混凝土CT图像细观结构损伤演化的图像分割及三维重建方法研究

Concrete is a widely used engineering material. The fracture process of Concrete has been one of the hot issues reseach in the field of the material , engineeringand mechanical.Concrete component of numerical model which is established by numerical Simulation is very closed to the real concrete structure. But the concrete aggregate figure and distributing is suppositional, and has more distinction on real concrete. Recently, X-ray concrete CT experimental study has been a new method on the fracture process of concrete. In term of the reseach on the damage evolution of concrete, the CT images and experimental data processing and analysis are the key points. Owing to digital image and graphics processing technology closely linked in various disciplines of engineering, the paper offers a variety of image segmentation methods to carefully segment in concrete CT images under different stress and 3-D reconstruction & Visualization techniques to concrete CT image which can reflect the structural changes in the stress. Meanwhile, an important method can be used to analyze the crack propagation and damage of concrete forms and reveal the damage fracture mechanism of concrete material.

混凝土是一种广泛应用的工程材料，对于混凝土材料的破裂过程研究是材料、工程和力学等各学科的研究热点之一。采用数值模拟方法建立起来的模型中各种成分的形状和分布与混凝土的真实结构越来越接近，但是这些混凝土中骨料的形状和分布毕竟是虚拟的，与真实混凝土试件仍有非常大的差别。混凝土X射线CT实验细观研究是近些年研究混凝土破裂过程的一种新方法，对于CT实验得到图像和数据的处理和分析是研究混凝土损伤演化的关键。本研究采用多种图像分割处理手段对混凝土CT图像在不同受力下进行细致分割，对混凝土材料裂纹的扩展、贯通以及最后破坏的过程进行一定研究；运用三维重建可视化技术，对混凝土CT图像进行立体重建，将混凝土三维重建结果导入到工程软件中，为大批量高精度数值试验建立三维数值计算模型，对混凝土的裂纹扩展及破坏形态和揭示混凝土材料的损伤破裂机理提供辅助技术支持。

混凝土是一种广泛应用的工程材料，对于混凝土材料的破裂过程研究是材料、工程和力学等各学科的研究热点之一。混凝土X射线CT实验细观研究是近些年研究混凝土破裂过程的一种新方法，对于CT实验得到图像和数据的处理和分析是研究混凝土损伤演化的关键。本研究采用多种图像分割处理手段对混凝土CT图像在不同受力下进行细致分割，对混凝土材料裂纹的扩展、贯通以及最后破坏的过程进行一定研究；运用三维重建可视化技术，对混凝土CT图像进行立体重建，真实反映出混凝土受力后细观结构的变化。建立起来的系统可以为混凝土CT图像细观研究工作者提供一个方便的可视化窗口进行混凝土的分析和研究。.研究工作分为以下几个方面：.1) 根据混凝土CT图像的特点，利用马尔科夫随机场理论，采用ICM（条件迭代机）算法，Gibbs采样算法、Metropolis算法对混凝土CT图像中的骨料、砂浆、孔洞及裂纹进行了分割研究，并对混凝土材料分割结果进行一定细观损伤破裂机理研究。提出一种改进的Metropolis算法使混凝土CT图像分割效率得到一定提高。.2) 提出一种信念传播算法应用在混凝土CT图像分割处理，使混凝土CT图像中的骨料、砂浆、孔洞及裂纹分割精确度提高，尤其是骨料和砂浆区域的精确分割。针对该算法计算的时间复杂度高的特点，提出了一种多尺度快速的信念传播算法分割算法，使混凝土CT图像分割时间复杂度显著降低，并提高精度，针对分割结果研究分析了静力压缩下混凝土材料损伤演化过程。.3) 采用光线投射算法、二维纹理映射算法和三维纹理映射算法传统体绘制算法，对混凝土CT图像切片的三维重建研究并进行了比较。针对传统光线投射算法绘制速度较慢的特点，提出了一种加速改进算法，为了达到较好结果，采用一种包围盒技术结合平面簇求交算法对投射光线和数据进行裁剪。改进体绘制算法在不影响图像质量的前提下提高了混凝土CT图像的三维绘制速度。