基于U^(2)-Net+的透水混凝土CT影像孔隙分割

针对现阶段主流的透水混凝土CT影像孔隙分割方法存在的问题,提出了一种堆叠高效RSU模块的U^(2)-Net+的图像分割方法。该方法通过堆叠高效的RSU模块,在网络中引入了更多的上采样节点和跳跃连接,还原了更多下采样阶段丢失的特征图细节;在编码阶段增加了一个可学习的下采样操作,进一步提升了网络对细节的捕获能力;简化了原网络的深度监督,避免了底层特征图对融合输出特征图的负面影响;将单一的标准二分类交叉熵损失函数改为Focal loss和IoU loss组成的混合损失函数,提升了网络对高噪声孔隙的关注度;最后由于数据集的特点加网络改进的提升,原网络中各模块的中间通道数得以进一步缩减,减小了网络体积。试验结果表明,U^(2)-Net+相比U^(2)-Net†在保证轻量化和快速性的同时,平均交并比、精确度、F1得分由94.12%、88.89%、93.28%分别提升至94.24%、91.15%、94.29%;U^(2)-Net+综合指标优于U-Net、U-Net++、U-Net3+、U^(2)-Net、U^(2)-Net†,各指标相较于主流的阈值分割算法至少提高23.29%,实现了透水混凝土CT影像孔隙的精准、快速分割。

基于马尔可夫随机场的改进Metropolis混凝土CT的图像分割方法

提出一种基于马尔可夫随机场改进的Metropolis模拟退火算法.该算法中阈值α的选取优化了Metropolis算法.根据Beyes理论将图像分割问题转化为最大后验概率求取问题,并给出了参量预测算法.在实验中,将本文提出的算法与ICM、传统的Metropolis和Gibbs采样模拟退火算法进行比较.结果表明改进的Metropolis算法在图像分割效率和分割准确度上都有明显的提高.通过混凝土CT图像分割实验,改进Metropolis的应用能够较完整地反映出混凝土材料的内部结构和缺陷.

基于改进光线投影算法的混凝土CT三维重建研究

混凝土计算机断层成像试验图像细观研究多集中在二维横切面上,而混凝土计算机断层成像三维重建研究非常少,使混凝土计算机断层成像试验图像细观研究受到了局限,不利于全面分析在各个应力情况下混凝土的受力情况.本文提出一种可视化平台下基于改进光线投射法的混凝土计算机断层成像图像三维重构新技术,并进行可视化系统的实现.结果表明:本文提出的混凝土计算机断层成像图像三维重构方法快速、真实,为建立准确的混凝土材料数值细观模型提供了一种有效辅助方法,具有重要的应用意义.

基于MMD的建筑混凝土CT图像分割

本文利用改进的动态METROPOLIS方法(MMD)对混凝土圆柱体试件一个扫描断面的4个应力阶段的CT图像进行分割。基于MMD混凝土的CT图像分割使得混凝土的细观结构的CT统计分析简化,并为混凝土CT细观结构研究分析提供了重要参考。

混凝土CT中数据采集系统设计

混凝土超声层析成像仪作为现今混凝土质量检测的主流仪器,其数据采集系统的性能好坏决定了该仪器检测结果的可信度。选用ANALOG DEVICES公司的16 bit、最大采样频率25 MHz的模数转换芯片LTC2203作为该系统的核心元件。放大调理电路由可调增益放大器AD603和差分芯片THS4521组成。将超声波探头采集到的信号进行放大并差分输出给LTC2203。考虑到数据传输的可靠性和传输速度,在FPGA内,用FIFO对数据进行缓冲并通过DMA搬运至SDRAM中。通过串口将数据传输给PC端的MFC程序,对采集到的数据进行处理。实现了对频率范围至少在1 kHz^500 kHz内的超声波探头的匹配,且等效输入噪声在57.4μV左右。经测试,该数据采集系统能较好的还原被测数据,提高了混凝土超声层析成像仪的可靠性。

基于改进UNet的混凝土CT孔隙裂隙分割方法

为了解决计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)混凝土图像中裂隙和孔隙像素值一致,导致阈值分割效果差的问题,提出一种基于UNet模型的改进模型,对混凝土CT图像进行裂隙和孔隙分割.首先,通过CT技术扫描混凝土试块获取CT图像后,人工标注出CT图像中的裂隙与孔隙,并利用数据增强扩充训练集;然后,采用非对称卷积模块和残差模块对UNet模型中编码器和解码器进行改进,在特征提取部分采用非对称卷积模块降低模型的运算量后,使用残差模块减少参数量,降低了训练过拟合,有效提升了CT图像中裂隙与孔隙的分割精度.试验结果表明:改进模型在制作的混凝土CT图像数据集上召回率达83%,分割精度为85%,Dice值为85%,对比UNet和其他现有的深度学习模型都有较高提升,为混凝土细观破坏机理研究提出新的思路.

基于CT技术和灰度共生矩阵理论研究不同荷载作用下混凝土的细观损伤演化过程

混凝土CT试验可以通过CT图像记录外部荷载作用下混凝土内部细观损伤演化信息。峰值强度前不同应力阶段同一断面的CT图像所对应的原始数字矩阵中存在细微差异,而这些不能被直观观察到的细微差异正是研究混凝土损伤萌生、演化的关键。为了深度挖掘数字矩阵中的细微差异信息,文章建立了一套基于灰度共生矩阵理论的分析程序来研究混凝土细观损伤演化过程,并分别应用混凝土试件在单轴静力压缩和拉伸荷载作用下的CT试验结果来验证该方法的有效性。结果表明,该方法不仅能有效地评估混凝土试件的初始细观损伤分布及其在荷载作用下的演化过程,预测试件的断裂位置,确定最大损伤断面,而且能通过统计特征值建立细观损伤变量表达式来定量表征细观损伤。不同应力阶段的4个统计特征值(对比度、能量、相关性、同质性)的变化显示静压试件在应力达到峰值强度的96.2%时,试件内部第42-235幅混凝土横断面位置处损伤有明显发育,且这与试件破坏后的裂缝位置一致,静拉试件在峰值强度前其内部细观损伤未见发育,试件破坏后裂缝出现在89-116幅混凝土横断面CT图像之间。另外,混凝土试件破坏前后的CT图像的灰度共生矩阵对应的彩色热图的对角线分布、峰值个数及带宽与细观损伤发育程度相关。

CT技术在混凝土中的应用

采用CT技术进行混凝土内部结构无损探测,源于20世纪80年代,并由最初对CT图像的认识逐步深化为对混凝土裂纹演化规律的分析和应用研究。CT是研究混凝土和岩石内部裂纹演化规律的有效手段。

基于模糊集理论混凝土CT试验过程的定量研究

为了定量地利用CT数研究混凝土的裂纹演化规律,根据基于模糊集合的损伤理论,定义了可以区分混凝土损伤程度的λ水平完整域和破损域;基于截理的概念对混凝土CT扫描图的孔洞裂纹区、硬化水泥石区和骨料区进行了区分,以此为基础定义了混凝土的孔隙率、硬化水泥石率和骨料率。进而对混凝土CT试验过程中试样各扫描断面孔隙率、硬化水泥石率及骨料率的变化规律进行了研究。结果表明,利用本方法保证了CT图像信息的完整性,实现了对混凝土的定量化分区研究;利用该方法可以准确地反映出混凝土损伤过程中裂纹的增量和骨料的损伤量;试样中间断面处由内向外损伤依次增加;试验过程中试样各断面处损伤过程各不相同,中间断面经历了裂纹受压闭合、损伤扩容到极限破坏的过程,而试样两端仅经历了损伤扩容到极限破坏的过程。

混凝土单轴动力压缩CT试验过程定量化分区研究

为了能定量地研究混凝土动力压缩CT试验过程,将基于模糊集合论的破损演化理论引入到混凝土动力CT试验研究中,基于λ_1-λ_2截集将混凝土CT扫描图分为孔洞裂纹(P_(0-λ1))、硬化水泥石(P_(λ1-λ2))及骨料(P_(λ2-1)),并定义了混凝土的孔隙率、硬化水泥石率和骨料率。研究了动力单轴压缩CT试验过程中混凝土试样各扫描断面P_(0-λ1)、P_(λ1-λ2)及P_(λ2-1)随加载的变化规律。研究结果表明:利用本方法实现了对混凝土各组分的定量化分区;可以定量地研究混凝土中P_(0-λ1)、P_(λ1-λ2)及P_(λ2-1)随动力加载的具体变化规律;能较好地描述混凝土的受力破坏过程;并能定量地体现出试样破坏过程中应变的局部化。

Application of ultrasonic CT method in nondestructive detection of interior defects in large scale concrete structural member of bridge

The ultrasonic computed tomography （USCT） method is derived from the basic principles of X-ray section scanning. This method records the arriving times of ultrasonic wave between the probes and the sources to ealculate the elastic wave velocity values in the section using the arrival times. Through analyzed the distribution Of elastic wave velocity in aim area, the information of the strength and the homogeneity of the investigated zone could be got indirectly. The authors introduced the operational principle of USCT and a practical case of using this method to detect the interior defects in large scale concrete structural member. Compared with other exploration methods, this method is more efficient and accurate.

基于CT的混凝土试样静动力单轴拉伸破坏裂纹分形特征比较研究

为了能定量地利用CT数资源研究混凝土静动力强度特性及裂纹演化规律,利用适合CT扫描仪的便携式动力加载设备,对圆柱体混凝土试样进行单轴静动力拉伸CT试验,并利用编制的差分盒维数计算程序计算CT扫描断面的分形维数,以此为基础从细观层面上比较分析混凝土静动单轴拉伸强度特性、受力破坏机制及裂纹分形特征。结果表明:静力拉伸荷载条件下混凝土破坏时裂纹扩展速度慢,破裂面粗糙曲折,裂纹绕着骨料追随最薄弱界面发展;动力拉伸时裂纹扩展速度快,破裂面较平直,裂纹切割骨料追随能量释放最快路径发展;静动力拉伸CT扫描断面分形特征明显,分形维数随裂纹扩展成规律发展,能较好地反映出混凝土材料损伤裂纹的演化规律,可以定量表述试样的破损程度,可作为裂纹演化的定量参数。

基于改进差分盒维数法的混凝土细观损伤定量研究

为了从细观角度定量研究混凝土材料的宏观力学特性,以单轴压缩条件下获得的混凝土CT图像作为研究对象,应用差分盒维数法(Differential Box Counting method,或DBC)对混凝土破损过程进行了定量描述.在分析传统差分盒维数法优缺点的基础上,提出了改进的差分盒维数法(Improved Differential Box Counting method,或IDBC),并分别用DBC和IDBC方法对混凝土破坏过程中4个断面不同应力阶段CT图像进行了对比分析.分析表明,IDBC方法计算所得分形维数的标准差、方差和拟合误差均较小.说明用IDBC方法算出的分形维数较DBC方法更为准确.因此用IDBC方法计算得到的分形维数建立了损伤变量表达式,并计算得到了4个断面各个应力阶段的损伤变量.结果表明加载初期试件完整,损伤变量为0,随着应力增大,由于混凝土内部孔洞经历了压密的过程,损伤变量稍有减小,随后一直增大直到混凝土完全破裂时损伤变量达到最大.损伤变量的变化能够较好地反映出混凝土材料损伤演化规律,可将其作为定量的损伤状态参数来描述混凝土在单轴压缩条件下裂缝的演化过程.

基于特征共享双头Cascade R-CNN的混凝土细观损伤特征检测

混凝土内部损伤破坏形态具有明显的离散性和随机性,内部损伤特征检测是混凝土细观研究的重要内容.针对已有混凝土结构内部损伤特征检测模型精度低的问题,提出一种特征共享双头Cascade R-CNN模型对混凝土CT图像的损伤特征进行检测.首先,为了有效识别损伤特征的空间信息,构建具有空间敏感性的fc-head(fully connected head)与空间相关性的conv-head(convolution head)相结合的Cascade R-CNN网络模型;其次,通过特征共享的方法将检测网络各层级分类信息进行融合,提升低IOU(intersection over union)阈值(0.5~0.7) ROI (regions of interest)检测任务的精度.实验结果表明,所提方法在检测混凝土CT图像的损伤特征中平均精度达到91.31%,比原始的Cascade R-CNN提高3.04%,低IOU阈值(0.5~0.7) ROI平均精度提高1.49%,该模型可以较好地从混凝土CT图像中检测出细观损伤部分,具有精度高、运算简单、易于工程实现等特点.