[發明專利]一種基于混凝土CT圖像像素特征的細觀結構重構方法

有效

• 申請號: 201810833630.5
• 申請日: 2018-07-26
• 公開（公告）號: CN109087396B
• 公開（公告）日: 2023-09-29
• 發明（設計）人: 胡靖;錢振東
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06T17/20
• 分類號: G06T17/20;G06T7/136
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種基于混凝土CT圖像像素特征的細觀結構重構方法，該方法分為圖像處理與重構建模兩部分，前者包含批量導入、預處理、范圍調整、子區域分割、自適應最佳灰度閾值、二值化、形貌調整、分水嶺與圖像輸出功能；后者包含二值化圖像批量導入、像素結點判斷、結點匹配、單元匹配、二維矩陣文件導入、數據格式調整與ABAQUS重建細觀模型。通過對CT圖像的自動識別與提取，確定空間目標體的坐標數據，并以ABAQUS的INP文件數據為基礎，對空間目標體的單元節點與集合進行匹配。本發明相對傳統的CT圖像識別算法，顯著地提高了識別的精度，并可根據像素調整建模單元尺寸，平衡數值模擬的計算精度與時間，并且規則的模型單元可顯著提高數值計算的收斂性。

技術領域

本發明屬于混凝土細觀數值模擬技術領域，尤其涉及一種基于混凝土CT圖像像素特征的細觀結構重構方法。

背景技術

混凝土是由礦質集料與膠漿按照一定比例混合而成的結構，其性能受到礦質集料組份與膠漿力學性能的影響。長期以來，針對混凝土結構的力學分析均是將其假設為宏觀連續體，而忽視了起著關鍵性作用的細觀結構影響。近年來，隨著X-Ray?CT等設備的應用，混凝土內部結構得以掃描并重構，基于細觀結構的研究得到了廣泛發展。

基于CT圖像的混凝土細觀結構識別與重構能最大程度地還原結構的真實形貌特征，有助于從本質上明確混凝土在荷載作用下的力學響應與損傷情況。現階段采用CT圖像對混凝土細觀結構進行重構，并導入有限元軟件中進行計算的技術已經較為成熟：首先對CT原始圖像進行識別，獲取擬重構結構的二值化圖像序列；其后采用相關軟件根據二值化圖像序列進行結構重構；最后將重構的結構導入有限元軟件中進行數值模擬。該方法能有效地還原集料顆粒以及空隙的空間形貌特征，但由于存在較多棱角所導致的大變形單元結構，顯著地降低了數值模擬的計算效率與收斂性。另一方面，華南理工大學的李智在其博士學位論文《基于X-ray?CT和有限元方法的瀝青混合料三維重構與數值試驗研究》中曾采用編程計算技術，以立方體單元對細觀結構體離散并進行數值模擬，研究結果表明該種結構體系雖并未能完全反映細觀結構的形貌，但增加了計算效率與收斂性，同時模擬結果也在可接受的誤差范圍內，但論文中所采用的重構方法較為復雜，重構成本較高。

發明內容

發明目的：針對以上現有技術存在的問題，本發明提出一種基于混凝土CT圖像像素特征的細觀結構重構方法，本發明建立了灰度圖像最佳閾值的自動計算方法，并結合ABAQUS與MATLAB軟件搭建了細觀結構的重構步驟，該方法提供了一種簡單、高效的細觀結構建模方法，解決了以往細觀結構研究中繁瑣復雜的模型重構過程。

技術方案：為實現本發明的目的，本發明建立了一種基于混凝土CT圖像像素特征的細觀結構重構方法，算法自動計算針對子區域目標的分割灰度閾值，并結合MATLAB圖像處理數據與ABAQUS建模數據生成三維細觀結構模型，具體包括下述步驟：

(1)采用X-Ray?CT設備對混凝土試件進行掃描，獲取內部結構的N張彩色圖像，利用MATLAB軟件按照圖像掃描順序進行讀取與導入操作；

(2)選取第i張彩色圖像，將該彩色圖像轉換為灰度圖像，根據相同材料灰度值沿著圓形半徑逐漸減小的分布規律，將該灰度圖像劃分為n個環狀子區域，以各環狀子區域的灰度直方圖自動計算針對該子區域的分割閾值，i＝1,2……N；

(3)根據步驟(2)確定的n個環狀子區域的分割閾值，分別對第i張灰度圖像的各環狀子區域進行二值化操作，即大于等于分割閾值的圖像像素為集料，其統一標記為1，反之為膠漿與孔隙，統一標記為0，待n個環狀子區域均處理完成后，即完成第i張灰度圖像中集料的動態識別過程，重復步驟(2)～(3)直至完成所有N張掃描圖像；

(4)按照X-Ray?CT所掃描的混凝土試件尺寸，采用ABAQUS建立與該試件完全相同的宏觀有限元模型結構，以邊長為L的空間立方體單元劃分網格后導出模型的INP文件，該INP文件包含兩部分信息：網格單元結點編號與結點坐標，以及不同網格單元所對應的8個結點編號；