩阵实验室)中，使用cpselect函数交互工具对连续剖面图像进行Z轴方向的配准，获得配准结果；拍摄时包含了不属于多孔混凝土试件剖面图像的锚点，利用Photoshop(图像处理软件)、image proplus(图像分析软件)对配准后的连续剖面图像进行统一的图像剪裁，裁剪掉连续剖面图像周围包括锚点的无用区域，保留需要分析的混凝土试件打磨区域的连续剖面图像，将剪裁后的连续剖面图像灰度化处理并转化成二值图像，其中，白色区域为骨料，黑色区域为胶凝材料，完成连续剖面图像的校准和预处理；
[0040] (四)生成骨料模型：
[0041] (1)为保证图像像素(pixel)与真实骨料尺度的比例一致，对连续剖面图像进行图像像素与真实骨料尺寸的转换推算，在连续剖面图像导入Mimics(医学影像控制系统)三维重建软件的过程中输入X轴、Y轴和Z轴的扫描分辨率，图像上的点坐标(x’，y’)对应真实切片上的相应点坐标(x，y)，根据推算公式 和计算得到x＝0.25mm，y＝0.25mm，计算结果表示图像每一像素所包含的图像尺寸，x轴和y轴的扫描分辨率均为0.25mm，z轴扫描分辨率为剖面图像的间距1mm；
[0042] (2)阈值分割，提取白色的骨料区域生成骨料蒙板，单体骨料试件直接提取白色区域，群体骨料试件需要先判断不同二维图像中白色区域是否来源于同一骨料，判断过程通过软件编程实现，对任意量骨料的形心距离与两骨料最大半径进行比较，两骨料形心距离小于任意一个骨料半径判定两骨料来自同一骨料，采用灰度值范围定义与手工描取相结合的方法提取同一骨料的白色区域并保存为同一蒙板，对连续剖面图像中不同骨料的黏连部分蒙板通过蒙板编辑操作进行手工修剪和分割；
[0043] (3)对不同蒙板分别进行3D计算，将相同蒙板下的骨料区域边界拟合成为矩阵式的初级三维数据模型，拟合生成的初级三维数据模型为初始骨料面网格数据模型；
[0044] (4)对步骤(3)生成的初级骨料面网格数据模型进行光顺、网格划分和包裹处理以获得精确的骨料面网格数据模型，对精确的骨料面网格数据模型进行填充，得到基于真实骨料的体网格数据模型；
[0045] (五)计算骨料模型参数并进行格式转化：通过Mimics软件提供的CAD计算机辅助
绘图软件接口，将骨料体网格数据模型转化为CAD下的dxf格式以便于骨料模型数据库的应用，或通过Mimics软件提供的FEA
有限元分析软件接口，将骨料体网格数据模型转化为有限元分析所需的格式进行骨料力学性能的分析。
[0046] 实施例2：
[0047] 本实施例对实施例1所建的骨料模型进行模型X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的短轴距离、长轴距离,体积，表面积以及基于模型坐标边框确定的质量重心坐标的几何参数的提取，结果如表1(mm)：
[0048]
[0049] ，根据提取的几何参数计算骨料形状因子、圆度、针度和扁平度的间接形状参数，结果如表2：
[0050]形状描述 偏向扁平类 稍扁平类 稍针状类 偏向针状类
形状因子 -0.70 0.70-1.00 1.00-1.40 1.40-
圆度 -0.88 0.88-1.00 1.00-1.12 1.12-
针度 1.43-2.09 1.24-1.91 1.60-2.30 1.80-2.57
扁平度 0.13-0.45 0.36-0.58 0.45-0.98 0.45-0.88
[0051] ，对间接形状参数进行整合归类判断出骨料的形状特征；对表1和表2中骨料模型参数进行归类整合，并以此方法建立真实混凝土骨料模型数据库，用于混凝土骨料随机投放和建立混凝土数值模型，对混凝土的数值模拟研究提供有益帮助。
