土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法及系統(tǒng)，該方法包括：對塊石進行三維掃描，并根據(jù)掃描結(jié)果構(gòu)建塊石幾何模型；根據(jù)塊石屬性信息、塊石形態(tài)信息和塊石幾何模型建立塊石三維模型數(shù)據(jù)庫；根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的基本信息從塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中獲取塊石樣本；根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的模型類型建立土石混合體邊界模型；依據(jù)預(yù)設(shè)塊石投放約束條件，從塊石樣本中選擇塊石向土石混合體邊界模型中進行投放以生成土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型；渲染、展示并輸出土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)本發(fā)明的實施例能夠方便地實現(xiàn)土石混合體三維細觀的精細化建模與分析。
【專利說明】土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明特別涉及一種土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]土石混合體是自然界中廣泛存在的一類復(fù)雜的巖土介質(zhì)，也是地質(zhì)工程、巖土工程中經(jīng)常遇到的一類地質(zhì)體。由于土石混合體內(nèi)部超徑塊石的存在，使得其物理力學(xué)性質(zhì)很難通過傳統(tǒng)的室內(nèi)或野外試驗獲取。土石混合體物理力學(xué)性質(zhì)的研究一直以來是巖土工程界面臨的難題。
[0003]隨著數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值試驗為土石混合體物理力學(xué)性質(zhì)的研究提供了新的技術(shù)支持。然而，在進行土石混合體的數(shù)值試驗研究時，建立合理的細觀結(jié)構(gòu)模型是進行數(shù)值試驗的關(guān)鍵一步。目前在土石混合體的細觀結(jié)構(gòu)模型建立方面，大都集中在二維模型方面，在三維結(jié)構(gòu)模型生成方面為采用生成隨機塊石模型的方法。通過隨機生成塊石多面體構(gòu)建土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型，雖然在一定程度上可以實現(xiàn)塊石對土石混合體物理力學(xué)性質(zhì)的影響分析，但是難以反應(yīng)塊石真實形態(tài)，從而影響分析結(jié)果的可靠性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。
[0005]為此，本發(fā)明的第一個目的在于提出一種土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法。
[0006]本發(fā)明的第二個目的在于提出一種土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一方面的實施例公開了一種土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法，包括以下步驟:對塊石進行三維掃描，并根據(jù)掃描結(jié)果構(gòu)建塊石幾何模型，其中，所述塊石幾何模型包括塊石的點云數(shù)據(jù)和塊石三維表面模型；根據(jù)塊石屬性信息、塊石形態(tài)信息和塊石幾何模型建立塊石三維模型數(shù)據(jù)庫；根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的基本信息從所述塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中獲取塊石樣本，其中，所述基本信息包括粒度組成信息、塊石屬性信息和模型類型；根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的模型類型建立土石混合體邊界模型；依據(jù)預(yù)設(shè)塊石投放約束條件，從所述塊石樣本中選擇塊石向所述土石混合體邊界模型中進行投放以生成土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型；以及渲染、展示并輸出所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型。
[0008]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法還可以具有如下附加的技術(shù)特征:
[0009]在一些示例中，所述根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的基本信息從所述塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中獲取塊石樣本，進一步包括:輸入所述需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的粒度組成信息；根據(jù)所述粒度組成信息計算得到生成所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型所需的各粒組塊石實際重量；根據(jù)所述各粒組塊石實際重量計算得到生成所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型所需的各粒組樣本塊石重量，其中，所述各粒組樣本塊石重量大于所述各粒組塊石實際重量；根據(jù)所述各粒組樣本塊石重量及塊石屬性信息從所述塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中獲取塊石樣本。
[0010]在一些示例中，所述預(yù)設(shè)塊石投放約束條件包括:塊石的空間方位約束、塊石投放的合理性判定約束和塊石粒度特性判定約束。
[0011]在一些示例中，所述對塊石進行三維掃描，并根據(jù)掃描結(jié)果構(gòu)建塊石幾何模型，進一步包括:以多個視角對塊石進行掃描以得到所述塊石在所述多個視角下的塊石點云數(shù)據(jù)；對所述多個視角下的塊石點云數(shù)據(jù)進行拼接；對拼接后的塊石點云數(shù)據(jù)進行降噪以得到最終塊石點云數(shù)據(jù)；根據(jù)所述最終塊石點云數(shù)據(jù)構(gòu)建所述塊石三維表面模型。
[0012]在一些示例中，利用非接觸式結(jié)構(gòu)光三維掃描裝置對所述塊石進行三維掃描以得到所述塊石點云數(shù)據(jù)。
[0013]本發(fā)明第二方面的實施例公開了一種土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)，包括:塊石三維表面模型生成模塊，用于對塊石進行三維掃描，并根據(jù)掃描結(jié)果構(gòu)建塊石幾何模型，其中，所述塊石幾何模型包括塊石的點云數(shù)據(jù)和塊石三維表面模型；塊石三維模型生成模塊，用于根據(jù)塊石屬性信息、塊石形態(tài)信息和塊石幾何模型建立塊石三維模型數(shù)據(jù)庫；塊石樣本提取模塊，用于根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的基本信息從所述塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中獲取塊石樣本，其中，所述基本信息包括粒度組成信息、塊石屬性信息和模型類型；土石混合體邊界模型生成模塊，用于根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的模型類型建立土石混合體邊界模型；土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型生成模塊，用于依據(jù)預(yù)設(shè)塊石投放約束條件，從所述塊石樣本中選擇塊石向所述土石混合體邊界模型中進行投放以生成土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型；以及可視化模塊，用于渲染、展示并輸出所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型。
[0014]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)還可以具有如下附加的技術(shù)特征:
[0015]在一些示例中，所述塊石樣本提取模塊用于:根據(jù)輸入的所述需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的粒度組成信息計算得到生成所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型所需的各粒組塊石實際重量；根據(jù)所述各粒組塊石實際重量計算得到生成所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型所需的各粒組樣本塊石重量，其中，所述各粒組樣本塊石重量大于所述各粒組塊石實際重量；根據(jù)所述各粒組樣本塊石重量及塊石屬性信息從所述塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中獲取塊石樣本。
[0016]在一些示例中，所述預(yù)設(shè)塊石投放約束條件包括:塊石的空間方位約束、塊石投放的合理性判定約束和塊石粒度特性判定約束。
[0017]在一些示例中，所述塊石三維表面模型生成模塊用于:以多個視角對塊石進行三維掃描以得到所述塊石在所述多個視角下的塊石點云數(shù)據(jù)；對所述多個視角下的塊石點云數(shù)據(jù)進行拼接；對拼接后的塊石點云數(shù)據(jù)進行降噪以得到最終塊石點云數(shù)據(jù)；根據(jù)所述最終塊石點云數(shù)據(jù)構(gòu)建所述塊石三維表面模型。
[0018]在一些不例中，所述塊石三維表面模型生成模塊包括:非接觸式結(jié)構(gòu)光三維掃描裝置，用于對所述塊石進行三維掃描以得到所述塊石點云數(shù)據(jù)；計算機，用于對所述多個視角下的塊石點云數(shù)據(jù)進行拼接和去噪以得到最終塊石點云數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述最終塊石點云數(shù)據(jù)構(gòu)建所述塊石三維表面模型。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的實施例，能夠方便地獲取塊石真實的三維形態(tài)模型，并在此基礎(chǔ)上建立土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型，并實現(xiàn)土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的三維可視化展示、存儲，為土石混合體物理力學(xué)數(shù)值試驗研究與分析提供支持。
[0020]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的實施例在對土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)建模時，米用非接觸量測的方法構(gòu)建真實的塊石三維表面模型，能夠反映塊石的真實形態(tài)；然后根據(jù)塊石三維模型數(shù)據(jù)庫及所要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的粒度組成特征和塊石屬性，生成塊石樣本，并采用計算機隨機模擬的方式生成土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型。同時，所建立的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型，可以進行渲染、剖切等查詢操作，同時也可直接存儲為通用數(shù)據(jù)格式用于數(shù)值試驗研究。本發(fā)明實施例，大大提高了所生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的精細化程度，使得所生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型更加能夠真實地反映實際模型，從而使得在此基礎(chǔ)上開展的物理力學(xué)性質(zhì)數(shù)值試驗研究更加可靠與合理。
[0021]本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法中塊石三維表面模型(即塊石三維形態(tài))的獲取裝置的示意圖；
[0023]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法中用于保存塊石三維模型的塊石三維模型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)構(gòu)架圖；
[0024]圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法中生成塊石樣本的流程圖；
[0025]圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法的詳細流程圖；以及
[0026]圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0027]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0028]以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法及系統(tǒng)。
[0029]圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法的流程圖。如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明一個實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法，包括如下步驟:
[0030]步驟S501:對塊石進行三維掃描，并根據(jù)掃描結(jié)果構(gòu)建塊石幾何模型，其中，塊石幾何模型包括塊石的點云數(shù)據(jù)和塊石三維表面模型。
[0031]具體地，塊石幾何模型可通過如下方式得到:
[0032]1、以多個視角對塊石進行掃描以得到塊石在多個視角下的塊石點云數(shù)據(jù)；對多個視角下的塊石點云數(shù)據(jù)進行拼接。
[0033]2、對拼接后的塊石點云數(shù)據(jù)進行降噪以得到最終塊石點云數(shù)據(jù)。
[0034]3、根據(jù)最終塊石點云數(shù)據(jù)構(gòu)建塊石三維表面模型。
[0035]通過步驟I至3，可以將最終塊石點云數(shù)據(jù)和塊石三維表面模型組成塊石幾何模型。
[0036]在本發(fā)明的一個實施例中，可利用非接觸式結(jié)構(gòu)光三維掃描裝置對塊石進行三維掃描以得到塊石點云數(shù)據(jù)。在該實例中，非接觸式結(jié)構(gòu)光三維掃描裝置包括但不限于:三維激光掃描儀、三位光柵掃描儀和三維結(jié)構(gòu)光掃描儀中的一種。
[0037]作為一個具體的例子，如圖1所示，是本發(fā)明實施例的方法所采用的塊石三維表面模型(即塊石三維形態(tài))的獲取裝置的示意圖。其中，該裝置主要包括計算機1、非接觸式結(jié)構(gòu)光三維掃描儀2。其中非接觸式結(jié)構(gòu)光三維掃描儀2可以為三維激光掃描儀、三維光柵掃描儀等三維結(jié)構(gòu)光掃描儀器。
[0038]在該示例中，調(diào)整專用支架3使其滿足被掃描塊石4的尺寸要求，通過調(diào)整塊石4(即顆粒)的放置位置確保放置穩(wěn)定，不會晃動和滑動。非接觸式結(jié)構(gòu)光三維掃描儀2與計算機I連接。開啟非接觸式結(jié)構(gòu)光三維掃描儀2，并通過計算機I控制其進行掃描，待掃描完畢一次后，緩慢旋轉(zhuǎn)專用支架3到一定角度(一般旋轉(zhuǎn)角度在90度左右即可)，然后再次進行掃描，直到塊石三維表面全部被掃描完為止。
[0039]對不同角度掃描得到的塊石點云數(shù)據(jù)進行拼接，并刪除與塊石無關(guān)的點云信息(例如:專用支架的點云數(shù)據(jù)以及其它的周圍環(huán)境噪點)，確保只留下塊石本身的塊石點云數(shù)據(jù)，得到最終塊石點云數(shù)據(jù)22。
[0040]步驟S502:根據(jù)塊石屬性信息、塊石形態(tài)信息和塊石幾何模型建立塊石三維模型數(shù)據(jù)庫。
[0041]如圖2所示，是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法中用于保存塊石三維模型的塊石三維模型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)構(gòu)架圖。該系統(tǒng)應(yīng)用于計算機裝置10中，該計算機裝置10包括通過數(shù)據(jù)總線連接的存儲器11、處理器12、輸入設(shè)備13和顯示設(shè)備
14。計算機裝置10可以是服務(wù)器、臺式電腦、筆記本電腦等。塊石三維模型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)20的數(shù)據(jù)庫可以采用MySQUOracle等實現(xiàn)，塊石三維模型主要包括塊石幾何模型21、塊石屬性信息31及塊石形態(tài)信息41。
[0042]塊石幾何模型21，用于錄入并存儲上述掃描得到的最終塊石點云數(shù)據(jù)22及重建后的塊石三維表面模型23。塊石三維表面模型23是根據(jù)最終塊石點云數(shù)據(jù)22構(gòu)建三角形網(wǎng)格，從而實現(xiàn)塊石三維表面模型的重建。
[0043]塊石屬性信息31，用于錄入并存儲諸如:塊石的產(chǎn)地32、巖性33、成因34及密度35等用于描述塊石屬性的數(shù)據(jù)信息。
[0044]塊石形態(tài)信息41，用于計算并存儲諸如:塊石的長軸尺寸42、中軸尺寸43、短軸尺寸44、表面積45及體積46等塊石的幾何形態(tài)數(shù)據(jù)信息。
[0045]步驟S503:根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的基本信息從塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中獲取塊石樣本，其中，基本信息包括粒度組成信息、塊石屬性信息和模型類型。
[0046]具體地，可通過如下方式得到塊石樣本:
[0047]1、輸入需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的粒度組成信息。
[0048]2、根據(jù)粒度組成信息計算得到生成土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型所需的各粒組塊石實際重量。
[0049]3、根據(jù)各粒組塊石實際重量計算得到生成土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型所需的各粒組樣本塊石重量，其中，各粒組樣本塊石重量大于各粒組塊石實際重量。
[0050]4、根據(jù)各粒組樣本塊石重量及塊石屬性信息從塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中獲取塊石樣本。
[0051]更為具體地，如圖3所示，是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法中生成塊石樣本的流程圖。結(jié)合圖2和3，包括以下步驟:
[0052]步驟S10，輸入需要生成土石混合體模型的基本信息(即輸入需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的粒度組成信息)，包括粒度組成(即粒度組成信息)、塊石屬性信息(即塊石產(chǎn)地、巖性、成因等)和模型類型等。其中，粒度組成，可以是塊石的粒度級配、粒度分布函數(shù)等；塊石屬性，可以從已有塊石數(shù)據(jù)庫中的信息中選擇獲取，其中的一種或多種組合；模型類型，可以是規(guī)則的幾何模型，例如:正六面體、圓柱體等，也可以是通過外部導(dǎo)入的任意形狀的模型文件。
[0053]步驟S12，根據(jù)上述輸入的粒度組成信息，計算得到所要生成的土石混合體試樣模型所需各個粒組塊石的實際重量(即土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型所需的各粒組塊石實際重量)。
[0054]步驟S13，根據(jù)上述計算得到的各個粒組塊石的實際重量信息，計算在生成土石混合體模型時所需要的各粒組的樣本塊石重量(即土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型所需的各粒組樣本塊石重量)。一般而言，為保證樣本的合理性，塊石樣本總量為實際所需重量的
1.5?2倍。
[0055]步驟S14，根據(jù)上述計算得到的各粒組樣本塊石重量信息及塊石屬性信息，從塊石三維模型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)20中隨機抽取相應(yīng)的塊石模型(即塊石樣本)，并保證所提取的每個粒組的塊石總重量不小于所需要的樣本重量，同時記錄各個塊石樣本的粒徑、重量等幾何信息。所述塊石的粒徑，應(yīng)為塊石中軸尺寸。在從塊石三維模型數(shù)據(jù)庫20中隨機抽取塊石模型時，一方面可以直接從數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)20中提取得到樣本塊石模型，也可通過對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)20中已有塊石模型進行縮放的方式得到塊石模型。需要說明的是，當(dāng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)20中某粒組塊石數(shù)量小于樣本所需塊石數(shù)量時，可以從其它形態(tài)相似的塊石粒組中提取塊石模型，然后經(jīng)過等比例縮放的方式得到所需粒組的塊石模型。
[0056]步驟S504:根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的模型類型建立土石混合體邊界模型。
[0057]步驟S505:依據(jù)預(yù)設(shè)塊石投放約束條件，從塊石樣本中選擇塊石向土石混合體邊界模型中進行投放以生成土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型。其中，預(yù)設(shè)塊石投放約束條件包括但不限于:塊石的空間方位約束、塊石投放的合理性判定約束和塊石粒度特性判定約束。
[0058]具體而言，結(jié)合步驟S504和步驟S505，如圖4所示，是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法的詳細流程圖。該方法包括:
[0059]步驟S21，根據(jù)步驟SlO得到需要生成土石混合體模型的模型類型，建立土石混合體試樣的邊界幾何模型(即土石混合體邊界模型)。
[0060]步驟S22，根據(jù)上述建立的土石混合體邊界模型、各粒組塊石實際重量及所生成的塊石樣本，在土石混合體邊界模型進行塊石投放。主要包括確定塊石的空間方位、塊石投放的合理性判定及塊石粒度特性判定。
[0061]在上述示例中，塊石空間方位是對塊石進行隨機投放時所需要的，包括塊石投放時的形心坐標(biāo)和產(chǎn)狀。在進行塊石投放時，以塊石的形心為參考點，根據(jù)塊石所要投放出的形心坐標(biāo)及塊石的空間產(chǎn)狀，對塊石模型進行平移和旋轉(zhuǎn)變換。形心坐標(biāo)(Cx，Cy，Cz)可以通過下式隨機生成:
[0062]Cx = Xmin+ (Xmax-Xmin) X Rand1 ；
[0063]Cy = ymin+ (ymax-ymin) X Rand2 ；
[0064]Cz = zmin+ (zmax-zmin) X Rand3。
[0065]其中:xmin,Xmax為土石混合體邊界模型的邊界在X方向的最小值和最大值；ymin，ymax為土石混合體邊界模型的邊界在Y方向的最小值和最大值；zmin, Zmax為土石混合體邊界模型的邊界在X方向的最小值和最大值；RandpRand2及Rand3均為[0,1]范圍內(nèi)均勻分布的隨機數(shù)。
[0066]塊石產(chǎn)狀為塊石最長軸的傾向(Dip)和傾角(Dia)，可以通過下式隨機生成:
[0067]Dip = Dipmin+ (Dipmax-Dipmin) XRand4 ；
[0068]Dia = Diamin+(Diamax-Diamin) X Rand5 X 90。。
[0069]其中山丨口—和Dipniax分別為所設(shè)定的生成塊石長軸傾向分布范圍，其值在O?360°范圍內(nèi)；Diamin和Diamax分別為所設(shè)定的生成塊石長軸傾角分布范圍，其值在O?90°范圍內(nèi)；Rand4及Rand5均為[0，I]范圍內(nèi)均勻分布(或其它分布，如正態(tài)分布等)的隨機數(shù)。
[0070]在本實施例中，塊石投放的合理性判定是對塊石進行隨機投放時是否滿足基本的客觀實際情況進行的判定，包括是否在土石混合體邊界模型內(nèi)及不與已有塊石相交兩個方面進行的判定。在土石混合體邊界模型內(nèi)的判定，為在投放塊石時保證塊石幾何模型位于所要生成的試樣邊界模型范圍內(nèi)。不與已有塊石相交的判定，為在投放新的塊石時保證不與已經(jīng)投放好的塊石模型相交。
[0071]在本實施例中，如果所投放的塊石模型不滿足所述合理性判定，則重新隨機生成塊石空間方位，并對塊石進行重新投放，直到滿足合理性判定條件為止。對于同一可塊石，如果累積投放失敗的次數(shù)超過一個上限(一般可設(shè)為5000次)，則放棄該塊石的投放，并重新從塊石樣本中選擇新的塊石進行投放。
[0072]進一步而言，粒度特性判定的目的是在對塊石進行隨機投放時，保證每個粒組累積投放成功的塊石重量不超過本粒組實際重量。同時，為了保證投放的合理性，在塊石投放時，先投放粒徑大的塊石，然后依次投放粒徑小的塊石。
[0073]步驟S506:渲染、展示并輸出所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型。
[0074]具體而言，如圖4所示，包括:
[0075]步驟S23，對所生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型可視化查詢，主要包括塊石信息查詢和三維可視化查詢兩個功能模塊。
[0076]在該示例中，塊石信息查詢，主要包括生成土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的粒度組成查詢和塊石空間產(chǎn)狀查詢，用于驗證和分析所生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的粒度組成、塊石空間產(chǎn)狀是否滿足輸入條件的要求。
[0077]進一步地，三維可視化查詢，可采用三維可視化技術(shù)實現(xiàn)顆粒三維模型的渲染、剖切、平移、旋轉(zhuǎn)及縮放等三維展示功能。
[0078]步驟S24,將建立的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型保存輸出成*.Stl或*.gts等數(shù)據(jù)格式，以便可以用其它軟件，如CAD、CAM等軟件進行查看和展示，并為數(shù)值計算分析提供豐吳型支持。
[0079]根據(jù)本發(fā)明實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法，能夠方便地獲取塊石真實的三維形態(tài)模型，并在此基礎(chǔ)上建立土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型，并實現(xiàn)土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的三維可視化展示、存儲，為土石混合體物理力學(xué)數(shù)值試驗研究與分析提供支持。
[0080]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的方法在對土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)建模時，采用非接觸量測的方法構(gòu)建真實的塊石三維表面模型，能夠反映塊石的真實形態(tài)；然后根據(jù)塊石三維模型數(shù)據(jù)庫及所要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的粒度組成特征和塊石屬性，生成塊石樣本，并采用計算機隨機模擬的方式生成土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型。同時，所建立的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型，可以進行渲染、剖切等查詢操作，同時也可直接存儲為通用數(shù)據(jù)格式用于數(shù)值試驗研究。本發(fā)明實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法，大大提高了所生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的精細化程度，使得所生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型更加能夠真實地反映實際模型，從而使得在此基礎(chǔ)上開展的物理力學(xué)性質(zhì)數(shù)值試驗研究更加可靠與合理。
[0081]本發(fā)明的進一步實施例還提供了一種土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)，包括:塊石三維表面模型生成模塊，用于對塊石進行三維掃描，并根據(jù)掃描結(jié)果構(gòu)建塊石幾何模型，其中，所述塊石幾何模型包括塊石的點云數(shù)據(jù)和塊石三維表面模型；塊石三維模型生成模塊，用于根據(jù)塊石屬性信息、塊石形態(tài)信息和塊石幾何模型建立塊石三維模型數(shù)據(jù)庫；塊石樣本提取模塊，用于根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的基本信息從所述塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中獲取塊石樣本，其中，所述基本信息包括粒度組成信息、塊石屬性信息和模型類型；土石混合體邊界模型生成模塊，用于根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的模型類型建立土石混合體邊界模型；土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型生成模塊，用于依據(jù)預(yù)設(shè)塊石投放約束條件，從所述塊石樣本中選擇塊石向所述土石混合體邊界模型中進行投放以生成土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型；以及可視化模塊，用于渲染、展示并輸出所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型。
[0082]在一些示例中，塊石樣本提取模塊用于:根據(jù)輸入的所述需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的粒度組成信息計算得到生成所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型所需的各粒組塊石實際重量；根據(jù)所述各粒組塊石實際重量計算得到生成所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型所需的各粒組樣本塊石重量，其中，所述各粒組樣本塊石重量大于所述各粒組塊石實際重量；根據(jù)所述各粒組樣本塊石重量及塊石屬性信息從所述塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中獲取塊石樣本。
[0083]在一些示例中，所述預(yù)設(shè)塊石投放約束條件包括:塊石的空間方位約束、塊石投放的合理性判定約束和塊石粒度特性判定約束。
[0084]在一些不例中，塊石三維表面模型生成模塊用于:以多個視角對塊石進行掃描以得到所述塊石在所述多個視角下的塊石點云數(shù)據(jù)；對所述多個視角下的塊石點云數(shù)據(jù)進行拼接；對拼接后的塊石點云數(shù)據(jù)進行降噪以得到最終塊石點云數(shù)據(jù)；根據(jù)所述最終塊石點云數(shù)據(jù)構(gòu)建所述塊石三維表面模型。
[0085]在一些示例中，塊石三維表面模型生成模塊包括:非接觸式結(jié)構(gòu)光三維掃描裝置，用于對所述塊石進行三維掃描以得到所述塊石點云數(shù)據(jù)；計算機，用于對所述多個視角下的塊石點云數(shù)據(jù)進行拼接和去噪以得到最終塊石點云數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述最終塊石點云數(shù)據(jù)構(gòu)建所述塊石三維表面模型。
[0086]根據(jù)本發(fā)明實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)，能夠方便地獲取塊石真實的三維形態(tài)模型，并在此基礎(chǔ)上建立土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型，并實現(xiàn)土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的三維可視化展示、存儲，為土石混合體物理力學(xué)數(shù)值試驗研究與分析提供支持。
[0087]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的系統(tǒng)在對土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)建模時，采用非接觸量測的方法構(gòu)建真實的塊石三維表面模型，能夠反映塊石的真實形態(tài)；然后根據(jù)塊石三維模型數(shù)據(jù)庫及所要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的粒度組成特征和塊石屬性，生成塊石樣本，并采用計算機隨機模擬的方式生成土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型。同時，所建立的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型，可以進行渲染、剖切等查詢操作，同時也可直接存儲為通用數(shù)據(jù)格式用于數(shù)值試驗研究。本發(fā)明實施例的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)，大大提高了所生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的精細化程度，使得所生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型更加能夠真實地反映實際模型，從而使得在此基礎(chǔ)上開展的物理力學(xué)性質(zhì)數(shù)值試驗研究更加可靠與合理。
[0088]需要說明的是，本發(fā)明實施例的系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方式與方法部分的具體實現(xiàn)方式類似，為了減少冗余，不做贅述。
[0089]在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結(jié)合和組合。
[0090]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【權(quán)利要求】
1.一種土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成方法，其特征在于，包括以下步驟: 對塊石進行三維掃描，并根據(jù)掃描結(jié)果構(gòu)建塊石幾何模型，其中，所述塊石幾何模型包括塊石的點云數(shù)據(jù)和塊石三維表面模型； 根據(jù)塊石屬性信息、塊石形態(tài)信息和塊石幾何模型建立塊石三維模型數(shù)據(jù)庫； 根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的基本信息從所述塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中獲取塊石樣本，其中，所述基本信息包括粒度組成信息、塊石屬性信息和模型類型；根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的模型類型建立土石混合體邊界模型； 依據(jù)預(yù)設(shè)塊石投放約束條件，從所述塊石樣本中選擇塊石向所述土石混合體邊界模型中進行投放以生成土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型；以及渲染、展示并輸出所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的基本信息從所述塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中獲取塊石樣本，進一步包括: 輸入所述需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的粒度組成信息； 根據(jù)所述粒度組成信息計算得到生成所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型所需的各粒組塊石實際重量； 根據(jù)所述各粒組塊石實際重量計算得到生成所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型所需的各粒組樣本塊石重量，其中，所述各粒組樣本塊石重量大于所述各粒組塊石實際重量；根據(jù)所述各粒組樣本塊石重量及塊石屬性信息從所述塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中獲取塊石樣本。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)塊石投放約束條件包括:塊石的空間方位約束、塊石投放的合理性判定約束和塊石粒度特性判定約束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的方法，其特征在于，所述對塊石進行三維掃描，并根據(jù)掃描結(jié)果構(gòu)建塊石幾何模型，進一步包括: 以多個視角對塊石進行掃描以得到所述塊石在所述多個視角下的塊石點云數(shù)據(jù)； 對所述多個視角下的塊石點云數(shù)據(jù)進行拼接； 對拼接后的塊石點云數(shù)據(jù)進行降噪以得到最終塊石點云數(shù)據(jù)； 根據(jù)所述最終塊石點云數(shù)據(jù)構(gòu)建所述塊石三維表面模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，利用非接觸式結(jié)構(gòu)光三維掃描裝置對所述塊石進行三維掃描以得到所述塊石點云數(shù)據(jù)。
6.一種土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)，其特征在于，包括: 塊石三維表面模型生成模塊，用于對塊石進行三維掃描，并根據(jù)掃描結(jié)果構(gòu)建塊石幾何模型，其中，所述塊石幾何模型包括塊石的點云數(shù)據(jù)和塊石三維表面模型； 塊石三維模型生成模塊，用于根據(jù)塊石屬性信息、塊石形態(tài)信息和塊石幾何模型建立塊石三維模型數(shù)據(jù)庫； 塊石樣本提取模塊，用于根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的基本信息從所述塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中獲取塊石樣本，其中，所述基本信息包括粒度組成信息、塊石屬性信息和模型類型； 土石混合體邊界模型生成模塊，用于根據(jù)需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的模型類型建立土石混合體邊界模型； 土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型生成模塊，用于依據(jù)預(yù)設(shè)塊石投放約束條件，從所述塊石樣本中選擇塊石向所述土石混合體邊界模型中進行投放以生成土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型；以及 可視化模塊，用于渲染、展示并輸出所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述塊石樣本提取模塊用于: 根據(jù)輸入的所述需要生成的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型的粒度組成信息計算得到生成所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型所需的各粒組塊石實際重量； 根據(jù)所述各粒組塊石實際重量計算得到生成所述土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)模型所需的各粒組樣本塊石重量，其中，所述各粒組樣本塊石重量大于所述各粒組塊石實際重量；根據(jù)所述各粒組樣本塊石重量及塊石屬性信息從所述塊石三維模型數(shù)據(jù)庫中獲取塊石樣本。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)設(shè)塊石投放約束條件包括:塊石的空間方位約束、塊石投放的合理性判定約束和塊石粒度特性判定約束。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述塊石三維表面模型生成模塊用于: 以多個視角對塊石進行掃描以得到所述塊石在所述多個視角下的塊石點云數(shù)據(jù)； 對所述多個視角下的塊石點云數(shù)據(jù)進行拼接； 對拼接后的塊石點云數(shù)據(jù)進行降噪以得到最終塊石點云數(shù)據(jù)； 根據(jù)所述最終塊石點云數(shù)據(jù)構(gòu)建所述塊石三維表面模型。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述塊石三維表面模型生成模塊包括: 非接觸式結(jié)構(gòu)光三維掃描裝置，用于對所述塊石進行三維掃描以得到所述塊石點云數(shù)據(jù)； 計算機，用于對所述多個視角下的塊石點云數(shù)據(jù)進行拼接和去噪以得到最終塊石點云數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述最終塊石點云數(shù)據(jù)構(gòu)建所述塊石三維表面模型。
【文檔編號】G06T19/20GK104050717SQ201410302628
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】徐文杰, 李澄清 申請人:清華大學(xué)