初級培訓教程RFPA2D-DIP細觀力學版2/4/2023§主要內容◆

RFPA-DIP細觀版簡介◆數字圖像處理技術與材料非均勻性表征◆非均勻數字圖像表征與有限元網格的關系◆

RFPA功能按鈕與工具條介紹◆RFPA-DIP細觀版分析問題的流程◆工程算例RFPA-DIP模擬2/4/2023大連力軟科技有限公司一、RFPA-DIP細觀版簡介2/4/2023大連力軟科技有限公司§RFPA-DIP細觀版簡介

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RFPA2D-DIP（RealisticFailureProcessAnalysisbasedDigitalImageProcessing）中，引入了數字圖像處理技術來表征巖石、混凝土等非均質材料的細觀結構。導入巖石或混凝土試樣斷面的數字圖像，運用數字圖像處理技術分析圖像的顏色特征，識別出各類細觀介質，并賦予相應的材料編號，確定各細觀介質的材料區域。軟件自動將處理后的非均勻表征圖像轉化為有限元網格，從而建立能反映材料細觀結構的數值模型，利用軟件快捷方便的材料賦值功能對細觀介質材料賦值并輸入各細觀介質本構方程控制參數值。設置邊界條件，即進行外載荷作用下的力學行為和破壞過程分析。◆該版本主要針對由多種不同顏色的造巖礦物形成的巖石和灰度區分明顯的混凝土材料，亦可用來分析復合材料。目前圖像處理算法只針對Windows通用的24位BMP圖像。可以用來分析材料細觀結構對力學行為的影響及其損傷破壞過程，作為對相應實驗結果有益的輔助研究手段。由于該版本是根據數字圖像建立模型的，所以數值模型的準確性主要取決于導入的數字圖像的分辨率和圖像的顏色特征，也即數字圖像所能反映的材料細觀結構信息。

2/4/2023大連力軟科技有限公司◆非均質材料，如巖石、混凝土等其內部含有各種顆粒介質、孔洞和微裂隙等缺陷，其力學性能與材料的非均質性及細觀結構有著密切的聯系，如應力分布、裂隙擴展、破壞模式、損傷演化過程等。§材料的細觀結構2/4/2023大連力軟科技有限公司◆由于缺少有效的設備與手段來觀測材料的內部結構，得到其內部不同性質細觀介質的真實幾何分布，以往難以實現對材料真實的非均質性研究。◆數字圖像作為一種信息資源，可以很好地反映了材料的細觀結構。巖土工程材料在轉換為圖像時，其內部不同物質可以通過灰色度的變化在圖像中得到再現，保留了材料的非均質性。所以數字圖像處理方法為研究巖土工程材料的力學性能提供了一種新途徑。§數字圖像處理技術2/4/2023大連力軟科技有限公司§RFPA-DIP數字圖像的導入

◆導入巖石或混凝土試樣斷面的數字圖像到RFPA中，運用數字圖像處理技術分析圖像的顏色特征，識別出各類細觀介質，即確定細觀介質材料ID，并確定細觀介質的材料區域。

◆軟件自動將處理后的非均勻表征圖像轉化為有限元網格，利用軟件快捷方便的材料賦值功能對細觀介質材料賦值，從而建立能反映材料細觀結構的數值模型。

◆輸入各細觀介質本構方程控制參數值。設置邊界條件，即進行外載荷作用下的材料力學行為和破壞過程分析。RFPA細觀版引入了數字圖像處理技術來表征巖石、混凝土等非均質材料的細觀結構。2/4/2023大連力軟科技有限公司二、數字圖像處理技術

與材料非均勻性表征2/4/2023大連力軟科技有限公司§有關數字圖像的概念

◆在計算機中，按照顏色和灰度的多少可以將圖像分為二值圖像、灰度圖像、索引圖像和真彩色RGB圖像四種基本類型。

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數字圖像處理要根據不同圖像不同的顏色特征，選擇合適的顏色空間進行處理。隨著計算機的發展，獲取圖像的方式和質量都有很大改進，獲取的圖像大都是彩色圖像，在RFPA的圖像處理中提供了兩種顏色空間進行數字圖像處理，即RGB顏色空間和HSI顏色空間。2/4/2023大連力軟科技有限公司§RGB顏色空間

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計算機中通用的彩色空間。由于計算機彩色監視器的輸人需要RGB三個彩色分量，通過三個分量的不同比例，在顯示屏幕上合成所需要的任意顏色，所以不管用什么形式的彩色空間，最后的輸出一定要轉換成RGB彩色空間。RGB彩色空間的示意圖2/4/2023大連力軟科技有限公司§HSI顏色空間

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HIS顏色空間用H、S、I三個參數描述顏色特性。其中H是色調，表示顏色，與波長有關；S是飽和度，表示色純度，即單色光中滲人白光的程度；I是強度，表示人眼感知顏色的強弱程度，它和能量大小及人眼對不同波長的感知能力有關。這種彩色描述對人來說是自然的、直觀的，更適合人的視覺特性。HSI彩色空間的示意圖2/4/2023大連力軟科技有限公司§材料數字圖像處理的目的和方法目的：

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細觀介質分類，確定材料ID

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確定各細觀介質的分布區域方法：

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多閾值分割

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邊緣檢測2/4/2023大連力軟科技有限公司§材料ID確定

◆巖石、混凝土等材料內部的各種細觀介質都有其各自的顏色，雖然通過其原始圖像能看出各細觀介質的空間分布，但同一細觀介質的顏色在試件內部分布有深有淺，很難形成統一的算法，一般先進行圖像分析，通過細觀介質的顏色給材料分類。式中Ti為顏色分割閾值，ζ為細觀介質的顏色值，n為材料ID號2/4/2023大連力軟科技有限公司(1)顏色直方圖(2)

某一掃描線上的顏色變化曲線與細觀介質的位置關系分割閾值確定后，要對圖像進行像素掃描，對圖像進行多閾值分割，具體公式如下：g(x,y)=k如果g(x,y)分割圖像中像素點(x,y)的顏色值f(x,y)為原圖像中像素點(x,y)的顏色值。表示各分割閾值，假設共有N個閾值。分割的結果就是把某一區間內的同一介質賦予同相同的顏色§材料分割閾值的確定2/4/2023大連力軟科技有限公司(1)顏色直方圖分割圖像花崗巖R分量G分量B分量2/4/2023大連力軟科技有限公司◆

通過分析三個分量各自的直方圖，確定每個分量的分割閾值，然后再通過組合的方式，進行細觀介質分類。對于某些復雜的巖石圖像，其各個分量直方圖中并不一定存在明顯的谷，難以確定分割閾值。一般可以通過分析某一掃描線上三個分量的顏色變化曲線來確定分割閾值。巖石圖像R分量G分量B分量圖1105，166115，169110，167圖2169，246120，229127，242圖像分割閾值某一類型花崗巖分割圖像2/4/2023大連力軟科技有限公司（2）掃描線變化曲線確定◆對于混凝土等材料圖像，大部分屬于灰色圖像，可以在HSI顏色空間中，通過分析某一掃描線上I值的變化曲線來確定以I變量為參照量的分割閾值。混凝土AA’上I值的變化曲線分割閾值TI=1302/4/2023大連力軟科技有限公司§不同分割閾值的分割圖像(a)普通混凝土(b)I=130分割圖像2/4/2023大連力軟科技有限公司三、非均勻數字圖像表征

與有限元網格的關系2/4/2023大連力軟科技有限公司(1)正方形單元映射法

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在有限元方法中，需要將巖石劃分為許多小的網格。由于數字圖像是由一個矩形排列的像素點組成，其中每一個像素點是一個小的正方形。2/4/2023大連力軟科技有限公司

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每一個像素點可被看成有限元網格中的一個單元。對于每一個像素點，其四角點的坐標可轉換為相應的矢量空間的物理位置，節點坐標可由圖像實際尺寸與圖像的像素尺寸變換得到。整個圖像就可轉換為正方形有限元網格，根據每個像素點所屬顏色的類別，在數值計算中可賦予相應的材料種類，從而在計算中考慮巖石真實的非均勻性。分割圖像與有限元網格之間的映射關系2/4/2023大連力軟科技有限公司(2)位圖矢量化方法

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在RFPA中主要采用正方形單元映射方法，采用方形網格單元可以消除裂紋擴展過程中的網格效應*；但也可以采用位圖矢量化方法，通過有限元網格自動生成程序建立網格模型導入RFPA中進行計算。細觀結構DIP表征細觀結構的矢量表征自動生成的四邊形有限元網格*梁正召等.非均勻性巖石破裂的網格效應,東北巖石力學與工程分會學術討論會論文集,2005年2/4/2023大連力軟科技有限公司四、RFPA-DIP版操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司RFPA-DIP版界面顏色特征顯示區圖像導入圖像處理工具條§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司導入數字圖像，設置初始參數§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司數字圖像導入RFPA系統§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司圖像顏色特征分析§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司根據圖像顏色特征確定分割閾值，進行圖像分割，確定細觀介質和材料域。

(1)在RGB顏色空間中，利用R、G、B各顏色分量的分割閾組合進行圖像分割；

(2)在HSI顏色空間中，利用I

分量的分割閾值就行圖像分割。選取的實例圖像，利用在HSI顏色空間中I值的變化選取分割閾值為TI1=100、TI2=155。§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司花崗巖的非均勻性表征圖像§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司在不同的細觀介質上，按下CTRL+左鍵細觀介質的力學參數賦值§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司細觀介質可以考慮為均質材料亦可考慮為非均勻材料賦值后以彈性模量表示的數值模型§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司邊界條件控制條件§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司計算得到應力分布§RFPA-DIP操作流程2/4/2023大連力軟科技有限公司五、有關功能按鈕與工具條簡介2/4/2023大連力軟科技有限公司§有關功能按鈕與工具條簡介DIP菜單中的命令可以對數字圖像進行簡單處理，來區分導入材料圖像中的各種細觀介質。“ColorInformation”命令顯示鼠標劃過的掃描線上的各顏色分量的變化曲線

快捷方式：2/4/2023大連力軟科技有限公司IThresholdInput”命令打開一個對話框，根據圖像在HSI顏色空間中I值的變化，輸入分割閾值；

快捷方式：§有關功能按鈕與工具條簡介2/4/2023大連力軟科技有限公司“SegmentbyI”命令根據“IThresholdInput”命令輸入的分割閾值，對圖像進行分割，確定材料ID和材料域；快捷方式：§有關功能按鈕與工具條簡介2/4/2023大連力軟科技有限公司“Histogram”命令生成導入數字圖像的RGB三個顏色分量的直方圖，根據直方圖中“峰”、“谷”的變化確定各分量分割閾值；快捷方式：§有關功能按鈕與工具條簡介2/4/2023大連力軟科技有限公司“MultiSegment”命令根據RGB各分量直方圖確定的分割閾值進行圖像分割，確定材料ID和材料域；快捷方式：§有關功能按鈕與工具條簡介2/4/2023大連力軟科技有限公司“ShowModelafterDIP”命令在一個無模式對話框中顯示圖像分割后的結果；快捷方式：§有關功能按鈕與工具條簡介2/4/2023大連力軟科技有限公司“CheckDIPModel”命令改變無模式對話框中結果的顯示方式，一是以圖像分割結果表示，一是以賦予的彈性模量大小表示（彈模愈大，顏色愈亮）；快捷方式：§有關功能按鈕與工具條簡介2/4/2023大連力軟科技有限公司六、工程算例RFPA-DIP模擬2/4/2023大連力軟科技有限公司①單軸壓縮試驗模擬花崗巖圖像RFPA模型與網格轉化2/4/2023大連力軟科技有限公司§模擬結果最小主應力分布最小主應力分布破壞過程中最大剪