基于三维形态的颗粒分析方法及颗粒放置支架的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种基于三维形态的颗粒分析方法，包括以下步骤：以多个视角对颗粒进行扫描以得到颗粒在多个视角下的点云数据；对多个视角下的点云数据进行拼接；对拼接后的点云数据进行降噪以得到最终点云数据；根据最终点云数据构建颗粒的三维表面形态的网格模型；对三维表面形态的网格模型进行渲染和展示，以根据展示结果分析和统计颗粒的几何特性和形态特性。根据本发明实施例的方法能够方便地实现颗粒形态三维精细化量测、重建、三维可视化、形态定量分析。本发明还提出了一种颗粒放置支架。
【专利说明】基于三维形态的颗粒分析方法及颗粒放置支架
【技术领域】
[0001]本发明涉及颗粒分析【技术领域】，尤其涉及一种基于三维形态的颗粒分析方法及颗粒放置支架。
【背景技术】
[0002]颗粒在自然界中广泛存在，而且也是构成大部分物质的基础。在农业工程中，种子的形态特性是评价种子质量的一个重要指标；在岩土工程中，块石颗粒又是混凝土、堆石料、土石混合体等复杂岩土介质的重要组成部分，其形态特征将直接影响着材料物理力学性质及变形破裂机理。
[0003]传统的颗粒分析通常是采用筛分法得到颗粒的粒度组成，或者通过二维数字图像处理的方法得到其二维形态信息。然而，这些方法只能实现颗粒形态的粗略分析，不能实现颗粒的精细化定量统计和分析。
【发明内容】
[0004]本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0005]为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于三维形态的颗粒分析方法。该方法能够方便地实现颗粒形态三维精细化量测、重建、三维可视化、形态定量分析。
[0006]本发明的第二个目的在于提出一种颗粒放置支架。
[0007]为了实现上述目的，本发明的第一方面实施例的公开了一种基于三维形态的颗粒分析方法，包括以下步骤:以多个视角对颗粒进行扫描以得到所述颗粒在所述多个视角下的点云数据；对所述多个视角下的点云数据进行拼接；对拼接后的点云数据进行降噪以得到最终点云数据；根据所述最终点云数据构建所述颗粒的三维表面形态的网格模型；以及对所述三维表面形态的网格模型进行渲染和展示，以根据展示结果分析和统计颗粒的几何特性和形态特性。
[0008]本发明的方法能在对颗粒形态定量分析时，采用非接触扫描的方法获得颗粒表面三维点云信息，然后重建三维表面模型及可视化，并求取其形态指标信息，采用数据库技术，实现颗粒三维模型及形态信息的存储、管理、查询及分析。同时，所建立的三维模型，具有长期保存性，便于传播及其它功能用途，扩展了成果的使用功能。本发明为颗粒形态定量分析提供了一种新的方法，降低了分析成本，大大提高了分析的精度和效率，且具有多用途特性。
[0009]另外，根据本发明上述实施例的基于三维形态的颗粒分析方法还可以具有如下附加的技术特征:
[0010]在一些示例中，以多个视角对颗粒进行扫描以得到所述颗粒在所述多个视角下的点云数据，进一步包括:将所述颗粒放置在颗粒放置支架上，其中，所述颗粒放置支架包括标靶；利用非接触式结构光三维扫描装置对所述颗粒进行扫描以得到所述点云数据，其中，所述点云数据包括所述标祀的点云数据。[0011]在一些示例中，所述对所述多个视角下的点云数据进行拼接，进一步包括:对所述标靶的点云数据进行标示；根据标示结果得到所述标靶的位置坐标；根据所述标靶的位置坐标对所述多个视角下的点云数据进行拼接。
[0012]在一些示例中，所述对拼接后的点云数据进行降噪以得到最终点云数据，进一步包括:从所述拼接后的点云数据中删除所述标靶的点云数据，并删除所述拼接后的点云数据中的环境噪点以得到所述最终点云数据。
[0013]在一些示例中，所述对三维表面形态的网格模型进行渲染和展示，以根据展示结果分析和统计颗粒的几何特性和形态特性，进一步包括:输入所述颗粒的颗粒信息，其中，所述颗粒信息包括所述三维表面形态的网格模型、颗粒产地、颗粒性状和颗粒来源；根据所述颗粒信息对所述三维表面形态的网格模型进行渲染并展示，其中，展示结果包括所述颗粒的几何特性指标、所述颗粒的形态特性指标、所述颗粒产地、颗粒性状和颗粒来源；根据展示结果分析和统计所述颗粒的几何特性和形态特性。
[0014]在一些示例中，所述非接触式结构光三维扫描装置包括三维激光扫描仪、三位光栅扫描仪和三维结构光扫描仪中的一种或多种的组合。
[0015]本发明第二方面的实施例公开了一种颗粒放置支架，包括:底座，所述底座包括立柱支架；设置在所述立柱支架上且可在所述立柱支架上移动的立柱；横撑，所述横撑的一端与所述立柱相连而另一端用于固定颗粒；标靶，所述标靶包括固定杆和标靶本体，所述标靶的一端固定在所述立柱上且另一端安装所述标靶本体。
[0016]本发明的颗粒放置支架，为颗粒形态定量分析提供基础，降低了分析成本，从而在后续分析中提高了分析的精度和效率。
[0017]另外，根据本发明上述实施例的颗粒放置支架还可以具有如下附加的技术特征:
[0018]在一些示例中，所述横撑的另一端为尖端。
[0019]在一些示例中，所述标靶本体为球体。
[0020]在一些示例中，所述立柱包括多个安装孔，所述多个安装孔用于安装多个所述横撑。
[0021]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是根据本发明一个实施例的颗粒放置支架的构造图；
[0023]图2是根据本发明一个实施例的利用非接触式结构光三维扫描装置进行颗粒三维形态扫描的示意图；
[0024]图3是根据本发明一个实施例的基于三维形态的颗粒分析方法中构建并展示颗粒的三维表面形态的网格模型的流程图；
[0025]图4是根据本发明一个实施例的基于三维形态的颗粒分析方法的颗粒三维形态指标体系不意图；
[0026]图5是根据本发明一个实施例的基于三维形态的颗粒分析方法的颗粒三维形态数据库系统构架图；和
[0027]图6是根据本发明一个实施例的基于三维形态的颗粒分析方法的流程图。【具体实施方式】
[0028]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0029]以下结合附图描述根据本发明实施例的基于三维形态的颗粒分析方法及颗粒放置支架。
[0030]图6是根据本发明一个实施例的基于三维形态的颗粒分析方法的流程图。如图6所示，根据本发明一个实施例的基于三维形态的颗粒分析方法，包括如下步骤:
[0031]步骤S601:以多个视角对颗粒进行扫描以得到颗粒在多个视角下的点云数据。
[0032]作为一个具体的示例，首先将颗粒放置在颗粒放置支架上，其中，颗粒放置支架包括标靶。然后可利用非接触式结构光三维扫描装置对颗粒进行扫描以得到点云数据，其中，点云数据包括标祀的点云数据。
[0033]在本发明的一个实施例中，非接触式结构光三维扫描装置包括三维激光扫描仪、三位光栅扫描仪和三维结构光扫描仪中的一种或多种的组合。
[0034]步骤S602:对多个视角下的点云数据进行拼接。
[0035]例如:首先对标祀的点云数据进行标示。然后根据标示结果得到标祀的位置坐标。最后根据标靶的位置坐标对多个视角下的点云数据进行拼接。
[0036]步骤S603:对拼接后的点云数据进行降噪以得到最终点云数据。具体地说，可从拼接后的点云数据中删除标靶的点云数据，并删除拼接后的点云数据中的环境噪点以得到最终点云数据。
[0037]步骤S604:根据最终点云数据构建颗粒的三维表面形态的网格模型。
[0038]步骤S605:对三维表面形态的网格模型进行渲染和展示，以根据展示结果分析和统计颗粒的几何特性和形态特性。
[0039]具体而言，可通过如下步骤进行:
[0040]1、输入颗粒的颗粒信息，其中，颗粒信息包括三维表面形态的网格模型、颗粒产地、颗粒性状和颗粒来源。
[0041]2、根据颗粒信息对三维表面形态的网格模型进行渲染并展示，其中，展示结果包括颗粒的几何特性指标、颗粒的形态特性指标、颗粒产地、颗粒性状和颗粒来源。
[0042]3、根据展示结果分析和统计颗粒的几何特性和形态特性。
[0043]以下结合本发明实施例的颗粒放置支架等对本发明实施例的基于三维形态的颗粒分析方法的原理进行详细描述。
[0044]如图1所示，并结合图2，本发明的实施例提供了一种颗粒放置支架40，包括:底座
1、立柱2、横撑3和标靶4。
[0045]其中，底座I包括立柱支架.立柱2设置在立柱支架上且可在立柱支架上移动。横撑3的一端与立柱2相连而另一端用于固定颗粒。标靶4包括固定杆和标靶本体，标靶4的一端固定在立柱2上且另一端安装标靶本体。作为一个具体的例子，横撑3的另一端为尖端。标靶本体为球体。除此之外，立柱2可包括多个安装孔，多个安装孔用于安装多个横撑3。[0046]在本发明的一个实施例中，如图1和图2所示，颗粒放置支架40 (以下简称支架)主要包括底座1、立柱2、横撑3、标靶4。立柱2可以沿着底座I上的方形空洞滑动，并通过立柱底部的螺母固定在底座上。立柱2上有多个螺栓孔，用于固定横撑3及标靶4所用。横撑3另一端为尖端，以减少与被测量颗粒的接触面积。标靶4另一端为白色球体(即标靶本体)，以获得高质量的扫描点云信息，用于点云拼接所用。螺母孔5用于固定支架40。支架40所有的部件中，除了标靶4端部的球体为白色为其它部位均为黑色，以降低扫描过程中的噪点。
[0047]在本实施中，将颗粒放置在横撑3形成的支撑空间中，并可以通过调整立柱2及横撑3的位置，以适应不同大小的颗粒。标靶4的位置及空间方位随机放置，并保证四个标靶的位置有明显的区别。当进行多个颗粒同时扫描时，可以将多个支架40放置在同一个底盘上，并通过螺母孔5进行固定保证各个支架40间在扫描过程中都保持固定。
[0048]如图2所示，扫描设备主要包括计算机6、非接触式结构光三维扫描仪7。其中非接触式结构光三维扫描仪7，可以为三维激光扫描仪、三维光栅扫描仪等三维结构光扫描仪器。
[0049]在本实施中，调整支架40使其满足被扫描颗粒8 (即颗粒)的尺寸要求，并调整颗粒8的放置位置确保放置稳定，不会晃动和滑动；非接触式结构光三维扫描仪7，并将其与计算机6连接，确保数据连通；开启非接触式结构光三维扫描仪7，并通过计算机6进行控制扫描；待扫描完毕一次后，缓慢旋转支架40到一定角度(一般旋转角度在90度左右即可)，然后再次进行扫描，直到颗粒三维表面全部被扫描完为止。
[0050]如图3所示，是根据本发明一个实施例的基于三维形态的颗粒分析方法中构建并展示颗粒的三维表面形态的网格模型的流程图。
[0051]步骤S10，一个颗粒(或，一批颗粒)的不同视角扫描获得的点云数据。
[0052]步骤Sll,对扫描得到的点云数据中标祀4的球体点云数据进行标示,并计算得到标靶4的球体的球心坐标；并根据不同此扫描中相同的标靶的4球体对应的球心坐标进行点云坐标变换，实现不同此扫描点云数据的拼接。在数据拼接时，其拼接精度取决于标靶4球体个数，对于单个颗粒扫描时一般四个标靶即可满足精度要求；若进行多个颗粒同时扫描时，可适当增加标靶数目，以提高拼接精度。
[0053]步骤S12，待点云数据拼接完毕后，删除与颗粒无关的点云信息(如，标靶的点云数据，及其它的周围环境噪点)，确保只留下用以描述颗粒的点云数据。对于多个颗粒同时扫描时，将得到的是多个块石的点云信息，此时需要将各个块石单独分离出来。
[0054]步骤S13，根据颗粒的点云信息，构建三角网格模型，得到用于表征颗粒三维表面形态的网格模型。
[0055]步骤S14，根据所构建的颗粒三维表面网格模型，采用三维可视化技术(如OpenGL, VTK及Coin3D等)实现颗粒三维模型的渲染、展示等。
[0056]步骤S15，将建立的颗粒三维表面模型保存输出成*.stl或*.gts等数据格式，以便用于其它CAD、CAM等软件的查看和展示。
[0057]如图4所示，在颗粒三维形态指标体系中，所述几何特性和形态特性方面包含多个指标。所述几何特性指标包括三轴尺寸(长轴尺寸L，中轴尺寸W，短轴尺寸H)、表面积
(S)、体积(V)、长中轴比(L/W)、中短轴比(W/H)、体表比(V/S)。所述形态特性指标所包括因子和傅立叶形态因子有包括多个指标。如所述形态因子分为球度、椭球度；所述傅立叶形态因子包括形状指数、棱角指数和纹理指数。
[0058]如图5所示，是本发明建立的颗粒三维形态数据库系统20构架图。该系统应用于计算机装置12中，该计算机装置包括通过数据总线连接的存储器13、处理器14、输入设备15和显示设备16。计算机装置16可以是服务器、台式电脑、笔记本电脑等。颗粒三维形态数据库系统20，数据库可以采用MySQL、Oracle等实现，主要由数据库录入模块21、三维可视化查询模块22及颗粒形态统计分析模块23等三部分构成。
[0059]所述数据库录入模块21，用于将颗粒三维模型、颗粒产地、颗粒性状(如，岩石颗粒的岩性、种子颗粒的名称等等)、颗粒来源(如，岩石颗粒的成因等)等颗粒信息通过输入设备导入数据库系统并存储到存储器中。
[0060]三维可视化查询模块22，用于将数据库内存储的颗粒信息实时的动态查询。将颗粒三维形态模型通过计算机显示设备三维展示，同时实现所述几何特性指标、所述形态特性指标、颗粒产地、形状及来源等信息通过计算机显示设备实现动态查询。
[0061]颗粒形态统计分析模块23，用于对数据库中所存储多个的颗粒的几何特性指标、形态特性指标及颗粒产地、形状及来源等信息进行统计分析，通过计算机显示设备将统计分析结果呈现给用户。
[0062]计算机装置12通过因特网10与网络服务器11，及用户进行操作的客户端9相通信连接，远程用户可以利用数据库录入模块21实现扫描颗粒信息的录入，通过三维可视化查询模块22及颗粒形态统计分析模块23实现颗粒信息的查询与统计分析。
[0063]根据本发明实施例的方法，可采用非接触式结构光三维扫描设备对颗粒表面进行多角度扫描，并根据标靶对不同角度扫描的空间点云进行拼接，得到颗粒的三维表面点云；对所获取的颗粒表面点云信息构建三角网格模型，得到颗粒三维重建模型，并进行三维可视化显示；根据所建立的颗粒三维几何模型，计算用于定量描述其形态特性的指标值；可将所建立的块石三维模型及特性参数存储到数据库中，用户可以通过数据库界面上的操作对颗粒进行三维可视化查询，同时可对多个颗粒的形态特性进行统计分析。
[0064]相比于相关技术而言，本发明的方法能在对颗粒形态定量分析时，采用非接触扫描的方法获得颗粒表面三维点云信息，然后重建三维表面模型及可视化，并求取其形态指标信息，采用数据库技术，实现颗粒三维模型及形态信息的存储、管理、查询及分析。同时，所建立的三维模型，具有长期保存性，便于传播及其它功能用途，扩展了成果的使用功能。本发明为颗粒形态定量分析提供了一种新的方法，降低了分析成本，大大提高了分析的精度和效率，且具有多用途特性。
[0065]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0066]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【权利要求】
1.一种基于三维形态的颗粒分析方法，其特征在于，包括以下步骤: 以多个视角对颗粒进行扫描以得到所述颗粒在所述多个视角下的点云数据； 对所述多个视角下的点云数据进行拼接； 对拼接后的点云数据进行降噪以得到最终点云数据； 根据所述最终点云数据构建所述颗粒的三维表面形态的网格模型；以及对所述三维表面形态的网格模型进行渲染和展示，以根据展示结果分析和统计颗粒的几何特性和形态特性。
2.根据权利要求1所述的基于三维形态的颗粒分析方法，其特征在于，以多个视角对颗粒进行扫描以得到所述颗粒在所述多个视角下的点云数据，进一步包括: 将所述颗粒放置在颗粒放置支架上，其中，所述颗粒放置支架包括标靶； 利用非接触式结构光三维扫描装置对所述颗粒进行扫描以得到所述点云数据，其中，所述点云数据包括所述标祀的点云数据。
3.根据权利要求2所述的基于三维形态的颗粒分析方法，其特征在于，所述对所述多个视角下的点云数据进行拼接，进一步包括: 对所述标祀的点云数据进行标示； 根据标示结果得到所述标靶的位置坐标； 根据所述标靶的位置坐标对所述多个视角下的点云数据进行拼接。
4.根据权利要求1所述的基于三维形态的颗粒分析方法，其特征在于，所述对拼接后的点云数据进行降噪以得到最终点云数据，进一步包括: 从所述拼接后的点云数据中删除所述标靶的点云数据，并删除所述拼接后的点云数据中的环境噪点以得到所述最终点云数据。
5.根据权利要求1所述的基于三维形态的颗粒分析方法，其特征在于，所述对三维表面形态的网格模型进行渲染和展示，以根据展示结果分析和统计颗粒的几何特性和形态特性，进一步包括: 输入所述颗粒的颗粒信息，其中，所述颗粒信息包括所述三维表面形态的网格模型、颗粒产地、颗粒性状和颗粒来源； 根据所述颗粒信息对所述三维表面形态的网格模型进行渲染并展示，其中，展示结果包括所述颗粒的几何特性指标、所述颗粒的形态特性指标、所述颗粒产地、颗粒性状和颗粒来源； 根据展示结果分析和统计所述颗粒的几何特性和形态特性。
6.根据权利要求2所述的基于三维形态的颗粒分析方法，其特征在于，所述非接触式结构光三维扫描装置包括三维激光扫描仪、三位光栅扫描仪和三维结构光扫描仪中的一种或多种的组合。
7.一种颗粒放置支架，其特征在于，包括: 底座，所述底座包括立柱支架； 设置在所述立柱支架上且可在所述立柱支架上移动的立柱； 横撑，所述横撑的一端与所述立柱相连而另一端用于固定颗粒； 标靶，所述标靶包括固定杆和标靶本体，所述标靶的一端固定在所述立柱上且另一端安装所述标靶本体。
8.根据权利要求7所述的颗粒放置支架，其特征在于，所述横撑的另一端为尖端。
9.根据权利要求7或8所述的颗粒放置支架，其特征在于，所述标靶本体为球体。
10.根据权利要求7所述的颗粒放置支架，其特征在于，所述立柱包括多个安装孔，所述多个安装孔用于安装多个所述横撑。
【文档编号】G06T17/30GK104008573SQ201410258283
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】徐文杰, 李澄清 申请人:清华大学