基于二维数字图像混凝土三维模型建立的思考

胡爱宇 喻 骁

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

引言

目前，医学上通过观察人体的某一断层图像进行诊断。由于人体器官结构的复杂性以及病变或破损位置、形状的不可预知性，仅仅由二维图像显示生物结构形态，难以得到准确、完整的描述，对进一步研究病情带来了困难，通过二维图像，利用三维重建技术可以将看不见的人体器官真实地显示出来，改变了传统的放射诊断方法。

混凝土的力学性能一直都是科学界研究的课题。混凝土的宏观研究,忽略了混凝土材料内部复杂的细观结构，将混凝土视为均质连续体，运用连续介质力学、损伤力学、断裂力学等理论，对混凝土进行力学性能的研究，难以揭示材料变形和破坏的物理机制，特别是天然存在的大量的细、微观缺陷，如骨料界面、空洞以及随机分布的微裂纹随载荷作用的扩展对混凝土力学性能的影响。自20世纪70年代末，随着计算机水平的提高和图形处理软件的发展，对混凝土的研究逐渐由宏观向细观及微观深入，人们发展了混凝土细观力学研究方法。细观研究方法把混凝土看作多相非均质复合材料，结合理论和试验研究，认为混凝土宏观的力学性能和破坏过程与其内部的细观结构特点及裂缝发展有关，混凝土的破坏正是由潜在的各种缺陷引起的，其破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通，直到产生宏观裂纹，导致混凝土失稳破裂的过程。细观研究手段主要有两类，一是基于随机抽样原理和统计学原理建立虚拟细观结构数值模型，运用软件计算分析模型加载破坏过程中的力学特征；二是通过成像设备获取混凝土断面的真实数字图像，进行图像处理后建立模型，进行加载分析。或者获取实时加载破坏断面图，分析图像变化，探知细观破坏规律。本文介绍后者。

1 图像获取

采用连续切片方法获得二维数字图像。切割过程中要严格控制切片厚度，每两个切片间距为集料粒径的四分之一。将混凝土截面修平后研磨，使得其表面为平整平面，采用普通数码相机拍摄获取混凝土截面的二维图像,之后切去较薄一层材料,研磨后拍摄，如此循环。图像应能足够了解物体的立体结构信息要求，最后用计算机软件将序列平面图像依次连接起来，便可得到研究对象的立体结构图。切片后拍摄获得的混凝土二维图像如图1所示。

2 三维重建

2.1 图像处理

图1 混凝土截面图像

所摄取的图像中，有很多使计算分析变得复杂的杂质等干扰因素，有必要进行图像处理。

各相物质的增强、分割等处理是三维重建中必须的环节。图像处理内容包括图像剪切、灰度直方图均化、灰度变换、平滑和锐化处理、阈值分割等。

2.2 三维重建

利用软件MATLAB对混凝土的多幅经过图像处理后的连续切片图像进行三维重建。

(1)三维体数据采集。依次读入由连续切片获得的断序列截面数字图像，将图像的序列号作为第三维数据构造出三维体数据集D,因此得到一个三维矩阵。

(2)体数据集预处理。构造所得到的体数据集数据量大 ,可根据实际情况利用 reducevolume函数对体数据集 D进行预处理 ,以降低所处理的数据量。

(3)面绘制及三维显示。利用 is osurface函数计算体数据集 D在显示平面的累计投影。再利用 patch函数指定所有顶点的坐标和各小面片的顶点和颜色来创建面片。

(4)建立视图，添加 phone光照模型。接近实际生活中物体在光源照射下产生特有的光泽,因此生成的图像真实感较强。

(5)设置透明度，实现多层面显示为等值面设置 Alpha值 (透明系数 )，给等值面添加透明度，揭示试件内部结构。上述过程主要的Matlab命令流有：

1)i mage n=i mread(′二维图像地址′，′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。

结束语

基于真实混凝土内部结构的二维图像重构了接近实际的混凝土骨料分布模型，弥补了传统的数值方法采用统计学原理建立三维细观模型的不足。该技术描述的非均质性能在表征上十分接近混凝土的真实非均匀性,为进一步研究混凝土材料的力学性能与破坏机制提供了新的手段。可以研究混凝土的级配、骨料含量及其分布模型对混凝土的力学性能的影响 ,可以验证混凝土数值模拟中一定级配下各种骨料随机投放模型的可靠性。

[1]胡爱宇，喻骁，宗兰.基于数字图像的混凝土力学性能细观研究现状[J].江苏建筑.2010(6).

[2]孙立国.三级配(全级配)混凝土骨料形状数值模拟及其应用[D].南京:河海大学,2005.

[3]苏盛，沈德健，吕维波，三维重建技术在全级配混凝土骨料随机分布中德研究与应用[J]，江西科学.2007（10）.

[4]戚永乐,彭刚,柏巍,etal.基于 CT技术的混凝土三维有限元模型构建[J].混凝土.2008(05).

[5]夏晓舟,章青,刘光焰,etal.混凝土宏观力学参数估算研究现状及发展趋势[J].河海大学学报(自然科学版).2007(04).