岩石CT试验数据处理方法研究

摘 要：CT技术在材料科学实验中的应用使得材料的缺陷和内部结构得以检测，同时CT试验成为岩石材料细观破裂过程的热点研究课题。岩石内部矿物组成、致密性等不均一，各部位密度不同，在CT灰度图像中则表现为各部位灰度值不一。一般针对CT实验数据的处理仅仅停留在对不同扫描图幅中灰度频率直方图的研究。文章通过对扫描图像进行裂纹面积、分维计算、三维重建等多种手段的分析，丰富了CT实验数据处理的方法，为多角度分析岩石应力应变过程提供了思路。

关键词：CT试验；裂纹面积；分维计算；三维重建

中图分类号：TU45 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）07-0093-03

1 引言

20世纪80年代以来，CT技术在材料科学实验中的应用使得材料的缺陷和内部结构得以检测，X射线CT试验成为岩石材料细观破裂过程的热点研究课题。岩石试样内部矿物组成、致密性等不均一，各部位密度不同，在CT灰度图像中则表现为各部位灰度值不一。同时，加载过程中裂纹的萌生、扩展、合并及贯通等都直接影响着试样内部不同部位密度的大小。而由CT扫描原理可知，被扫描材料对X射线的吸收系数与材料密度成正比，故正比于吸收系数的灰度图像可以表征材料内部的密度变化[1]。因此，越来越多的研究人员通过分析CT灰度图像中的影像特征来探索压缩过程中泥岩裂纹的扩展与演化律。

王梦蔚等[2]针对混凝土试样开展CT扫描实验并结合数字图像处理技术进行了宏细观建模研究；李磊[3]基于页岩CT图像的数字图像处理技术，结合流固耦合理论和损伤力学，研究了页岩的损伤演化规律；王彦琪等[4]基于图像检索技术对单轴压缩破坏过程中的CT图像进行了优化处理，得到了较好的效果；刘京红等[5]在对裂纹扩展过程的分析中加入分形维数指标，给出了岩石材料从裂纹萌生、扩展到贯通的细观破损的解释；彭瑞东等[6]从能量耗散及释放角度探讨了层状盐岩破坏的细观机制。虽然国内外学者借助CT实验对不同岩石裂纹的演化过程及特征进行了一系列研究，但对于CT数据的处理分析手段较为单一，并不能充分利用到CT扫描实验的技术特点。

文章以武汉岩土力学研究所科技人员提供的压缩荷载下泥岩CT实验数据为例进行分析，通过引入裂纹面积、分维计算、三维重建等多种手段，丰富了CT实验数据处理的方法，为多角度分析岩石应力应变过程提供了思路。

2 CT实验数据处理传统方法

本次试验采用中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室与美国BIR公司合作研发的ACTIS300-320/225CT/DR高分辨率工业CT实时成像系统。该系统可以快速扫描得到微米量级分辨率的像素大小为1024×1024的16位灰度切片图像。试验过程中针对试样自上而下间隔50μm依次扫描，共扫描1000层，其典型灰度切片图像如图1所示。

传统数据处理的方法多通过对不同应力状态下灰度切片图像进行灰度值的数理统计，得到其灰度频率直方图，再进一步进行对比分析[7]，不同应力水平下灰度频率直方图2所示。

3 CT实验数据处理新方法

3.1 裂纹面积处理法

图像的阈值分割及二值化可以定量的提取细观层面岩石的内部结构。采用单阈值分割法，即

（1）

即将小于某一阈值T的灰度级降为0，对应像素点为黑色，表征孔隙和裂纹；而大于该阈值的灰度升为65535，对应像素点为白色，表征岩样较完整，没有孔隙、裂纹或裂隙。二值化处理后的图像只有两个灰度级，因此称为二值图像。

计算发现：当阈值为26500时，基于初始扫描的CT二值图像求算的岩石孔隙率和压汞试验的结果相近，因此，将灰度阈值26500作为不同荷载水平下灰度图像二值化过程的基准阈值。裂纹面积-荷载水平关系示意图3所示。通过统计二值图像中黑色像素点的个数，进而求算初始孔隙与裂纹所占面积的百分比，并与初始扫描图层（未加载状态）作差，可追踪裂纹面积的变化规律如下：

各扫描层裂纹面积求算方法：第次扫描层裂纹面积

（2）

第层二值图中黑色像素点数；未加载时相应扫描层二值图中黑色像素点数；扫描层圆形统计区域内像素点总数；扫描层圆形统计区域的面积。

3.2 灰度图分维运算

谢和平[8]研究表明，岩石裂纹结构具有分形特征，且表现出一定的自相似性。几何上，分形维数D表征了岩石裂纹形态的复杂程度，D越大，裂纹图形越弯折，分叉越多，且呈现混乱无序状态；D越小，裂纹图形越光滑，越趋于规则有序排列。即分形维数D能定量表征裂纹的复杂程度与不规则性[9]。对二值化后的灰度图进行截图处理（圆形图幅区域内截取内接四边形区域），仅保留核心区域。截图处理后二值如图4所示。

同时采用计盒维数对截图处理后的二值图进行分维计算。原理如下：把数字图像看成是三维空间中的曲面为像素点的位置坐标，代表对应点的灰度值（二值化后灰度值仅可能在0和65535两者之间取值），图像大小为，用的格子去覆盖图像中黑色像素点（灰度值为0）的集合，统计盒子，由盒维数定义可知，与呈线性关系，且直线的负号就是图像曲面的分形维数，对于得到的一组点的与，，利用最小二乘拟合方法得到直线的斜率，再取负号即为图像曲面的估计分形维数。典型分维运算结果图5所示。

通过Matlab批处理得到不同荷载水平下分形维数的平均值，如图6所示。

从上图可以看出不同不同应力状态下分维数据的变化，从而进一步分析岩石内部裂纹扩展的规律。

3.3 图像切片三维重构

典型泥岩CT图像三维重建图7所示。连续CT扫描图像的三维重建使用Matlab來完成是一种有效的方法。该软件有很多函数可直接用于数字图像处理，能够进行各种矩阵的运算，提供了图像操作及图像处理工具。主要过程步骤如下：

（1）CT图像的读写：此次CT图像获取格式为tiff格式，因此Matlab可以直接读取。（2）图像预处理：在初始的CT图像中在扫描过程中会引入噪声，因此，需要对CT图像进行图像预处理，合理去除噪声的干扰。（3）体数据的采集：进行三维体数据的构造。按照顺序读入连续CT扫描试验所得的岩石CT图像，把图像的序号作为二维数据，以此构造出一个三维的体数据集，建立图像的三维数据矩阵。即将采集到的N幅泥岩CT扫描图像，图像大小为512×512，将图像的数据形成三维体数据，形成512×512×N的三维矩阵。（4）数据处理：所构造得到的三维体数据集数据量非常大，因此，占用计算机内存大，这将给进一步的数据处理造成一定影响。一般情况下，在不影响计算精度的前提下，可以降低所处理的体数据集的数据量。然后再利用smooth函数对体数据集进行平滑处理。（5）利用三维体数据集进行面的绘制及三维重建图像的显示。计算三维体数据集在显示平面中的总投影，此步骤可以使用isosurface函数。

经过三维重建，可以清晰地看到岩石材料基质、孔隙等内部真实的细观结构。但是此种方法重建速度较慢，数据量非常巨大。MIMICS是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，它提供了基于断层扫描图像的3D建模功能，同时也提供了很多有限元接口，为用户自由化的应用提供方便。使用该软件直接读取tiff格式的CT断层图像，经定位图像、组织图片内插值处理、界定阈值，采用阈值方法提取裂隙，经3D计算建立混凝土三维几何模型如图8所示。

如图8可以看出基于MIMICS软件针对泥岩试样进行的三维重建更接近其真实状态和结构，并且岩石内部的裂纹结构和微裂纹的分布也可以通过阈值分析完整真实地提取出来，为我们对裂纹三维结构的分析研究提供了技术支持。

4 结语

岩石试样内部矿物组成、致密性等不均一，各部位密度不同，在CT灰度图像中则表现为各部位灰度值不一。传统数据处理的方法局限在对于灰度频率直方图的对比分析，并不能充分的利用到CT扫描实验的技术特点。文章通过对扫描图像进行裂纹面积、分维计算、三维重建等多种手段的分析，丰富了CT实验数据处理的方法，为多角度分析岩石应力应变过程提供了思路。

参考文献

[1]朱红光，谢和平，易成.岩石材料微裂隙演化的CT識别[J].岩石力学与工程学报，2011（6）：1230-1238.

[2]王梦蔚，卢梦达.基于CT扫描试验及数字图像处理的混凝土宏细观建模研究[J].混凝土，2014（11）：10.

[3]李磊.基于页岩损伤CT图像处理的裂缝扩展研究[D].大庆：东北石油大学，2014.

[4]王彦琪，冯增朝，郭红强，等.基于图像检索技术的岩石单轴压缩破坏过程CT描述[J].岩土力学，2013（9）：2535-2540.

[5]刘京红，姜耀东，赵毅鑫.基于CT图像的岩石破裂过程裂纹分形特征分析[J].河北农业大学学报，2011（4）：104-107.

[6]彭瑞东，武志德，周宏伟.层状盐岩中裂纹扩展规律的细观实验研究[J].岩石力学与工程学报，2011（增刊）：3953-3959.

[7]王传洋，杨春和，衡帅，冒海军.压缩荷载下泥岩裂缝演化规律的CT试验研究[J].岩土力学，2015（6）：1591-1597.

[8]谢和平.岩土介质分形孔隙和分形粒子[J].力学进展，1993（2）：145-164.

[9]李廷芥，王耀辉，张梅英.岩石裂纹的分形特性及岩爆机理研究[J].岩石力学与工程学报，2000（1）：6-10.