CN107576731A - 基于混合现实的模型实验结构裂纹扩展过程实时透视方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于混合现实的模型实验结构裂纹扩展过程实时透视方法，主要步骤包括建立结构模型试样、布置声发射数据采集系统、加载实验、实时采集声发射源信号并计算处理传输至计算机、建立虚拟点三维模型、建立虚拟结构模型三维模型、虚拟模型传输至混合现实显示设备、匹配以及图像叠加。本发明基于声发射技术对结构模型内部声发射源的定位，并基于混合现实显示设备将虚拟的开裂点模型叠加于结构模型，实现了内部裂纹透视效果。

Description

基于混合现实的模型实验结构裂纹扩展过程实时透视方法

技术领域

本发明属于结构模型实验可视化领域,尤其涉及一种基于混合现实的模型实验结构裂纹扩展过程实时透视方法。

背景技术

随着中国经济飞速发展，基础设施如房屋、桥梁等广泛的进行建设。其中，混凝土材料广泛的应用于各个工程建设中，研究混凝土破坏过程对于研究混凝土结构安全具有重要意义。设计物理结构模型实验研究混凝土结构在不同的荷载情况下破坏过程是一种有效的技术手段，如通过加载实验研究混凝土梁结构的破坏情况。由于结构本身内部破坏过程难以直接观察，研究混凝土结构内部破坏机理存在一定的局限性。采用传统的方法不仅难以准确判断内部裂纹产生位置，而且无法实时直观的表达内部裂纹扩展过程。

目前针对物理结构模型实验在外荷载条件下结构内部裂纹扩展研究中，主要有：田威等(2012)^[1]基于CT图像处理技术研究了单轴压缩条件下混凝土内部微裂纹的产生、扩展和贯通的全过程，借助CT图像技术实现了结构内部裂纹形态的可视化；梁鹏等(2015)^[2]利用声发射传感器接收花岗岩试件内部损伤产生的声发射信号，经处理计算求得声发射源K点的坐标信息；晏长根等(2015)^[3]利用无线声发射监测器实现岩质边坡崩塌信息的有效监测；李力等(2013)^[4]采用一种裂纹扩展声发射试验装置研究不同材料在多方向、复杂荷载下多类型裂纹扩展，并通过声发射检测系统采集声发射信号；

目前针对增强现实研究中，主要有：潘瑞红(2016)^[5]研究了一种混合现实仿真系统快速配准方法，实现了实现真实操作在虚拟场景中的同步及可视化操作；B·E·基恩等(2016)^[6]研究了用户在混合现实中移动时，虚拟对象可保持世界锁定，使得用户可从不同视角来探索虚拟对象；Schall G等(2010)^[7]使用手持增强现实设备实现了地下管道的透视。

目前针对物理结构模型实验在外荷载条件下结构内部裂纹扩展研究中，研究学者通过采用声发射、CT等技术能够实现结构内部裂纹产生位置的定位，并能够对裂纹信息进行一定的监测检查，但是对于裂纹信息表达不够直观，尤其是直接作用于物理结构模型上内部裂纹扩展信息的可视化表达。针对增强现实研究中，主要在于虚拟信息与现实场景的配准中，文献中研究对于地下不可见的结构进行透视，但还未涉及实验结构内部裂纹扩展过程透视的研究。

综上所述，目前针对物理结构模型实验在外荷载条件下结构内部裂纹扩展研究主要集中于对内部裂纹位置的检测，缺乏对于裂纹扩展过程的直观性可视化表达研究。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，提出一种基于混合现实的模型实验结构裂纹扩展过程实时透视方法，基于声发射技术实现声发射源的定位，并结合混合现实显示设备将声发射源虚拟信息叠加于结构模型，实现物理结构模型内部裂纹扩展过程的实时透视效果，旨在克服现有的结构模型在外荷载实验过程中结构内部裂纹扩展表达方式不够直观，实现结构模型内部裂纹开裂过程的可视化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：基于混合现实的模型实验结构裂纹扩展过程实时透视方法，包括如下步骤：

(1)、建立结构模型试样，在预置声发射数据采集系统位置上设置声发射数据采集系统以及布置对应标志点；

(2)、安置结构模型试样于加载设备上并进行加载实验；

(3)、利用声发射数据采集系统实时采集声发射源信号；

(4)、采集声发射源信号经计算处理得到声发射源三维点坐标数据，并传输至计算机；

(5)、采用图形分析处理软件建立虚拟点三维模型；

(6)、建立虚拟结构模型试样三维模型；

(7)、传输虚拟点三维模型和虚拟结构模型试样三维模型至混合现实显示设备中；

(8)、利用混合现实显示设备扫描实验场景，通过识别对应标志点实现虚拟结构模型试样三维模型的空间位置与现实结构模型试样的空间位置相匹配；

(9)、对结构模型试样进行图像叠加，将虚拟点三维模型实时叠加显示在现实结构模型试样中。

所述虚拟结构模型试样三维模型的空间位置与现实结构模型试样中空间位置一致，外观尺寸一致，且虚拟点三维模型的空间位置与声发射源的空间位置一致。

所述声发射数据采集系统包括声发射传感器、声发射信号处理系统以及连接线。

所述混合现实显示设备为基于混合现实技术的头戴式眼镜设备。

适用于空气或水中实验对象的开裂信息采集和裂纹透视。

所述结构模型试样包括但不限于混凝土结构、钢筋混凝土结构和岩石结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于声发射技术对结构模型内部声发射源的定位，并基于混合现实显示设备将虚拟的开裂点模型叠加于结构模型，实现了内部裂纹透视效果，且该方法针对声发射技术能够采集到内部裂纹信息的物体，实现其内部的透视，使得结构内部“黑箱子”信息能够直观形象的展示在实验人员视野中，便于对内部裂纹扩展过程进行直观的分析。

本发明克服物理结构模型实验在外荷载条件下结构内部裂纹扩展研究主要集中于对内部裂纹位置的检测，缺乏对于裂纹扩展过程的直观性可视化表达研究。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明混凝土实验装置结构示意图；

图3为本发明混合现实显示设备；

图4为本发明实现内部裂纹透视效果示意图；

附图标记：1-混凝土结构模型试样；2-声发射传感器；3-声发射信号处理系统；4-混合现实显示设备；5-虚拟点三维模型；6-虚拟混凝土结构模型试样三维模型；7-笔记本电脑；8-加载设备；9-连接线；10-标志点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步的描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明基于混合现实的模型实验结构裂纹扩展过程实时透视方法的流程图，如图1所示，结构模型包括但不限于混凝土结构、钢筋混凝土结构和岩石结构，以下以混凝土结构为例来详细说明。

基于混合现实混凝土结构裂纹扩展过程实时透视分析方法，包括如下步骤：首先建立混凝土结构模型试样1，如图2所示，在混凝土结构模型试样1上预置声发射数据采集系统位置，声发射数据采集系统包括声发射传感器2、声发射信号处理系统3以及连接线9,本实施例混凝土结构模型试样1为长方体，声发射传感器2均匀地设置于混凝土结构模型试样1的外表面，并布置对应的标志点10；将混凝土结构模型试样1放置于加载设备8上，缓慢加载实验，随着负荷加大，混凝土结构模型试样1内部产生裂纹；声发射传感器2实时采集一系列的声发射源信号包括位置信息，声发射传感器2将采集到的声发射源信号经连接线9传输至声发射信号处理系统3，计算处理得到声发射源三维点坐标数据，并传输至计算机进行分析处理，所述声发射源三维点坐标数据为空间坐标，表示为M(x,y,z)；本实施例的声发射数据采集系统采用美国物理声学公司的“96通道PCIE声发射系统”产品，终端采用笔记本电脑7，也可采用台式电脑；再采用图形分析处理软件建立虚拟点三维模型5,所述虚拟点三维模型5，表示为M＇(x＇,y＇,z＇)，本实施例图形分析处理软件采用3d Max，也可采用其他三维建模软件,建立虚拟混凝土结构模型试样三维模型6；将虚拟点三维模型5和虚拟混凝土结构模型试样三维模型6经无线传输至混合现实显示设备4中,本实施例混合现实显示设备4为基于混合现实技术的头戴式眼镜设备，如图3所示，也可为平板电脑；虚拟混凝土结构模型试样三维模型6的空间位置与混凝土结构模型试样1的空间位置一致，外观尺寸一致，且虚拟点三维模型5的空间位置与声发射源的空间位置一致；利用混合现实显示设备4扫描实验场景，通过建立相同的现实世界和虚拟世界坐标系，并识别对应标志点实现虚拟混凝土结构模型试样三维模型6的空间位置与现实的混凝土结构模型试样1的空间位置相匹配，如图4所示；最后，对混凝土试样模型进行图像叠加，将虚拟点三维模型5实时显示在混凝土结构模型试样1中，人员在混合现实场景中不同方向查看混凝土结构模型试样1时，混合现实显示设备4对混凝土结构模型试样1进行不同视觉的图像叠加，将实时接收虚拟点三维模型5实时叠加显示在混凝土结构模型试样1中，从而达到内部开裂信息的透视效果。

本发明适用于空气或水中实验对象的开裂信息采集和裂纹透视。

应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

参考文献：

[1]田威,党发宁,陈厚群.基于CT图像处理技术的混凝土细观破裂分形分析[J].应用基础与工程科学学报,2012,(03):424-431.

[2]梁鹏,张艳博,黄晓红,姚旭龙,田宝柱,孙林,刘祥鑫.一种岩石声发射源定位方法[P].河北：CN105334266A,2016-02-17.

[3]晏长根,谢永利,石玉玲,孙巍锋,卢浩,张志权,许江波.一种岩质边坡崩塌监测用无线声发射监测器[P].陕西：CN204882469U,2015-12-16.

[4]李力,曾德学,李骥.裂纹扩展声发射试验装置及试验方法[P].湖北：CN103604872A,2014-02-26.

[5]潘瑞红.一种混合现实仿真系统的快速配准方法[P].天津：CN105787941A,2016-07-20.

[6]B·E·基恩,B·J·苏格登,R·L·小克罗可,D·德普福德,T·G·萨尔特,L·K·梅赛,A·A-A·基普曼,P·T·金内布鲁,N·F·卡姆达.全息锚定和动态定位[P].美国：CN105264478A,2016-01-20.

[7]Schall G,Schmalstieg D,Junghanns S.Vidente-3d visualization ofunderground infrastructure using handheld augmented reality[J].GeoHydroinformatics:Integrating GIS and Water Engineering,2010.

Claims (6)

1.基于混合现实的模型实验结构裂纹扩展过程实时透视方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、建立结构模型试样，在预置声发射数据采集系统位置上设置声发射数据采集系统以及布置对应标志点；

(2)、安置结构模型试样于加载设备上并进行加载实验；

(3)、利用声发射数据采集系统实时采集声发射源信号；

(4)、采集声发射源信号经计算处理得到声发射源三维点坐标数据，并传输至计算机；

(5)、采用图形分析处理软件建立虚拟点三维模型；

(6)、建立虚拟结构模型试样三维模型；

(7)、传输虚拟点三维模型和虚拟结构模型试样三维模型至混合现实显示设备中；

(8)、利用混合现实显示设备扫描实验场景，通过识别对应标志点实现虚拟结构模型试样三维模型的空间位置与现实结构模型试样的空间位置相匹配；

(9)、对结构模型试样进行图像叠加，将虚拟点三维模型实时叠加显示在现实结构模型试样中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟结构模型试样三维模型的空间位置与现实结构模型试样中空间位置一致，外观尺寸一致，且虚拟点三维模型的空间位置与声发射源的空间位置一致。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述声发射数据采集系统包括声发射传感器、声发射信号处理系统以及连接线。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合现实显示设备为基于混合现实技术的头戴式眼镜设备。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，适用于空气或水中实验对象的开裂信息采集和裂纹透视。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结构模型试样包括但不限于混凝土结构、钢筋混凝土结构和岩石结构。