一种基于像素提取的三维数值颗粒成型方法技术

本发明专利技术公开了一种基于像素提取的三维数值颗粒成型方法，包括如下步骤：CT扫描：根据需要成型的数量确定CT扫描的颗粒数量；确定颗粒扫描方向实际尺寸；确定拟合层数及其间隔；第一次图像处理；第二次图像处理；MATLAB筛除算法；确定成型比例；PFC3D建模；批量操作。本发明专利技术通过轮廓处像素提取，实现了所述三维数值颗粒的每一层的形态重构，该方法实现的三维数值颗粒只在三维轮廓处填充小球，内部没有小球填充，极大的降低了单个三维数值颗粒成形过程中构成小球的数量，提高了运行效率，通过MATLAB筛除算法，进一步降低每一层形成轮廓的小球数量，提高效率，PFC3D叠加成型，将每一层成型的二维轮廓叠加组成三维形态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于像素提取的三维数值颗粒成型方法，属于道路工程

技术介绍
在道路工程数值离散模拟试验中，PFC3D软件有着举足轻重的作用，目前大量的数值实验都采用PFC3D软件自带的小球颗粒来仿真模拟，该方法简便易行，但是无法精确模糊复杂形态的颗粒，部分三维的数值成型方法都是运用了简化、随机生长的算法来拟合形态，虽然在一定程度上拟合了简单的三维形态，但是无法精确刻画级配颗粒的棱角形态，而复杂形态的级配颗粒，其棱角形态对于道路试验、路用性能具有非常重大的影响，还有部分数值三维重构方法，其都在内部填充小球，单个三维数值颗粒小球数量多，运算效率低下，数值试验中颗粒容量较小。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于像素提取的三维数值颗粒成型方法，以解决目前在离散元仿真模拟中精确拟合复杂三维颗粒的问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于像素提取的三维数值颗粒成型方法，包括如下步骤：(1)CT扫描：根据需要成型的颗粒数量确定CT扫描的颗粒数量，CT扫描间隔为0.1mm，得到被扫描颗粒的二维断层图像集合；(2)确定颗粒扫描方向实际尺寸：选取被扫描的颗粒与其CT扫描的二维断层图像集合，通过游标卡尺确定该颗粒沿扫描方向的实际总长度reallength1；(3)确定拟合层数及其间隔：根据拟合精度要求以及实验效率确定三维成型的层数le，层间间隔sl以及PFC3D内小球的半径rad；根据确定的层数标号筛选出对应的CT扫描图像，整理汇总；(4)第一次图像处理：将步骤(3)筛选出的每层图像处理成颗粒轮廓信息的图片，并对这些图片批量进行灰度化处理，得到图像集合；(5)第二次图像处理：通过MATLAB软件对经过第一次图像处理的图像集合批量操作，读取并存储每一层图片颗粒轮廓处的像素位置信息；(6)MATLAB筛除算法：对每一层图片保存的颗粒轮廓处的像素位置信息进行分组筛选，减小保存的像素数量；(7)确定成型比例：通过MATLAB软件量取所选的被扫描的颗粒所有扫描轮廓图片的最大像素长度pil，通过游标卡尺量取该颗粒对应轮廓图片量取方向的最大实际长度reallength2，二者比值即为成型比例；(8)PFC3D建模：通过保存的各层轮廓像素位置信息，经过比例操作，整理成PFC可读模式，将每一层成型的轮廓叠加成三维数值模型；(9)批量操作：批量操作以上步骤，量产三维数值颗粒模型，完成调用颗粒调用程序。所述步骤(1)中，扫描方向沿俯视或者侧视任何一个方向均可，只需要保证扫描面与颗粒的横截面或者纵断面平行即可，相应量取的数据或者计算公式根据扫描方向的变换相应改变。所述步骤(2)中，通过游标卡尺确定该颗粒沿俯视方向的实际总长度为reallength1，检验reallength1与CT扫描的断层图像集合上所显示的该颗粒厚度，误差大于1％，应该去除该颗粒样品。所述步骤(3)中，根据拟合精度要求以及实验效率确定三维成型的层数le,层间间隔sl以及PFC3D内小球的半径rad；le、sl、rad、reallength1应满足下述关系式(1)和(2)：reallength1＝(le-1)×sl(1)sl＝2×rad(2)。所述步骤(3)中，根据确定的层数le计算所需每一层图片在空间的高度位置，根据高度位置将相对应的CT扫描图像筛选出来，整理汇总。所述步骤(4)中，将筛选出的每层图像处理成颗粒轮廓信息的图片，这些图片特征为颗粒轮廓处像素信息特征与非轮廓处像素信息特征相异，能够被软件识别判断，并统一做灰度化处理。所述步骤(5)和(6)中，通过MATLAB软件对每一层轮廓像素进行读取，存储在数组U1中，继续通过MATLAB软件对数组U1操作，以步长step筛除像素颗粒，保证留下的像素相邻的间隔长度为step，其中step满足式(3)：step＝2×rad(3)。所述步骤(8)中，三维数值颗粒成型通过轮廓提取叠加的方式，每一层轮廓图片像素位置信息经过筛除算法、比例修正，在PFC3D软件内生成相应的小球颗粒，小球的(x,y)中心坐标位置为像素点位置，小球的Z轴中心位置为该层图片在CT二维断层图像集合中的高度位置，每一层轮廓图片像素点生成的小球均在同一平面，小球与小球之间相切，形成该层的二维轮廓，相邻层小球Z轴间隔为层间间距sl，每一层小球构成的轮廓互相叠加，形成三维数值颗粒模型。所述步骤(8)中，成型的三维数值颗粒为轮廓填充型，只在三维轮廓处有小球填充，三维轮廓内部没有小球填充；所述成型方法在赋予颗粒密度时，需要进行重新标定，通过软件读取并计算该数值颗粒轮廓处构成的小球体积S1，以及该数值颗粒三维轮廓内所有体积S2，密度标定系数为K，PFC3D内赋予小球颗粒密度时，必须乘以该标定系数，以达到仿真密度与实际密度的吻合，其中k、S1、S2满足式(4)：k＝(S2-S1)/S1(4)。所述步骤(9)中，对于批量颗粒成形的方法，同样按照步骤(8)所述的步骤操作，除了各颗粒层间间隔不同需要单独确定外，其他均可批量通过软件和算法操作。有益效果：本专利技术提供的一种基于像素提取的三维数值颗粒成型方法通过轮廓处像素提取，实现了所述三维数值颗粒的每一层的形态重构，所述方法实现的三维数值颗粒只在三维轮廓处填充小球，内部没有小球填充，极大的降低了单个三维数值颗粒成形过程中构成小球的数量，提高了运行效率，通过MATLAB筛除算法，进一步降低每一层形成轮廓的小球数量，提高效率，PFC3D叠加成型，将每一层成型的二维轮廓叠加组成三维形态，定义为一个CLUMP。附图说明图1为本专利技术方法的流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。如图1所示，一种基于像素提取的三维数值颗粒成型方法，包括如下步骤：(1)CT扫描：根据需要成型的颗粒数量确定CT扫描的颗粒数量，CT扫描间隔为0.1mm，得到被扫描颗粒的二维断层图像集合；扫描方向沿俯视或者侧视方向均可，只需要保证扫描面与颗粒的横截面或者纵断面平行即可，相应量取的数据或者计算公式可以根据扫描方向的变换相应改变，其原理一致，以下步骤以扫描方向俯视单个颗粒为例；(2)确定颗粒扫描方向实际尺寸：选取该碎石颗粒与其CT扫描的二维断层图像集合，通过游标卡尺确定该颗粒沿俯视方向的实际总长度reallength1，检验reallength1与CT扫描的断层图像集合上所显示的该颗粒厚度，误差大于1％，应该去除该颗粒样品；(3)确定拟合层数及其间隔：根据拟合精度要求以及实验效率确定三维成型的层数le,层间间隔sl以及PFC3D软件内小球的半径rad。根据确定的层数标号筛选出对应的CT扫描图像，整理汇总；三维成型的层数le,层间间隔sl以及PFC3D软件内小球的半径rad；le、sl、rad、reallength1应满足下述关系式(1)、(2)：reallength1＝(le-1)×sl(1)sl＝2×rad(2)(4)第一次图像处理：将步骤(3)筛选出的每层图像处理成颗粒轮廓信息的图片，这些图片特征为颗粒轮廓处像素信息特征与非轮廓处像素信息特征相异，能够被软件识别判断，并统一做灰度化处理；(5)第二次图像处理：通过MATLAB软件对经过第一次图像处理的图像集合批量操作，根据确定的层数le计算所需每一层图片在空间的高度位置，根本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于像素提取的三维数值颗粒成型方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)CT扫描：根据需要成型的颗粒数量确定CT扫描的颗粒数量，CT扫描间隔为0.1mm，得到被扫描颗粒的二维断层图像集合；(2)确定颗粒扫描方向实际尺寸：选取被扫描的颗粒与其CT扫描的二维断层图像集合，通过游标卡尺确定该颗粒沿扫描方向的实际总长度reallength1；(3)确定拟合层数及其间隔：根据拟合精度要求以及实验效率确定三维成型的层数le，层间间隔sl以及PFC3D软件内小球的半径rad；根据确定的层数标号筛选出对应的CT扫描图像，整理汇总；(4)第一次图像处理：将步骤(3)筛选出的每层图像处理成颗粒轮廓信息的图片，并对这些图片批量进行灰度化处理，得到图像集合；(5)第二次图像处理：通过MATLAB软件对经过第一次图像处理的图像集合批量操作，读取并存储每一层图片颗粒轮廓处的像素位置信息；(6)MATLAB筛除算法：对每一层图片保存的颗粒轮廓处的像素位置信息进行分组筛选，减小保存的像素数量；(7)确定成型比例：通过MATLAB软件量取所选的被扫描的颗粒所有扫描轮廓图片的最大像素长度pil，通过游标卡尺量取该颗粒对应轮廓图片量取方向的最大实际长度reallength2，二者比值即为成型比例；(8)PFC3D软件建模：通过保存的各层轮廓像素位置信息，经过比例操作，整理成PFC可读模式，将每一层成型的轮廓叠加成三维数值模型；(9)批量操作：批量操作以上步骤，量产三维数值颗粒模型，完成调用颗粒调用程序。...

【技术特征摘要】
1.一种基于像素提取的三维数值颗粒成型方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)CT扫描：根据需要成型的颗粒数量确定CT扫描的颗粒数量，CT扫描间隔为0.1mm，得到被扫描颗粒的二维断层图像集合；(2)确定颗粒扫描方向实际尺寸：选取被扫描的颗粒与其CT扫描的二维断层图像集合，通过游标卡尺确定该颗粒沿扫描方向的实际总长度reallength1；(3)确定拟合层数及其间隔：根据拟合精度要求以及实验效率确定三维成型的层数le，层间间隔sl以及PFC3D软件内小球的半径rad；根据确定的层数标号筛选出对应的CT扫描图像，整理汇总；(4)第一次图像处理：将步骤(3)筛选出的每层图像处理成颗粒轮廓信息的图片，并对这些图片批量进行灰度化处理，得到图像集合；(5)第二次图像处理：通过MATLAB软件对经过第一次图像处理的图像集合批量操作，读取并存储每一层图片颗粒轮廓处的像素位置信息；(6)MATLAB筛除算法：对每一层图片保存的颗粒轮廓处的像素位置信息进行分组筛选，减小保存的像素数量；(7)确定成型比例：通过MATLAB软件量取所选的被扫描的颗粒所有扫描轮廓图片的最大像素长度pil，通过游标卡尺量取该颗粒对应轮廓图片量取方向的最大实际长度reallength2，二者比值即为成型比例；(8)PFC3D软件建模：通过保存的各层轮廓像素位置信息，经过比例操作，整理成PFC可读模式，将每一层成型的轮廓叠加成三维数值模型；(9)批量操作：批量操作以上步骤，量产三维数值颗粒模型，完成调用颗粒调用程序。2.根据权利要求1所述的基于像素提取的三维数值颗粒成型方法，其特征在于：所述步骤(1)中，扫描方向沿俯视或者侧视任何一个方向均可，只需要保证扫描面与颗粒的横截面或者纵断面平行即可，相应量取的数据或者计算公式根据扫描方向的变换相应改变。3.根据权利要求1所述的基于像素提取的三维数值颗粒成型方法，其特征在于：所述步骤(2)中，通过游标卡尺确定该颗粒沿俯视方向的实际总长度为reallength1，检验reallength1与CT扫描的断层图像集合上所显示的该颗粒厚度，误差大于1％，应该去除该颗粒样品。4.根据权利要求1所述的基于像素提取的三维数值颗粒成型方法，其特征在于：所述步骤(3)中，根据拟合精度要求以及实验效率确定三维成型的层数le,层间间隔sl以及PFC3D内小球的半径rad；le、sl、rad、reallength1应满足下述关系式(1)和...

【专利技术属性】
技术研发人员：马涛，丁珣昊，黄晓明，张垚，叶勤，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32