一种实现土的微观结构表面形态三维可视化的方法

摘要

本发明公开了一种实现土的微观结构表面形态三维可视化的方法，其步骤：（1）裁剪SEM图像：利用图像处理软件Photoshop的裁剪功能去除SEM图像属性信息；（2）将SEM图像转化为灰度图像：采用数学软件MATLAB，获得SEM图像的灰度图像；（3）提取灰度值：利用MATLAB获得SEM图像各个像素对应的灰度值；（4）获得SEM图像三维信息数据：将三维图像信息以格式进行整理，保存为txt文件；（5）三维可视化的实现。导入三维图像信息，采用图形软件Surfer，生成三维表面立体图，进行可视化操作。方法易行，操作简便，将灰度设为微观结构表面至成像表面的距离，获得土的三维微观结构信息，实现土的微观结构表面形态的三维模型的建立与可视化。

说明书

技术领域

本发明涉及土的微观结构表面形态的三维可视化技术领域，更具体涉及一种利用扫描电子显微镜图像实现土的微观结构表面形态的三维可视化方法。

背景技术

大量事实表明，土的工程性状在很大程度上受到其微观结构系统的控制，土体所表现出来的各种变形及强度特性归根结底是其内部微观结构要素调整和演化的综合反映，因此，研究微观结构可以认识土的许多工程性质的本质，了解人工改良土性的机理，尤其为建立正确的土本构关系，解释宏观现象都有重要意义。

电子显微镜扫描作为土的微观结构研究中使用最广泛的研究手段之一，具有放大倍数大，观察样品视场宽、图像具有一定的立体感的特点。目前，根据土的扫描电子显微镜(简称SEM)图像进行微观结构研究多是定性的分析，定量分析较少。其中，对扫描电子显微镜(简称SEM)图像处理的方法主要是利用一些图像处理软件Photoshop、MATLAB，以及自动处理图像工具，如Media Cybemetics公司开发的IPP图像处理分析软件、D/MAXIIIA型全自动组构测角仪、Vicdeolab图像分析系统等，但基于这些方法对微观结构研究多是二维的定性与定量分析，且操作方法复杂。其实，SEM图像这种二维图像中也包含着土颗粒大小、颗粒与孔隙的排列形式，颗粒表面形态等大量三维信息，如果将其提取并借助某种方法实现土的微观结构的三维可视化操作，就可以使SEM图像中的颗粒与孔隙的接触关系更加直观，还能得到微观结构表面起伏情况，其获得的信息量远远超过二维图像本身。

综上所述，目前利用SEM图像进行土的内部微观结构的研究方法多是二维分析，这些方法无法真实体现土内部的微观结构的复杂形态，为此，必须开发一种实现土内部微观结构表面形态三维可视化的方法。若将其应用于土的微观结构的三维展示中，利用逼真的三维动态显示效果，可直观的观察复杂的空间结构，增强了研究者对土样微观结构的理解。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种实现土的微观结构表面形态三维可视化的方法，方法易行，操作简便，利用MATLAB软件采用编程手段提取SEM图像的灰度值，并将其设为微观结构表面至成像表面的距离，由此获得土的三维微观结构信息，将其导入三维图像软件(Surfer软件)中，实现土的微观结构表面形态的三维模型的建立与可视化。

为了实现上述的目的，本发明采用如下技术方案：

一种实现土的微观结构表面形态三维可视化的方法，其步骤是：

(1)裁剪SEM图像：

采用美国Adobe公司出品的图像处理软件Photoshop软件，在Photoshop软件中点击“File”，点击“Open”，选择需要操作的原始SEM图像，点击“OK”，点击“Cutting Tool”，点击“Rectangle Tool”，用矩形选择框选择除了图像属性信息的其余部分，点击“Cutting”，然后将其保存；

(2)将SEM图像转化为灰度图像：

采用美国MathWorks公司出品的商业数学软件MATLAB软件，在MATLAB软件的Command window对话框中输入：Y＝imread(‘裁剪后的SEM图像’)；I＝rgb2gray(Y)；imshow(I)，title(‘灰度图像’)。即可获得裁剪后的SEM图像的灰度图像；

(3)提取灰度值：

在Command window对话框中输入：impixelinfo；imview(I)。MATLAB软件会生成裁剪后的SEM图像各个像素对应的灰度值；

(4)获得SEM图像三维信息数据：

将三维图像信息以(x_ij，y_ij，z_mn)的格式进行整理，保存为txt文件，其中，(x_ij，y_ij)对应像素点在SEM图像中的位置，以SEM图像左下角端点为原点建立的正交坐标系中，SEM图像中各个像素在此正交坐标系中的位置，x_ij≥0、y_ij≥0，且x_ij与y_ij都为整数，z_mn为SEM图像的灰度，灰度范围为0～255；

(5)三维可视化的实现。

采用美国Golden Software公司出品的三维图形绘制软件Surfer软件，在Surfer软件中点击“Grid”，点击“Data”，选中txt文件，点击“OK”，生成grd文件，点击“Map”，点击“New”，点击“three-dimensional surface map”，选中grd文件，点击“OK”，生成三维表面立体图，利用放大、缩小、旋转功能实现图像三维可视化操作。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

该方法的优点是操作简单且效果良好，利用微观土力学研究中常用的SEM图像建立了土的微观结构表面形态的三维模型，通过逼真的三维动态显示效果，更直观地观察土的颗粒与孔隙的接触关系、微观结构表面起伏情况等微观结构形态，其获得的信息量远远超过二维图像本身，极大地拓展了SEM照片的应用范围和视域。

附图说明

图1为一种实现土的微观结构表面形态三维可视化的方法操作过程流程图；

图2为一种原始的土的SEM照片(放大2000倍)；

图3为一种裁剪后的土的SEM照片；

图4为一种利用像素划分SEM图像示意图；

图5为一种土的微观结构表面形态的三维展示；

图6为一种土的微观结构表面形态俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，

一种实现土的微观结构表面形态三维可视化的方法，其步骤是：

A、裁剪SEM图像1：

进行扫描电子显微镜照相获得原始的表征土的微观结构的SEM照片(附图2)，附图2的下部为图像的属性信息，如比例尺、图片名称等，可采用美国Adobe公司出品的图像处理软件Photoshop软件中的裁剪功能将图像的属性信息去掉。具体操作是：在Photoshop软件的操作界面中点击“File”，点击“Open”，选择需要操作的SEM图像，然后点击“OK”，则SEM图像会在Photoshop软件中显示，点击“Cutting Tool”，点击“Rectangle Tool”，在SEM图像上出现矩形选择框，用矩形选择框选择除了图像属性信息的其余部分，点击“裁剪”按钮，然后将其保存，裁剪后的图像如附图3所示；

B、将SEM图像转化为灰度图像2：

利用美国MathWorks公司出品的商业数学软件MATLAB软件将SEM图像转换为255级的灰度图像。具体操作是：打开MATLAB软件，在Command window对话框中输入：Y＝imread(‘SEM图像’)；I＝rgb2gray(Y)；imshow(I)，title(‘灰度图像’)。即可获得附图3对应的灰度图像；

C、提取灰度值3：

利用Matlab软件提取灰度图像的灰度值。在Command window对话框中输入：impixelinfo；imview(I)。Matlab软件会自动生成SEM图像各个像素对应的灰度值；

D、获得SEM图像三维信息数据4：

土的SEM图像由像素组成，每一个像素对应一个灰度值。灰度的范围为0～255，表示亮度从深到浅，对应图像中的颜色为从黑到白。图像中的灰度可理解为经过取整简化后的结构表面至成像表面的距离，灰度值越大，在图像中表现越白，即结构表面距离成像表面越近。设微观结构表面S＝{(x，y，z(x，y))|(x，y)∈G}，G是微观结构表面垂直投影得到的平面，若用正方形网格覆盖G，即将G分成m(r)×n(r)个边长为r的小正方形G_ij，设小正方形G_ij为一个像素，则第i小正方形对应的G_ij的三维信息数据为G_ij(x_ij，y_ij，z_mn)，其中，(x_ij，y_ij)对应G_ij在SEM图像中的位置，以SEM图像左下角端点为原点建立的正交坐标系中，SEM图像中像素在此正交坐标系中的位置，x_ij≥0、y_ij≥0，且x_ij与y_ij都为整数，，z_mn为G_ij的灰度，灰度范围为0～255。基本原理如附图4所示。附图1的大小为800×544(单位为像素)，则像素点G_ij＝800×544＝435200个，通过对SEM图像比例尺转换，得到其实际尺寸56μm×38μm，即一个单位像素代表0.07μm，将所得的三维图像信息数据以(x_ij，y_ij，z_mn)的格式进行整理，并存为txt文件；

E、三维可视化的实现5。

采用美国Golden Software公司出品的三维图形绘制软件Surfer软件，在Surfer软件操作界面中，点击“Grid”，点击“Data”，选中保存好的txt文件，点击“OK”，Surfer软件会自动生成一个grd文件，该grd文件为Surfer软件专用网格数据格式，用以保存三维图像信息数据。点击“Map”，点击“New”，点击“three-dimensional surface map”，弹出对话框，然后选中grd文件，点击“OK”后，生成对应附图2的三维表面立体图，在Surfer软件中利用放大、缩小、旋转等功能对三维立体图进行操作，即可实现三维可视化操作。

对比附图1，附图5，附图6可见，利用本发明中提到的一种实现土的微观结构表面形态三维可视化的方法，将附图1所示的土的微观结构表面形态在Surfer软件中实现了三维可视化，在附图5中可以较好观察土的微观颗粒与孔隙的大小以及接触关系，同时以俯视方式观看三维可视化图形获得的附图6与原始图像(附图1)基本相同，说明这一种实现土的微观结构表面形态三维可视化的方法是可行的。