一种基于图像处理和3D打印制作弱胶结砂岩模型的方法与流程

本发明属于砂岩模型制作技术领域，更具体地，涉及一种基于图像处理和3d打印制作弱胶结砂岩模型的方法。

背景技术：

岩体具有天然的裂隙结构以及流体在岩体中的运动状态异常复杂，如何定量分析岩体复杂的内部结构和物理力学特性一直是岩土、矿业、地质等领域高度关注的问题。

在实验室时研究岩体的物理、力学和化学特性时，所选岩样来自同一场地或者不同场地，但即使来自于同一场地的岩样由于地质条件和取样等因素，其性质相差较大，同时由于岩样的低可重复性率增大了实验的误差。关于岩体内部结构与裂隙、渗流等问题，虽然科学家和工程师们已经开展了大量的研究，但岩体内部的孔隙结构、喉道分布和岩石骨架等，对于研究人员来说仍然是很模糊的，现有的方法和技术很难直观显示和准确表征岩体的内部孔隙结构。

为此，特别需要一种岩石模型制作方法能够直观显示和准确表征岩体的内部孔隙结构。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种能够直观显示和准确表征岩体的内部孔隙结构的基于图像处理和3d打印制作弱胶结砂岩模型的方法。

为了实现上述目的，本发明提供基于图像处理和3d打印制作弱胶结砂岩模型的方法，包括：

步骤1：扫描弱胶结砂岩岩样，获得所述岩样的数字图像；

步骤2：对所述数字图像进行图像处理，获得三维网络模型；

步骤3：采用3d打印方法打印所述三维网络模型，获得弱胶结砂岩模型。

优选的，采用ct扫描方法扫描所述弱胶结砂岩岩样，获得所述岩样的数字图像。

优选的，所述步骤2包括：步骤201：将所述数字图像转换为位图格式，并对转换后的数字图像进行去噪和图像边缘切割；步骤202：基于切割后的数字图像识别岩石骨架，基于所述岩石骨架提取初始三维网络模型；步骤203：优化所述初始三维网络模型以及减小模型几何误差，并导出数字文件；步骤204：针对所述数字文件进行模型检测、修复和平滑处理，获得所述三维网络模型。

优选的，在所述步骤202中，通过mimics软件，调整图片的对比度，设置岩石骨架的hu范围，切割数字图像的边缘部分，去除像素中的漂浮物质，获得岩石骨架。

优选的，采用marchingcubes算法提取所述初始三维网络模型。

优选的，通过3-matic软件优化所述初始三维网络模型以及减小模型几何误差。

优选的，所述数字文件为stl格式。

优选的，所述步骤3包括：步骤301：对所述三维网络模型进行切层，获得多个等值面；步骤302：3d打印机的输送管将液体打印材料和支撑打印材料输送到并行打印头上；步骤303：并行打印头根据所述等值面将所述液体打印材料和支撑打印材料分别铺设在工作平台上；步骤304：紫外线灯照射工作平台，使所述液体打印材料和支撑打印材料强化凝固；步骤305：将所述并行打印头提升一层的高度；步骤306：重复执行步骤302-步骤305，直至整个弱胶结砂岩模型制作完成。

优选的，还包括对所述弱胶结砂岩模型进行后期处理。

优选的，所述后期处理包括：清除所述弱胶结砂岩模型表面的支撑材料；对所述弱胶结砂岩模型进行光漂处理。

本发明的有益效果在于：本发明的基于数字图像处理技术和3d打印技术制作弱胶结砂岩模型的方法，在不使用模具和工具的条件下能够还原出天然岩体的内部结构信息，通过数字图像处理、三维重构和3d打印技术可以得到岩体真实的内部复杂结构信息，能够直观显示和准确表征岩体的内部孔隙结构，还可以完成弱胶结砂岩模型的重复制作，为研究弱胶结砂岩力学性质和分布等研究提供一种参考方法。

本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的基于图像处理和3d打印制作弱胶结砂岩模型的方法的流程图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的基于图像处理和3d打印制作弱胶结砂岩模型的方法的3d打印工作原理图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的经过3-magic优化及减小几何误差后的三维网络模型。

图4示出了根据本发明的一个实施例的基于图像处理和3d打印制作弱胶结砂岩模型的方法的打印的弱胶结砂岩模型。

图5示出了根据本发明的一个实施例的基于图像处理和3d打印制作弱胶结砂岩模型的方法的经过后期处理的弱胶结砂岩三维实体模型。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

根据本发明的基于图像处理和3d打印制作弱胶结砂岩模型的方法，包括：步骤1：扫描弱胶结砂岩岩样，获得岩样的数字图像；步骤2：对数字图像进行图像处理，获得三维网络模型；步骤3：采用3d打印方法打印三维网络模型，获得弱胶结砂岩模型。

具体地，从场地取得弱胶结砂岩，岩样严格按照合国际岩石力学学会关于试验规范加工而成。例如岩样直径可为40～50mm，高度可为80～100mm，端面不平整度小于0.01～0.02mm，两端不平行度平行误差小于0.2～0.3mm，试样的断面垂直度误差要相应的小于0.20～0.25。对岩样逐层进行扫描，得到岩样的数字图像，再对数字图像进行图像处理，从而获得三维网络模型，采用3d打印方法打印三维网络模型，从而获得弱胶结砂岩模型。

根据示例性的实施方式，基于数字图像处理技术和3d打印技术制作弱胶结砂岩模型的方法，在不使用模具和工具的条件下能够还原出天然岩体的内部结构信息，通过数字图像处理、三维重构和3d打印技术可以得到岩体真实的内部复杂结构信息，能够直观显示和准确表征岩体的内部孔隙结构，还可以完成弱胶结砂岩模型的重复制作，为研究弱胶结砂岩力学性质和分布等研究提供一种参考方法。

优选的，采用ct扫描方法扫描弱胶结砂岩岩样，获得岩样的数字图像。

具体的，采用ct机对岩样进行切片扫描。典型地，扫描电压为120kv，电流为400ma，沿着岩样自上而下间隔1.8mm连续扫描，获得弱胶结砂岩试样原始ct数字图像。

作为优选方案，步骤2包括：步骤201：将数字图像转换为位图格式，并对转换后的数字图像进行去噪和图像边缘切割；步骤202：基于切割后的数字图像识别岩石骨架，基于岩石骨架提取初始三维网络模型；步骤203：优化初始三维网络模型以及减小模型几何误差，并导出数字文件；步骤204：针对数字文件进行模型检测、修复和平滑处理，获得三维网络模型。

作为优选方案，在所述步骤202中，通过mimics软件，调整图片的对比度，设置岩石骨架的hu范围，切割数字图像的边缘部分，去除像素中的漂浮物质，获得岩石骨架。

作为优选方案，采用marchingcubes算法提取初始三维网络模型。

作为优选方案，通过3-matic软件优化初始三维网络模型以及减小模型几何误差。

作为优选方案，数字文件为stl格式。

具体的，将ct扫描获得的数字图像导入到matlabe软件中，用图像处理工具箱将图像转换为bmp位图格式，并采用中值滤波方法对转换后的数字图像进行去噪处理，进行去噪处理是为了减少由于成像设备和外部环境噪声对图像的干扰；然后再对去噪处理后的数字图像切割图像边缘，得到边长为150*150像素方形图，消除由于在实验室加工时对岩样表面的损伤。当然，也可以选择其他图像处理软件对数字图像进行去噪和图像边缘切割，这是本领域技术人员容易想到的。

将切割后的数字图像导入到mimics19.0软件中，用鼠标滑动每个窗口的滚动条，选择最清晰的观察视角，调整窗高和窗宽，设置方位参数，将不同视图中的图片的对比度调整到一个合适的数值，使用灰度对比(contrast)和画轮廓线(drawprofileline)工具识别岩石骨架的hu范围，典型地设置hu为-904～-785像素。进一步的，将岩石骨架粗略的分出来。利用蒙版(mask)对图像进行剪裁，参考hu范围使用阈值分割工具定义上下界阈值，当设置hu的最小值为-909、最大值为-798时，岩石骨架轮廓最清楚。选用蒙版(mask)工具切割数字图像的多余部分只留下岩石骨架部分，利用编辑蒙版命令切割多余部分。选择源掩膜用区域增长工具去除像素中的漂浮物质。最后采用marchingcubes算法获得三维网络模型。

由于mimics软件重建模型存在较多的缺陷，需要对重建模型进一步的优化，将三维网络模型导入3—matic软件中，利用smooth命令对三维网络模型进行优化，使得三维网络模型的表面变得光滑，进一步提高三维网络模型的质量，选用reduce工具消减三维网络模型中低质量的三角片，从而减小模型几何误差，再将三维重建后的三维网络模型以stl格式导出。

将stl格式的数字文件导入magics软件中，运用修复向导工具检测模型是否存在三角面片法向反向、交叉三角面片、坏边、错误轮廓和干扰壳体等错误。若有，使用自动修复工具对模型进行修复。为了让打印实体与设计模型尽可能一致，需要使用平滑命令对模型整体进行平滑处理，并导出为3d打印通用的stl格式文件。

作为优选方案，步骤3包括：步骤301：对三维网络模型进行切层，获得多个等值面；步骤302：3d打印机的输送管将液体打印材料和支撑打印材料输送到并行打印头上；步骤303：并行打印头根据所述等值面将液体打印材料和支撑打印材料分别铺设在工作平台上；步骤304：紫外线灯照射工作平台，使液体打印材料和支撑打印材料强化凝固；步骤305：将并行打印头提升一层的高度；步骤306：重复执行步骤302-步骤305，直至整个弱胶结砂岩模型制作完成。

作为优选方案，还包括对弱胶结砂岩模型进行后期处理。

作为优选方案，后期处理包括：清除弱胶结砂岩模型表面的支撑材料；对弱胶结砂岩模型进行光漂处理。

具体的，将数字文件导入objectstudio^tm中进行模型验算，选择打印平台与基座面，打印材料例如选用veroblackplus，支撑材料例如选用sup705采用高精度(hs)模型，切片层厚15微米共2720个切片，发送至jobmanger工作平台，采用3d打印光固化工艺进行弱胶结砂岩模型制作。

输送管将液体打印材料和支撑打印材料分别输送到并行打印头上，打印机的喷头按照计算机切分好的等值面，将骨架材料和支撑铺设在工作平台上，用紫外线灯灯光照射工作平台，使得材料强化凝固，然后提成打印头上升一个切片，再一次进行铺设，紫外线uv灯光强化，重复上述工作直至整个弱胶结砂岩模型制作完成。对弱胶结砂岩模型进行后期，后期处理的方法是，弱胶结砂岩模型打印完成后，将模型取出，清楚表面支撑材料，放入清洗机利用高压水头对模型进行去除支撑材料操作，直至清洗干净。将清洗模型放在涂有合适荧光剂的照明室进行光漂处理，得到最终的弱胶结砂岩模型。

实施例

图1示出了根据本发明的一个实施例的基于图像处理和3d打印制作弱胶结砂岩模型的方法的流程图。图2示出了根据本发明的一个实施例的基于图像处理和3d打印制作弱胶结砂岩模型的方法的3dp工作原理图。图3示出了根据本发明的一个实施例的经过3-magic优化及减小几何误差后的三维网络模型。图4示出了根据本发明的一个实施例的基于图像处理和3d打印制作弱胶结砂岩模型的方法的打印的弱胶结砂岩模型。图5示出了根据本发明的一个实施例的基于图像处理和3d打印制作弱胶结砂岩模型的方法的经过后期处理的弱胶结砂岩三维实体模型。

结合图1、图2、图3、图4和图5所示，基于图像处理和3d打印制作弱胶结砂岩模型的方法，包括：

步骤1：扫描弱胶结砂岩岩样，获得岩样的数字图像；

其中，采用ct扫描方法扫描弱胶结砂岩岩样，获得岩样的数字图像。

步骤2：对数字图像进行图像处理，获得三维网络模型；

步骤2包括：

步骤201：将数字图像转换为位图格式，并对转换后的数字图像进行去噪和图像边缘切割；

步骤202：基于切割后的数字图像识别岩石骨架，基于岩石骨架提取初始三维网络模型；

其中，通过mimics软件，调整图片的对比度，设置岩石骨架的hu范围，切割数字图像的边缘部分，去除像素中的漂浮物质，获得岩石骨架。

其中，采用marchingcubes算法提取初始三维网络模型。

步骤203：优化初始三维网络模型以及减小模型几何误差，并导出数字文件；

其中，通过3-matic软件优化初始三维网络模型以及减小模型几何误差。

其中，数字文件为stl格式。

步骤204：针对数字文件进行模型检测、修复和平滑处理，获得三维网络模型。

步骤3：采用3d打印方法打印三维网络模型，获得弱胶结砂岩模型。

步骤3包括：

步骤301：对三维网络模型进行切层，获得多个等值面；

步骤302：3d打印机的输送管将液体打印材料和支撑打印材料输送到并行打印头上；

步骤303：并行打印头根据所述等值面将液体打印材料和支撑打印材料分别铺设在工作平台上；

步骤304：紫外线灯照射工作平台，使液体打印材料和支撑打印材料强化凝固；

步骤305：将并行打印头提升一层的高度；

步骤306：重复执行步骤302-步骤305，直至整个弱胶结砂岩模型制作完成。

其中，还包括对弱胶结砂岩模型进行后期处理。

其中，后期处理包括：清除弱胶结砂岩模型表面的支撑材料；对弱胶结砂岩模型进行光漂处理。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。