CN116380946A - 一种水泥水化全周期成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种水泥水化全周期成像方法，所述方法包括：按照预先生成的估算参数，通过预设的钨钢针和射线源对预设的样品台座下的角度台进行调节，得到实际位置参数；通过预设的样品模具，制备待成像的水泥矿物净浆样品；按照预先设置的不同周期对应的扫描模式，对水泥矿物净浆样品进行全周期拍摄，得到全周期水泥水化成像数据，能够极大程度缩短水泥水化样品的制备时间和拍摄时间，保证拍摄良率，增加X‑CT早期成像裕度，实现水泥早期水化的三维微观结构观测，从而查明水泥混凝土产物演化与缺陷劣化机制，为探究水泥水化机理提供助力。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种水泥水化全周期成像方法。
背景技术
水泥的水化问题是水泥混凝土领域的关键问题，水泥水化的发展制约着混凝土的力学性能、渗透性与耐久性，实现水泥水化的全周期观测，可为水化问题提供重要的技术支持，为水化机理的研究提供可量化的直接证据。水泥水化的全周期观测的主要制约因素是时间，水泥水化初期反应较为剧烈，结构发展速度快，关键结构尺度在微米级别，其特征捕捉十分困难，又由于三维高分辨无损检测技术的相对匮乏，给水化高质量成像拍摄带来了很大挑战。相关技术中，通常采用基于同步辐射X射线计算机断层扫描（SR-CT）开展水化的早期成像拍摄或者后期拍摄，或基于微米级实验室X射线断层扫描（X-CT）拍摄水泥水化的后期稳定阶段。SR-CT虽然具有较强的衬度与速率优势，可以实现快速水化过程中的结构捕捉，但是由于其设备对于同步辐射源的高度依赖，获取方式较为困难，因而难以保证广泛的试验研究，更无法保障水泥水化长周期的原位观测；X-CT体积小应用便利，但由于光子能量单一，成像衬度相较于SR-CT有先天不足，弱于SR-CT数倍，为保证良好的成像衬度与分辨率，X-CT必须尽可能在低电压、低电流的情况下工作，进一步降低了射线能量，需要更长的曝光时间，才能获得足够的灰度值以满足图像的质量保障，这显著延长了拍摄时长，阻碍了水泥水化早期成像。这两项技术的局限性使水泥水化全周期三维微观结构观测难以实现。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种水泥水化全周期成像方法，能够极大程度缩短水泥水化样品的制备时间和拍摄时间，保证拍摄良率，增加X-CT早期成像裕度，实现水泥早期水化的三维微观结构观测，从而查明水泥混凝土产物演化与缺陷劣化机制，为探究水泥水化机理提供助力。本发明的另一个目的在于提供一种水泥水化全周期成像装置。本发明的再一个目的在于提供一种计算机可读介质。本发明的还一个目的在于提供一种计算机设备。
为了达到以上目的，本发明一方面公开了一种水泥水化全周期成像方法，包括：
按照预先生成的估算参数，通过预设的钨钢针和射线源对预设的样品台座下的角度台进行调节，得到实际位置参数；
通过预设的样品模具，制备待成像的水泥矿物净浆样品；
按照预先设置的不同周期对应的扫描模式，对水泥矿物净浆样品进行全周期拍摄，得到全周期水泥水化成像数据。
优选的，在按照预先生成的估算参数，通过预设的钨钢针和射线源对预设的样品台座下的角度台进行调节，得到实际位置参数之前，还包括：
通过半经验函数，根据预设的成像参数和图像参数范围进行位置估算，得到估算参数范围。
优选的，估算参数范围包括射线源与待成像的水泥矿物净浆样品之间的第一估算距离范围和射线源和探测器之间的第二估算距离范围，实际位置参数包括射线源与待成像的水泥矿物净浆样品之间的第一实际距离和射线源与探测器之间的第二实际距离；
按照预先生成的估算参数，通过预设的钨钢针和射线源对预设的样品台座下的角度台进行调节，得到实际位置参数，包括：
通过钨钢针在成像视野的位置，调整角度台，并获取钨钢针在不同平面上的偏移角度；
根据不同平面上的偏移角度调节角度台，并调节钨钢针使得钨钢针位于成像视野的中心位置；
将射线源向靠近钨钢针的方向移动指定距离，旋转样品台座并判断钨钢针在旋转过程中是否与射线源的靶面接触；
若是，重复执行通过钨钢针在成像视野的位置，调整角度台，并获取钨钢针在不同平面上的偏移角度的步骤；
若否，通过半经验函数，根据预设的成像参数、第一实际距离和第一估算距离范围，判断实际图像参数是否位于预设的图像参数范围内；
若是，将探测器向靠近射线源的方向移动指定距离，并通过半经验函数，根据预设的成像参数、第二实际距离和第二估算距离范围，判断实际图像参数是否位于预设的图像参数范围内；
若是，记录第一实际距离和第二实际距离；
若否，重复执行将探测器向靠近射线源的方向移动指定距离的步骤。
优选的，不同平面上的偏移角度包括第一平面偏移角度和第二平面偏移角度；
通过钨钢针在成像视野的位置，调整角度台，并获取钨钢针在不同平面上的偏移角度，包括：
调节角度台，使得钨钢针位于成像视野的中心位置，并获取钨钢针与成像视野的第一上边界交点坐标和第一下边界交点坐标；
根据第一上边界交点坐标和第一下边界交点坐标，生成钨钢针在第一平面投影的偏移角度；
按照预设角度，旋转角度台，并获取钨钢针与成像视野的第二上边界交点坐标和第二下边界交点坐标；
根据第二上边界交点坐标和第二下边界交点坐标，生成钨钢针在第二平面投影的偏移角度。
优选的，在通过预设的样品模具，制备待成像的水泥矿物净浆样品之前，还包括：
根据待成像的水泥矿物净浆样品的材料，选取指定尺寸的聚乙酰胺毛细管；
通过石蜡板对毛细管的上端进行封堵；
在毛细管内的石蜡与空气交界处的管壁进行刺孔标记，得到样品模具。
优选的，通过预设的样品模具，制备待成像的水泥矿物净浆样品，包括：
将水泥与熟料在聚四氟乙烯瓶进行混合，得到水泥矿物净浆；
将水泥矿物净浆注入样品模具，得到待成像的水泥矿物净浆样品。
优选的，将水泥矿物净浆注入样品模具，得到待成像的水泥矿物净浆样品，包括：
通过毛细作用，使得毛细管的下端将水泥矿物净浆吸入管内；
将吸入水泥矿物净浆的毛细管通过石蜡板进行封堵，得到待成像的水泥矿物净浆样品。
优选的，方法还包括：
将待成像的水泥矿物净浆样品的下端套在钨钢针上；
向下移动待成像的水泥矿物净浆样品的管体，使得管内气体从刺孔标记处的气孔排出；
将位于待成像的水泥矿物净浆样品的上端的石蜡向下移动至刺孔标记处的气孔进行封堵。
优选的，全周期包括第一时间周期和第二时间周期，第一时间周期对应的扫描模式为连续扫描模式，第二时间周期对应的扫描模式为抖动扫描模式，全周期水泥水化成像数据包括第一时间周期水泥水化成像数据和第二时间周期水泥水化成像数据；
按照预先设置的不同周期对应的扫描模式，对水泥矿物净浆样品进行全周期拍摄，得到全周期水泥水化成像数据，包括：
在第一时间周期，按照连续扫描模式和预设的第一扫描参数对水泥矿物进行成像数据采集，得到第一时间周期水泥水化成像数据；
在第二时间周期，按照抖动扫描模式和预设的第二扫描参数对水泥矿物进行成像数据采集，得到第二时间周期水泥水化成像数据。
优选的，在按照预先设置的不同周期对应的扫描模式，对水泥矿物净浆样品进行全周期拍摄，得到全周期水泥水化成像数据之后，还包括：
通过重建算法，对第一时间周期水泥水化成像数据和第二时间周期水泥水化成像数据分别进行重建处理，得到第一重建图像和第二重建图像；
对第一重建图像进行环状伪影去除以及去噪处理，得到第一优化成像数据；
对第二重建图像进行去噪处理，得到第二优化成像数据；
根据第一优化成像数据和第二优化成像数据，生成优化后的全周期水泥水化成像数据。
本发明还公开了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述方法。
本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储包括程序指令的信息，所述处理器用于控制程序指令的执行，所述处理器执行所述程序时实现如上所述方法。
本发明还公开了一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，计算机程序/指令被处理器执行时实现如上所述方法。
本发明按照预先生成的估算参数，通过预设的钨钢针和射线源对预设的样品台座下的角度台进行调节，得到实际位置参数；通过预设的样品模具，制备待成像的水泥矿物净浆样品；按照预先设置的不同周期对应的扫描模式，对水泥矿物净浆样品进行全周期拍摄，得到全周期水泥水化成像数据，能够极大程度缩短水泥水化样品的制备时间和拍摄时间，保证拍摄良率，增加X-CT早期成像裕度，实现水泥早期水化的三维微观结构观测，从而查明水泥混凝土产物演化与缺陷劣化机制，为探究水泥水化机理提供助力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种成像参数关系图；
图2为本发明实施例提供的一种水泥水化全周期成像方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的又一种水泥水化全周期成像方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种样品模具的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种样品注模的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种样品管排气的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种样品密封的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了便于理解本申请提供的技术方案，下面先对本申请技术方案的相关内容进行说明。在水泥水化过程中，水泥浆体的微观结构发生剧烈变化，水泥熟料经过溶解/解离、扩散、生长、成核、络合、吸附等过程形成水化产物，形成了水泥基材料的结构骨架，使松散的水泥颗粒向硬质水泥石生长。水泥水化过程是粘合混凝土各相，并赋予其强度的重要过程，因此解构水泥水化至关重要。
微米X射线断层扫描（μX-CT）技术作为无损检测技术，为探明水泥基内部演进过程提供可能。X射线对于物质密度（原子序数）具有敏感性，水泥浆中的主要成分又在密度上存在区分度，因而基于比尔朗博衰减定律，通过重建样品在不同角度的投影可以获取样品的三维空间分布，即实现水泥熟料、水化产物、气孔、裂缝、中尺度毛细孔的无损量化；拍摄不同时刻下的三维结构可以获取样品随时间的变化过程，即获取水泥水化的演进规律，实现水泥水化的4D成像。
水泥水化的全周期观测的主要制约因素是时间，水泥水化初期反应较为剧烈，结构发展速度快，因此给水化拍摄带来了很大困难，主要体现在两个方面：一个是拍摄前的步骤冗杂，样品制备、样品注模、样品安装以及校准旋转中心，往往花费数十分钟到一个小时，使早期水化在拍摄前即被错过；第二是样品拍摄时长和图像质量受多因素（拍摄模式、曝光时间、管电压、管电流、射线源距样品距离（SOD）、射线源距探测器距离（SDD）、图像合并数、投影数）的影响，而这些因素之间数量关系复杂、相互钳制，如图1所示。早期水化过程中结构变化快，每个数据体的长时间拍摄极易产生运动伪影，造成拍摄数据失效。实现水泥水化全周期成像的三个要点是：第一，为看清水化特征，需要采用较高的分辨率，一般以0.5um的体素分辨率为宜；第二，为了防止动态伪影，需要采用较快的拍摄时间，一般在水化速率最快的阶段以300s以内的拍摄时长为宜；第三，为了区分水泥水化过程中的产物、孔隙、矿物等不同组分，需要实现适宜的灰度与较高的衬度，16位灰度一般以20000-30000为宜。
本发明依据的核心在于利用实验室X-CT实现早期水化成像，关键是控制曝光时间，图1为本发明实施例提供的一种成像参数关系图，如图1所示，圆形图标表示目标，目标包括时间、分辨率、灰度和质量；矩形图标表示可优化参数，可优化参数包括SOD、SDD、管电压、管电流、曝光时间、合并数、帧数和拍摄模式；实线箭头表示正相关关系，虚线箭头表示负相关关系，点线箭头表示非数量相关关系。由图1可知，SOD与分辨率之间为正相关关系，分辨率小于0.5μm；SDD与分辨率和灰度之间均为负相关关系，灰度的取值在20000至30000之间；管电压与分辨率和质量之间均为负相关关系，管电压与灰度之间为正相关关系；管电流与分辨率和质量之间均为负相关关系，管电流与灰度之间为正相关关系；曝光时间与时间和灰度之间均为正相关关系，时间为300秒（s）；合并数与时间和质量之间均为正相关关系；帧数与时间和质量之间均为正相关关系；拍摄模式与时间和质量之间均非数量相关关系。根据图1所示关系，合并数、帧数与拍摄模式对拍摄时长有一定的削减效果，但由于与图像质量相关，因此这三者的优化空间较为有限，因而降低拍摄时长只能通过尽可能缩短曝光时间实现。曝光时间的锐减会大幅缩减拍摄时长，但同时会造成灰度的成倍下降。图像灰度受到管电压和管电流的制约，管电压和管电流又同时制约着成像衬度，对于水泥样品来说，为了满足衬度和极限分辨率的要求，管电压和管电流往往需要取到较小的特定值，很难有大幅的调节；射线源距探测器的距离（SDD）也会影响图像灰度，但由于提升灰度的同时会以损失分辨率为代价，因此往往被忽略。
图像的分辨率受放大比M的影响，即SDD与射线源距样品距离（SOD）的比值，如下式：
SDD越小，射线在穿过样品后的空气中路程就越短，探测器获取的射线能量就越高，灰度值就越高，理论上，减小SDD的同时保持M不变，就可以保证在不降低分辨率的条件下，提升灰度。此时再调整曝光时间，到合适的灰度范围，即可降低拍摄时长。这就要求要尽可能地缩小SOD的值，也就是将射线源与样品距离调至极限，不同能级的X射线在空气中的衰减系数各异，但对于实验室CT而言，SDD与SOD的缩减理论上可以提高数倍灰度，即缩减数倍的曝光时间。综上，为实现水泥水化的早期成像，关键在缩短SOD与SDD。
本发明提供了一种水泥水化全周期成像方法，包括样品模具预制、样品制备、样品装模、拍摄模式选择、图像重建以及图像后处理，该方法实现了极限SOD拍摄，可大幅压缩水泥制作时间和拍摄时间并保证拍摄良率，降低曝光时间至常规拍摄的6-10倍，最终实现了实验室X-CT对水泥水化的全周期成像。
图2为本发明实施例提供的一种水泥水化全周期成像方法的流程图，如图2所示，该方法包括：
步骤101、按照预先生成的估算参数，通过预设的钨钢针和射线源对预设的样品台座下的角度台进行调节，得到实际位置参数。
本发明实施例中，估算参数范围包括射线源与待成像的水泥矿物净浆样品之间的第一估算距离范围和射线源和探测器之间的第二估算距离范围，实际位置参数包括射线源与待成像的水泥矿物净浆样品之间的第一实际距离和射线源与探测器之间的第二实际距离。
步骤102、通过预设的样品模具，制备待成像的水泥矿物净浆样品。
步骤103、按照预先设置的不同周期对应的扫描模式，对水泥矿物净浆样品进行全周期拍摄，得到全周期水泥水化成像数据。
本发明实施例提供的技术方案中，按照预先生成的估算参数，通过预设的钨钢针和射线源对预设的样品台座下的角度台进行调节，得到实际位置参数；通过预设的样品模具，制备待成像的水泥矿物净浆样品；按照预先设置的不同周期对应的扫描模式，对水泥矿物净浆样品进行全周期拍摄，得到全周期水泥水化成像数据，能够极大程度缩短水泥水化样品的制备时间和拍摄时间，保证拍摄良率，增加X-CT早期成像裕度，实现水泥早期水化的三维微观结构观测，从而查明水泥混凝土产物演化与缺陷劣化机制，为探究水泥水化机理提供助力。
图3为本发明实施例提供的又一种水泥水化全周期成像方法的流程图，如图3所示，该方法包括：
步骤201、根据待成像的水泥矿物净浆样品的材料，选取指定尺寸的聚乙酰胺毛细管。
本发明实施例中，选取硅酸三钙粉末与水分制备水胶比为0.4的硅酸三钙（C3S）浆体作为待成像的水泥矿物净浆样品的材料，开展C3S早期水化拍摄。C3S作为水泥中的主要矿物成分，水化反应速度很快，早期水化过程相比水泥更难捕捉。
具体地，根据待成像的水泥矿物净浆样品的材料，选取内径在1mm以内的聚乙酰胺毛细管。作为一种可选方案，选取内径为0.5mm、壁厚为0.03um、长度为10mm的聚乙酰胺毛细管。
步骤202、通过石蜡板对毛细管的上端进行封堵。
本发明实施例中，将毛细管的上端用石蜡板封堵，保证毛细管的上端与空气隔绝。
步骤203、在毛细管内的石蜡与空气交界处的管壁进行刺孔标记，得到样品模具。
具体地，在管内石蜡与管内空气的交界处的管壁上进行标记，通过钢针在标记处进行穿刺产生1个小孔，令管内残余区间仍然上下与外界连通，保障管内的毛细负压在提取样品时不会被管内气压抑制。
本发明实施例中，预置样品模具能够减小样品制备后的装模时间，减少样品在拍摄前的水化时长。
图4为本发明实施例提供的一种样品模具的结构示意图，如图4所示，毛细管300的上端的密封石蜡311将毛细管的上端进行封堵，保证毛细管的上端与空气隔绝；在毛细管内的石蜡与空气交界处的管壁处设置有气孔320，令管内残余区间仍然上下与外界连通，保障管内的毛细负压在提取样品时不会被大气压抵消。
步骤204、通过半经验函数，根据预设的成像参数和图像参数范围进行位置估算，得到估算参数范围。
本发明实施例中，半经验函数是根据电压、电流、放大比、SOD、SDD、射线源、探测器等信息构建的，用于估算图像参数中的灰度值与体素分辨率，还用于通过SOD和SDD约束成像参数设置。成像参数包括但不限于管电压、管电流、曝光时间、像元尺寸、焦斑尺寸和修正参数，图像参数包括但不限于体素分辨率和背景灰度值，半经验函数设置如下：
其中，K为背景灰度值，U为管电压，I为管电流，t为曝光时间，R为体素分辨率，d为像元尺寸，a为焦斑尺寸，c为修正参数。修正参数c与设备相关。
本发明实施例中，图像参数范围包括背景灰度值范围和体素分辨率范围，背景灰度值范围和体素分辨率范围均可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不做限定。作为一种可选方案，背景灰度值范围为20000-30000，体素分辨率范围为0.5 -ρ<R<0.5 +ρ，其中，ρ为分辨率阈值，可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不做限定。
具体地，通过半经验函数，对预设的成像参数、背景灰度值范围和体素分辨率范围进行位置估算，得到估算参数范围。其中，估算参数范围包括射线源与待成像的水泥矿物净浆样品之间的第一估算距离范围和射线源和探测器之间的第二估算距离范围。值得说明的是，将背景灰度值范围和体素分辨率范围的边界值带入半经验函数进行计算，得到估算参数范围的边界值；根据估算参数范围的边界值，得到估算参数范围。
例如：背景灰度值范围为20000-30000，管电压和管电流分别为60kv、50uA，焦斑尺寸为0.84×10-4cm，像元尺寸为124um，体素分辨率范围为0.5 -ρ<R<0.5 +ρ，修正系数c为3/4，计算得到第一估算距离范围为（1–ε）mm<SOD<（1 +ε)mm，第二估算距离范围为（300–η）mm<SDD<（300+η)mm。其中，ρ为分辨率阈值，η为SDD阈值，ε为SOD阈值，均可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不做限定。
步骤205、通过钨钢针在成像视野的位置，调整角度台，并获取钨钢针在不同平面上的偏移角度。
本发明实施例中，样品台座选用不锈钢十字形台座，台座下方粘结XY轴角度台，台座上方固定直径0.45的钨钢针。
本发明实施例中，不同平面上的偏移角度包括第一平面偏移角度和第二平面偏移角度。
本发明实施例中，步骤205具体包括：
步骤2051、调节角度台，使得钨钢针位于成像视野的中心位置，并获取钨钢针与成像视野的第一上边界交点坐标和第一下边界交点坐标。
具体地，将射线源靠近钨钢针，调整X-CT样品台X轴Y轴，使钨钢针出现在成像视野的中心位置；将钨钢针与成像视野上下边界处的交点坐标分别记为第一上边界交点坐标A1（x1，y1）和第一下边界交点坐标A2(x2，y2)。
步骤2052、根据第一上边界交点坐标和第一下边界交点坐标，生成钨钢针在第一平面投影的偏移角度。
具体地，通过
，对第一上边界交点坐标和第一下边界交点坐标进行计算，得到钨钢针在XZ面投影的偏移角度，即：钨钢针在第一平面投影的偏移角度。
步骤2053、按照预设角度，旋转角度台，并获取钨钢针与成像视野的第二上边界交点坐标和第二下边界交点坐标。
本发明实施例中，预设角度可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不做限定。作为一种可选方案，预设角度为90°。
具体地，旋转X-CT样品台至90°位置，记录钨钢针与成像视野上下边界处的交点坐标分别为第二上边界交点坐标B1（x3，y3）和第二下边界交点坐标B2(x4，y4)。
步骤2054、根据第二上边界交点坐标和第二下边界交点坐标，生成钨钢针在第二平面投影的偏移角度。
具体地，通过
，对第二上边界交点坐标和第二下边界交点坐标进行计算，得到钨钢针在YZ面投影的偏移角度，即：钨钢针在第二平面投影的偏移角度。
步骤206、根据不同平面上的偏移角度调节角度台，并调节钨钢针使得钨钢针位于成像视野的中心位置。
具体地，按照钨钢针在第一平面投影的偏移角度和钨钢针在第二平面投影的偏移角度对应调整XY轴角度台，并调节钨钢针使得钨钢针位于成像视野的中心位置。
步骤207、将射线源向靠近钨钢针的方向移动指定距离，旋转样品台座并判断钨钢针在旋转过程中是否与射线源的靶面接触，若是，执行步骤205；若否，执行步骤208。
本发明实施例中，指定距离可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不做限定。作为一种可选方案，指定距离为0.5mm。
具体地，将射线源以指定距离向靠近钨钢针，对样品台进行360°旋转操作，观察旋转过程中钨钢针是否与射线源的靶面接触，若钨钢针在旋转过程中与射线源的靶面接触，表明样品在当前位置下拍摄时可能会被碰触，需要继续调节角度台，继续执行步骤205；若钨钢针在旋转过程中不与射线源的靶面接触，表明样品在当前位置下拍摄时不会发生碰触，此时钨钢针平行于射线源的靶面，继续执行步骤208。
步骤208、判断实际SOD值是否位于第一估算距离范围内，若是，执行步骤209；若否，执行步骤207。
本发明实施例中，若实际SOD值位于第一估算距离范围内，表明SOD符合估算距离要求，继续执行步骤209；若实际SOD值位于第一估算距离范围外，表明SOD不符合估算距离要求，需要继续向靠近钨钢针的方向推近射线源位置，继续执行步骤207，直至测量得到的实际SOD值位于第一估算距离范围内。例如：3次调整后SOD达到1.153mm，符合预先估算的第一估算距离范围。
步骤209、通过半经验函数，根据预设的成像参数、第一实际距离和第二实际距离，判断实际图像参数是否位于预设的图像参数范围内，若是，执行步骤211；若否，执行步骤210。
本发明实施例中，第一实际距离为射线源与待成像的水泥矿物净浆样品之间的距离，第二实际距离为射线源与探测器之间的距离。第一实际距离和第二实际距离可以通过测量得出。
具体地，通过半经验函数，对预设的成像参数、第一实际距离和第二实际距离进行计算，得到图像参数，图像参数包括但不限于体素分辨率和背景灰度值，对应的图像参数范围包括但不限于背景灰度值范围和体素分辨率范围；若图像参数位于预设的图像参数范围内，表明背景灰度值和体素分辨率均达到预设的图像参数要求，继续执行步骤211；若图像参数位于预设的图像参数范围外，表明背景灰度值和/或体素分辨率未达到预设的图像参数要求，需要调整射线源与探测器之间的距离，继续执行步骤210。
步骤210、将探测器向靠近射线源的方向移动指定距离，继续执行步骤209。
本发明实施例中，指定距离可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不做限定。
本发明实施例中，调整SDD使样品达到所需的体素分辨率，再调节曝光时间，以背景灰度值为参考（20000-30000）以达到图像清晰、衬度分明为目的设置合适的曝光时间。例如：调节SDD使样品达到所需的0.49μm/voxel体素分辨率，调节曝光时间到0.3s，此时背景灰度值为23500在拍摄需求的范围之内，拍摄图像清晰、衬度分明。
步骤211、记录第一实际距离和第二实际距离。
本发明实施例中，在多次迭代调整射线源和探测器的位置后，使得样品图像清晰、衬度分明，记录当前的第一实际距离SOD和第二实际距离SDD。例如：记录第一实际距离SOD为1.153mm，第二实际距离SDD为290.413 mm。
进一步地，将射线源向远离样品位置的方向移动一定距离，以便留出一定的操作空间，便于放置样品。作为一种可选方案，射线源移动的距离为20mm。
步骤212、将水泥与熟料在聚四氟乙烯瓶进行混合，得到水泥矿物净浆。
具体地，将水泥与熟料在20ml以内容积的聚四氟乙烯瓶中混合；通过旋涡混匀仪震荡混匀，震荡同时用聚四氟乙烯棒搅拌，30s后水泥矿物净浆制备完成。例如：将硅酸三钙（C3S）在10ml容积的聚四氟乙烯管中混合，通过旋涡混匀仪震荡混匀，震荡同时用聚四氟乙烯棒搅拌，30s后样品制备出C3S浆体。
本发明实施例中，水泥的拌合时间往往需要2分钟（min），少量的样品可以减少混匀时间，聚四氟乙烯为疏水材料，不会与水泥矿物争夺水分，表面不易附着浆体更减少了混匀时间，保障了30s内的充分搅拌。
步骤213、将水泥矿物净浆注入样品模具，得到待成像的水泥矿物净浆样品。
本发明实施例中，步骤213具体包括：
步骤2131、通过毛细作用，使得毛细管的下端将水泥矿物净浆吸入管内。
步骤2132、将吸入水泥矿物净浆的毛细管通过石蜡板进行封堵，得到待成像的水泥矿物净浆样品。
具体地，将吸入水泥矿物净浆的毛细管的下端垂直***石蜡板后取出，以便用残留在管内的石蜡封堵毛细管下部，进行石蜡封堵，得到待成像的水泥矿物净浆样品。
步骤214、将待成像的水泥矿物净浆样品的下端套在钨钢针上。
具体地，将待成像的水泥矿物净浆样品管移至样品台钨钢针上方，将样品管的下端套在钨钢针上。
图5为本发明实施例提供的一种样品注模的结构示意图，如图5所示，将水泥矿物净浆330注入样品模具，并将注入水泥矿物净浆330的毛细管的下端通过密封石蜡312进行封堵；将待成像的水泥矿物净浆样品的下端套在钨钢针340上，完成样品注模。
步骤215、向下移动待成像的水泥矿物净浆样品的管体，使得管内气体从刺孔标记处的气孔排出。
具体地，利用钨钢针推动管体下端内部的样品与石蜡，直至贴近管壁气孔位置，使得管内气体从刺孔标记处的气孔排出。
图6为本发明实施例提供的一种样品管排气的结构示意图，如图6所示，向下移动管体，使得钨钢针驱动下端的密封石蜡和水泥矿物净浆样品相对于管体向上移动，管内气体从刺孔标记处的气孔排出。
步骤216、将位于待成像的水泥矿物净浆样品的上端的石蜡向下移动至刺孔标记处的气孔进行封堵。
具体地，轻捏样品管上部，令上部封堵石蜡下移，封堵刺孔标记处的气孔，形成了水泥矿物净浆样品的上下密封条件，尽可能减小拍摄过程中的水分蒸发。
图7为本发明实施例提供的一种样品密封的结构示意图，如图7所示，向下移动管体上端的密封石蜡，使得密封石蜡移动至刺孔标记处的气孔进行封堵，建立样品的密封环境。
进一步地，将射线源移动至记录的SOD所指示的位置，以便后续进行拍摄。
值得说明的是，步骤201至步骤216完成了拍摄前的样品全部制备工作，按上述步骤操作样品此时水化时间在200s以内。
步骤217、按照预先设置的不同周期对应的扫描模式，对水泥矿物净浆样品进行全周期拍摄，得到全周期水泥水化成像数据。
本发明实施例中，全周期包括第一时间周期和第二时间周期，第一时间周期对应的扫描模式为连续扫描模式，第二时间周期对应的扫描模式为抖动扫描模式，全周期水泥水化成像数据包括第一时间周期水泥水化成像数据和第二时间周期水泥水化成像数据。
本发明实施例中，不同周期对应的扫描模式可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不做限定。作为一种可选方案，第一时间周期为早期的2个小时，对应的扫描模式为连续扫描模式，第二时间周期为中后期，对应的扫描模式为抖动扫描模式。
步骤217具体包括：
步骤2171、在第一时间周期，按照连续扫描模式和预设的第一扫描参数对水泥矿物进行成像数据采集，得到第一时间周期水泥水化成像数据。
本发明实施例中，第一扫描参数可以根据样品材料的不同进行设置，本发明以硅酸三钙（C3S）为例，第一扫描参数包括但不限于拍摄步长、图像合并数和投影数。
本发明实施例中，以第一时间周期为2小时，样品材料为硅酸三钙（C3S）为例，在样品安置后的1800s内，以300s为步长开展7组拍摄，图像合并数设置为1，投影数设置在600-720FPS之间；在样品安置后1800s-3600s内，以600s为步长开展3组拍摄，图像合并数为2，投影数设置在600-720FPS之间；在样品安置后的3600s-7200s内，以900s为步长开展4组拍摄，图像合并数为3，投影数设置在600-720FPS之间，最终得到第一时间周期水泥水化成像数据。
步骤2172、在第二时间周期，按照抖动扫描模式和预设的第二扫描参数对水泥矿物进行成像数据采集，得到第二时间周期水泥水化成像数据。
本发明实施例中，第二扫描参数可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不做限定。作为一种可选方案，第二扫描参数包括但不限于图像合并数和投影数。
本发明实施例中，以第二时间周期为接续第一时间周期之后为例，以抖动扫描拍摄，图像合并数为6，投影数设置在720-1440之间，例如：投影数设置为1080，开展样品放置后4h、8h、12h、1d、3d、7d、14d、28d的拍摄，最终得到第二时间周期水泥水化成像数据。
步骤218、通过重建算法，对第一时间周期水泥水化成像数据和第二时间周期水泥水化成像数据分别进行重建处理，得到第一重建图像和第二重建图像。
具体地，将第一时间周期水泥水化成像数据和第二时间周期水泥水化成像数据分别输入重建算法进行重建，得到第一重建图像和第二重建图像。
步骤219、对第一重建图像进行环状伪影去除以及去噪处理，得到第一优化成像数据。
本发明实施例中，第一重建图像为连续扫描模式的重建拍摄结果，通过伪影去除算法（Sijbers算法），对第一重建图像进行环状伪影去除，得到去除环状伪影后的图像；通过非局部平均（Non-local means）算法，对去除环状伪影后的图像进行去噪处理，得到第一优化成像数据。
步骤220、对第二重建图像进行去噪处理，得到第二优化成像数据。
本发明实施例中，第二重建图像为抖动扫描模式的重建拍摄结果，通过非局部平均（Non-local means）算法，对第二重建图像进行去噪处理，得到第二优化成像数据。
步骤221、根据第一优化成像数据和第二优化成像数据，生成优化后的全周期水泥水化成像数据。
本发明实施例中，第一优化成像数据是优化后的第一时间周期水泥水化成像数据，第二优化成像数据是优化后的第二时间周期水泥水化成像数据，优化后的全周期水泥水化成像数据包括第一优化成像数据和第二优化成像数据。
本发明提供了一种早期水泥水化样品快速制备-注模-安装-拍摄的全流程方法，基于本方法可以极大程度缩短水泥水化样品的制备时间，弥补实验室X-CT成像慢带来的早期水化难以成像缺陷，增加X-CT早期成像裕度，实现水泥早期水化的三维微观结构观测。该方法将为查明水泥混凝土产物演化与缺陷劣化机制，探究水泥水化机理提供助力。
值得说明的是，本申请中技术方案中对数据的获取、存储、使用、处理等均符合法律法规的相关规定。本申请实施例中的用户信息均是通过合法合规途径获得，并且对用户信息的获取、存储、使用、处理等经过客户授权同意的。
本发明实施例提供的水泥水化全周期成像方法的技术方案中，按照预先生成的估算参数，通过预设的钨钢针和射线源对预设的样品台座下的角度台进行调节，得到实际位置参数；通过预设的样品模具，制备待成像的水泥矿物净浆样品；按照预先设置的不同周期对应的扫描模式，对水泥矿物净浆样品进行全周期拍摄，得到全周期水泥水化成像数据，能够极大程度缩短水泥水化样品的制备时间和拍摄时间，保证拍摄良率，增加X-CT早期成像裕度，实现水泥早期水化的三维微观结构观测，从而查明水泥混凝土产物演化与缺陷劣化机制，为探究水泥水化机理提供助力。
上述实施例阐明的***、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机设备，具体的，计算机设备例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器用于存储包括程序指令的信息，处理器用于控制程序指令的执行，程序指令被处理器加载并执行时实现上述水泥水化全周期成像方法的实施例的各步骤，具体描述可参见上述水泥水化全周期成像方法的实施例。
下面参考图8，其示出了适于用来实现本申请实施例的计算机设备600的结构示意图。
如图8所示，计算机设备600包括中央处理单元（CPU）601，其可以根据存储在只读存储器（ROM）602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器（RAM）603中的程序而执行各种适当的工作和处理。在RAM603中，还存储有计算机设备600操作所需的各种程序和数据。CPU601、ROM602、以及RAM603通过总线604彼此相连。输入/输出（I/O）接口605也连接至总线604。
以下部件连接至I/O接口605：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管（CRT）、液晶反馈器（LCD）等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如LAN卡，调制解调器等的网络接口卡的通信部分609。通信部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至I/O接口605。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装如存储部分608。
特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在机器可读介质上的计算机程序，所述计算机程序包括用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本申请技术方案中对数据的获取、存储、使用、处理等均符合国家法律法规的相关规定。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种水泥水化全周期成像方法，其特征在于，所述方法包括：
按照预先生成的估算参数，通过预设的钨钢针和射线源对预设的样品台座下的角度台进行调节，得到实际位置参数；
通过预设的样品模具，制备待成像的水泥矿物净浆样品；
按照预先设置的不同周期对应的扫描模式，对所述水泥矿物净浆样品进行全周期拍摄，得到全周期水泥水化成像数据。
2.根据权利要求1所述的水泥水化全周期成像方法，其特征在于，在所述按照预先生成的估算参数，通过预设的钨钢针和射线源对预设的样品台座下的角度台进行调节，得到实际位置参数之前，还包括：
通过半经验函数，根据预设的成像参数和图像参数范围进行位置估算，得到估算参数范围。
3.根据权利要求1所述的水泥水化全周期成像方法，其特征在于，估算参数范围包括所述射线源与待成像的水泥矿物净浆样品之间的第一估算距离范围和所述射线源和探测器之间的第二估算距离范围，所述实际位置参数包括所述射线源与待成像的水泥矿物净浆样品之间的第一实际距离和所述射线源与探测器之间的第二实际距离；
所述按照预先生成的估算参数，通过预设的钨钢针和射线源对预设的样品台座下的角度台进行调节，得到实际位置参数，包括：
通过所述钨钢针在成像视野的位置，调整所述角度台，并获取所述钨钢针在不同平面上的偏移角度；
根据所述不同平面上的偏移角度调节所述角度台，并调节所述钨钢针使得所述钨钢针位于成像视野的中心位置；
将所述射线源向靠近所述钨钢针的方向移动指定距离，旋转所述样品台座并判断所述钨钢针在旋转过程中是否与所述射线源的靶面接触；
若是，重复执行所述通过所述钨钢针在成像视野的位置，调整所述角度台，并获取所述钨钢针在不同平面上的偏移角度的步骤；
若否，通过半经验函数，根据预设的成像参数、所述第一实际距离和第一估算距离范围，判断实际图像参数是否位于预设的图像参数范围内；
若是，将所述探测器向靠近射线源的方向移动指定距离，并通过半经验函数，根据预设的成像参数、所述第二实际距离和第二估算距离范围，判断实际图像参数是否位于预设的图像参数范围内；
若是，记录所述第一实际距离和第二实际距离；
若否，重复执行所述将所述探测器向靠近射线源的方向移动指定距离的步骤。
4.根据权利要求3所述的水泥水化全周期成像方法，其特征在于，所述不同平面上的偏移角度包括第一平面偏移角度和第二平面偏移角度；
所述通过所述钨钢针在成像视野的位置，调整所述角度台，并获取所述钨钢针在不同平面上的偏移角度，包括：
调节所述角度台，使得所述钨钢针位于成像视野的中心位置，并获取所述钨钢针与所述成像视野的第一上边界交点坐标和第一下边界交点坐标；
根据所述第一上边界交点坐标和第一下边界交点坐标，生成所述钨钢针在第一平面投影的偏移角度；
按照预设角度，旋转所述角度台，并获取所述钨钢针与所述成像视野的第二上边界交点坐标和第二下边界交点坐标；
根据所述第二上边界交点坐标和第二下边界交点坐标，生成所述钨钢针在第二平面投影的偏移角度。
5.根据权利要求1所述的水泥水化全周期成像方法，其特征在于，在所述通过预设的样品模具，制备待成像的水泥矿物净浆样品之前，还包括：
根据所述待成像的水泥矿物净浆样品的材料，选取指定尺寸的聚乙酰胺毛细管；
通过石蜡板对所述毛细管的上端进行封堵；
在所述毛细管内的石蜡与空气交界处的管壁进行刺孔标记，得到样品模具。
6.根据权利要求1所述的水泥水化全周期成像方法，其特征在于，所述通过预设的样品模具，制备待成像的水泥矿物净浆样品，包括：
将水泥与熟料在聚四氟乙烯瓶进行混合，得到水泥矿物净浆；
将所述水泥矿物净浆注入所述样品模具，得到待成像的水泥矿物净浆样品。
7.根据权利要求6所述的水泥水化全周期成像方法，其特征在于，所述将所述水泥矿物净浆注入所述样品模具，得到待成像的水泥矿物净浆样品，包括：
通过毛细作用，使得毛细管的下端将所述水泥矿物净浆吸入管内；
将吸入水泥矿物净浆的毛细管通过石蜡板进行封堵，得到待成像的水泥矿物净浆样品。
8.根据权利要求5所述的水泥水化全周期成像方法，其特征在于，所述方法还包括：
将待成像的水泥矿物净浆样品的下端套在所述钨钢针上；
向下移动所述待成像的水泥矿物净浆样品的管体，使得管内气体从所述刺孔标记处的气孔排出；
将位于所述待成像的水泥矿物净浆样品的上端的石蜡向下移动至所述刺孔标记处的气孔进行封堵。
9.根据权利要求1所述的水泥水化全周期成像方法，其特征在于，所述全周期包括第一时间周期和第二时间周期，所述第一时间周期对应的扫描模式为连续扫描模式，所述第二时间周期对应的扫描模式为抖动扫描模式，所述全周期水泥水化成像数据包括第一时间周期水泥水化成像数据和第二时间周期水泥水化成像数据；
所述按照预先设置的不同周期对应的扫描模式，对所述水泥矿物净浆样品进行全周期拍摄，得到全周期水泥水化成像数据，包括：
在第一时间周期，按照连续扫描模式和预设的第一扫描参数对所述水泥矿物进行成像数据采集，得到第一时间周期水泥水化成像数据；
在第二时间周期，按照抖动扫描模式和预设的第二扫描参数对所述水泥矿物进行成像数据采集，得到第二时间周期水泥水化成像数据。
10.根据权利要求9所述的水泥水化全周期成像方法，其特征在于，在所述按照预先设置的不同周期对应的扫描模式，对所述水泥矿物净浆样品进行全周期拍摄，得到全周期水泥水化成像数据之后，还包括：
通过重建算法，对所述第一时间周期水泥水化成像数据和第二时间周期水泥水化成像数据分别进行重建处理，得到第一重建图像和第二重建图像；
对所述第一重建图像进行环状伪影去除以及去噪处理，得到第一优化成像数据；
对所述第二重建图像进行去噪处理，得到第二优化成像数据；
根据所述第一优化成像数据和第二优化成像数据，生成优化后的全周期水泥水化成像数据。
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