[发明专利]一种基于球谐函数不变量的颗粒识别和追踪方法

说明书

本发明属于岩土工程微型试验领域，并公开了一种基于球谐函数不变量的颗粒识别和追踪方法。该方法包括下列步骤：(a)颗粒样本初始状态和变形状态的CT扫描，获得各自的CT影像图；(b)CT影像图的图像处理；(c)采用球谐函数表征初始状态和变形状态CT影像图中每个颗粒的三维形态；(d)通过计算球谐函数不变量的二范数距离来匹配两个不同状态下的颗粒，从而实现颗粒的识别。通过本发明，有效地识别原位X射线高精度CT扫描下,微型土力学试验中不同加载阶段的砂土颗粒，准确地追踪所有砂土颗粒的运动行为，适用范围广。

技术领域

本发明属于岩土工程微型试验领域，更具体地，涉及一种基于球谐函数不变量的颗粒识别和追踪方法。

背景技术

近年来，随着对岩土介质材料的复杂力学行为的深入研究，越来越多的学者开始关注于土体的微观土力学行为。在此背景下，岩土高级数值模拟技术离散元方法和原位X-射线高精度计算机断层(CT)扫描下的微型土力学试验得到了迅速的发展，用离散元模拟土体的加载过程，可以轻松地识别和追踪颗粒并得到其运动行为，如颗粒的位移与转动量等。然而，数值模拟方法存在大量的简化与假设前提，不能真实地反映岩土介质材料的复杂属性。因此，采用原位X-射线高精度CT扫描下的微型土力学试验来研究土体的微观力学行为成为了土力学发展的必然趋势。然而，与离散元模拟不同，CT扫描下的微型土力学试验中的一个关键技术就是实现不同加载状态下颗粒的识别与追踪，进而得到颗粒的运动行为。

为了解决这一关键技术，Ando等2012年最早提出在CT扫描下的微型三轴试验中砂粒的识别与追踪方法。其基本思路是在不同加载状态下对砂粒的体积进行仔细的比对，认为同一个砂粒在不同状态下的体积最为接近，然而，需要注意到，对于一个砂土试样，砂粒的数量往往非常巨大，很多砂粒的体积都非常接近，此外，对于CT图像的处理过程也会造成砂粒体积的一些误差。因此，单从体积比对上来识别与追踪砂粒，其识别结果往往存在很大误差，基于此，Ando等进一步的提出将样本分割成一些小的搜索窗口，并提出砂粒的运动具有协调性的假设前提来提高耗料的识别效率与精度，然而，这种分割方法和假设前提并不适用于样本中由于剪切所形成的剪切带内，更不适合大变形条件下的土力学试验，如单剪、环剪试验等。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于球谐函数不变量的颗粒识别和追踪方法，通过引入颗粒的球谐不变量来表征颗粒的三维形态特征，再通过对颗粒在不同状态下的球谐不变量的二阶范数距离进行比对来量化颗粒形态之间的相似性，进而对颗粒进行多尺度的匹配，由此解决颗粒的识别准确性和适用性低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于球谐函数不变量的颗粒识别和追踪方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)选取一堆颗粒制作为颗粒样本，得到初始状态的颗粒样本，改变该颗粒样本中颗粒之间的相对位置，获得变形状态的颗粒样本，CT扫描该初始状态和变形状态下的颗粒样本，分别获得各自的CT影像视图；

(b)分别对所述初始状态和变形状态的CT影像视图进行图像处理和分析，获得其中每个颗粒的体积、表面积、三维尺寸、质心坐标和三维主轴方向，同时，通过颗粒之间灰度值不同分别对所述初始状态和变形状态的CT影像视图中的每个颗粒编号；

(c)分别检测所述初始状态和变形状态的CT影像视图中每个颗粒的边界像素，并根据该边界像素的分辨率换算获得组成颗粒表面的各个顶点在空间三维坐标系中的三维坐标，通过坐标转换将所述三维坐标转化为极坐标，由此获得所述颗粒表面所有顶点的极坐标并构成极坐标集，采用球谐函数序列逼近所述极坐标集，使得每个颗粒均通过一个球谐函数来表征其三维表面形态，从而使得所述初始状态和变形状态的CT影像视图中每个颗粒均形成相应的球谐函数，同时计算该球谐函数对应的球谐函数不变量；