技术领域
[0001] 本
发明属道路工程技术领域，具体涉及一种沥青混合料三维模型重构方法，具体涉及一种基于CT图像与avizo
软件快速重构沥青混合料三维模型方法。
背景技术
[0002] 沥青混合料是由沥青胶浆、集料以及空隙等构成的非均质多层次
复合材料，如何有效地还原沥青混合料三相材料并生成虚拟数字试件是进行沥青混合料
力学性能模拟分析的
基础与前提。
[0003] 基于图像提取沥青混合料三相材料的研究，国内外主要集中在二维平面和三维立体两个方向。二维平面主要研究平面集料、空隙特性，解析混合料内部各相材料组分的几何形态、空间分布及相互
接触等信息，提取材料组分的结构特性和参数，随后建立二维沥青混合料的
几何模型及相应数值模型，进而进行压缩测试、抗车辙测试、劈裂试验、间接拉伸试验等有限元或离散元数值仿真。二维三相信息的提取以及平面力学仿真虽能解决沥青混合料xy平面相关信息分析，但无法做到三维宏观力学研究且丢失三维z轴方向相关信息，所以将二维模型转换成三维模型显得极其重要。
[0004] 构建沥青混合料三维模型大致有三种方法，一是采用随机投放
骨料生成三维模型，随机骨料模型中骨料被假设为圆形、椭圆形或多边形颗，该模型用骨料的随机投放模拟实际集料随机分布，但骨料的形状是固定的，与实际尺寸有差别，因此不能充分考虑骨料之间的相互作用且丢失沥青、空隙等关键信息。二是采用MATLAB编写程序读取CT图像，分割出集料、沥青、空隙三相材料，将不同层图像中三相材料图像信息转换为数值信息，在相邻连续两层进行三相材料属性判定，从而构建起集料、沥青、空隙三维模型。上述方法一和方法二都需在matlab进行大量程序编写，且编程难度大，后续还需解决将建好的模型导入有限元软件(ansys)问题，操作较困难，并且这两种方法对电脑要求较高，综上方法一和方法二实施起来比较困难。三是采用红外
扫描仪扫描沥青混合料试件直接获取形貌三维模型，此方法获取三维模型是外观模型，丢失沥青混合料内部集料、沥青胶浆、空隙等细观结构特性，一般用在形貌分析，力学分析不采用。
[0005] 上述知，一种快速有效构建沥青混合料三维模型的方法显得尤为重要。
发明内容
[0006] 本发明针对现有沥青混合料三维模型构建的缺点和要求，提出了一种基于CT图像与avizo软件快速构建沥青混合料三维模型的方法。
[0007] 本发明所采用的技术方案是：一种沥青混合料三维模型重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008] 步骤1：CT扫描沥青混合料试件，获取混合料图像；
[0009] 步骤2：连续读取多层CT图像；
[0010] 步骤3：对多层CT图像进行滤波去噪、锐化增强处理，使三相材料差异度提高，在CT图像中表现为灰白色为集料，黑色为空隙，暗灰色为沥青胶浆；
[0011] 步骤4：分割图像，将集料、沥青胶浆、空隙三相材料分割出来；
[0012] 步骤5：判断集料、沥青胶浆、空隙三相材料是否满足各自预设的分割值；
[0013] 若是，则执行步骤6；
[0014] 若否，则回转执行步骤4；
[0015] 步骤6：将步骤4中分割的集料、沥青、空隙三相材料，进行体
渲染生成
可视化集料、沥青胶浆、空隙的三维模型；
[0016] 步骤7：对步骤6中生成的可视化集料、沥青胶浆、空隙的三维模型进行网格划分，生成可数值模拟的集料、沥青胶浆、空隙的三维
网格模型。
[0017] 本发明采用CT成像，获取沥青混合料内部真实结构，对比随机骨料生成的模型更真实性。
[0018] 本发明将使用avizo直接对多层CT图像进行图像去噪、锐化等增强处理；直接对多层CT图像的三相材料进行分割，节省工作量小，易操作，真实度高；直接将三维可视化模型转换为
三维网格模型，提高工作效益。
附图说明
[0020] 图2为本发明实施例的CT扫描示意图；
[0021] 图3为本发明实施例的图像去噪锐化增强效果图；
[0022] 图4为本发明实施例的
图像分割效果图；
[0023] 图5为本发明实施例的三相材料体渲染效果图；
[0024] 图6为本发明实施例的网格划分效果图。
具体实施方式
[0025] 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026] 请见图1，本发明提供的一种沥青混合料三维模型重构方法，包括以下步骤：
[0027] 步骤1：CT扫描沥青混合料试件，获取混合料图像；
[0028] 请见图2，本实施例中，采用第五代RADI CT扫描机，利用高压
真空技术，通过高压
电子正负对撞经电子产生射线，通过沥青混合料试件后进入检测器，最后经电子计算机呈二维图像。该扫描机能探测沥青混合料微米级别的内部结构，能保证精确地还原集料颗粒及空隙结构的细观形貌特征，结合设备性能，根据预实验结果，本次实验的扫描间隔设定为0.1mm，获取无损且清晰有效CT图像635张，本发明选取100张CT图像作效果图说明。
[0029] 步骤2：连续读取多层CT图像；
[0030] 本实施例中，采用avizo连续读取多层CT图像，读取CT图像过程中需设定
体素尺寸与单位，设定计算单位为微米(um)，体素尺寸大小为10.0微米(um)即单个体素大小为10.0um*10.0um*10.0um。这样保证重构的三维模型尺寸与沥青混合料试件尺寸一致，从而用重构三维模型还原试件，对实际设计沥青混合料提供借鉴意义。
[0031] 步骤3：对多层CT图像采用中值滤波对多层图像进行滤波去噪且对多层图像锐化增强，使三相材料差异度提高，在CT图像中表现为灰白色为集料，黑色为空隙，暗灰色为沥青胶浆；
[0032] 请见图3，本实施例中，CT扫描机在获取图像时，因扫描
算法不同、扫描层厚不同、物体的大小不同、X线
光子的数量不同，会导致图像产生噪声，噪声形状一般为点状尖峰颗粒噪声即所谓椒盐噪声，图像中噪声严重影响图像
质量，因此需对图像进行滤波去噪，图像增强处理。中值滤波在
图像处理中，常用来消除孤立噪声点，且能很好保护图像边缘信息，图像滤波后需进行锐化增强
对比度处理。滤波去噪和锐化增强，使沥青CT图像的三相材料差异度提高，便于分割时识别三相材料，保证对三相准确分割。该步骤的特点是能直接对多层CT图像进行滤波去噪锐化增强处理。
[0033] 步骤4：鉴于将小粒径颗粒与沥青统看作沥青胶浆，集料、沥青胶浆、空隙易区分的特点，采用分
水岭分割方法，将集料、沥青胶浆、空隙三相材料分割出来。
[0034] 请见图4，本实施例中，
X射线光对不同
密度透过率不一样，射线经层面不同物质衰减后将信息进行放大和
模数转换得到数字图像。物质的密度越大，表现在图像上
亮度越高，沥青混合料结构中，集料的密度最大，沥青胶浆次之，空隙最小，因此亮度也是依次减弱。CT图像经步骤三滤波去噪锐化增强处理后，三相材料差异度提高，在CT图像中表现为灰白色为集料，黑色为空隙，沥青胶浆为暗灰色。因小粒径细集料在混合
压实过程中与沥青胶浆混为一体，且三维重构时主要提取大粒径集料，所以本发明将小粒径的细集料与沥青统看作沥青胶浆混合物。基于沥青混合料三相材料滤波去噪锐化增强后亮度差异和将小粒径细集料与沥青统看作沥青胶浆混合料两点，采用
分水岭分割方法，将集料、沥青胶浆、空隙三相材料快速分割出来。本发明的特点是能直接对多层CT图像
阈值分割三相材料。
[0035] 步骤5：判断集料、沥青胶浆、空隙三相材料是否满足各自预设的分割值；
[0036] 若是，则执行步骤6；
[0037] 若否，则回转执行步骤4；
[0038] 步骤6：将步骤4中分割的集料、沥青、空隙三相材料，进行体渲染生成可视化集料、沥青胶浆、空隙的三维模型；
[0039] 请见图5，本实施例中，将步骤4中分割的集料、沥青、空隙三相材料以
断层显示，需进行体渲染生成可视化集料、沥青胶浆、空隙的三维模型。该步骤特点是能快速将二维断层信息转换为三维可视化信息。
[0040] 步骤7：对步骤6中生成的可视化集料、沥青胶浆、空隙的三维模型进行网格划分，生成可数值模拟的集料、沥青胶浆、空隙的三维网格模型。
[0041] 请见图6，本实施例中，步骤5中生成的是可视化三维模型，无法在有限元软件(ansys)中进行力学模拟，因此还需对生成的可视化三维模型进行网格划分，生成可数值模拟的三维网格模型。
[0042] 将已网格划分好的三维模型保存为有限元软件(ansys)可读取文件，以便后续力学分析。该模型基于原试件经CT成像、图像处理、网格划分后的得到，能反映出原试件内部结构。该步骤特点是能快速将三维可视化模型转换为三维网格模型，便于后续有限元模拟分析。
[0043] 本发明不仅能够快速重构三维模型，并且能获取实际集料空间结构、集料分布
角度、沥青胶浆分布形态、内部空隙形态以及空隙连通性，多层面解析沥青混合料三相结构，获取三相材料的丰富结构信息，可以对沥青混合料实际级配、油石比、
空隙率设计提供借鉴意义。
[0044] 本发明不仅能够在重构三维模型模
块节省大量的时间与精力，且比较简单易操作，还能有效解决后续导入有限元软件的网格划分问题，能进一步进行
有限元分析。
[0045] 第五代RADI CT扫描机为现有仪器，图像处理中去噪和锐化增强都有
现有技术，本发明中主要强调的是，利用avizo可以直接对多层图像进行去噪和锐化增强，Avizo软件也是一种现有的商业软件。本发明独创的一点就是能够利用CT图像结合avizo快速重构出三维模型，且能够将三维模型进行网格划分，以便数值模拟。
[0046] 应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明
专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明
权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或
变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的
请求保护范围应以所附权利要求为准。
