3D Point Cloud from Close-Range Photogrammetry for Defect Characterisation of Rubberised Concrete
本研究表明，利用基于运动恢复结构（Structure-from-Motion）和多视图立体视觉（Multi-View Stereo）算法的近距离摄影测量技术，特别是配合单反相机（DSLR），能够为实验室环境下橡胶混凝土试件的微裂纹表征及表面变形监测提供一种高分辨率、亚毫米级的替代方案，其效果可媲美激光雷达（LiDAR）。
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在建筑材料领域，工程师们一直在寻找让混凝土更具柔韧性且更可持续的方法。一种极具前景的方法是将旧轮胎中的回收橡胶混入混凝土中。这创造了一种复合材料，使其能够弯曲和拉伸，而不会像传统混凝土那样轻易断裂，从而为回收废弃物提供了一种途径，同时提高了结构的安全性。然而，这种柔韧性也带来了独特的挑战：当这些橡胶化混凝土梁受到压力时，它们的裂缝并不会呈现简单的直线。相反，裂缝会在材料内部扭转、转向，并遵循一条复杂的、锯齿状的路径，形成一个难以测量的粗糙且不平整的表面。准确了解这些裂缝是如何形成和扩展的，对于设计更好的混合比例至关重要，但要在实验室中观察并测量这些微小的、扭曲的裂纹，长期以来一直是科学家们面临的一项艰巨任务。
几十年来，研究人员一直依赖高科技激光扫描仪来绘制结构的表面图谱。这些被称为地面激光扫描仪的设备通过向物体发射光束并测量光线反射回来的时间来进行工作。虽然这些机器在绘制大型建筑物或桥梁方面表现出色，但在实验室环境下处理微小细节时却显得力不从心。激光束本身通常太宽，无法进入微裂缝中最狭窄的间隙。当光束遇到带有微小空隙的粗糙表面时，光线会直接“跨越”这个缺口，填补了缺失的细节，使得裂缝看起来比实际情况更小或更平滑。这就像是试图用一把比发丝裂缝还要厚的尺子去测量细微裂缝的深度；工具在物理上无法触及底部，从而导致真实的损伤形状被隐藏了起来。
为了解决这个问题，新南威尔士大学的一个研究小组转向了一种不同的技术：近距离摄影测量术（close-range photogrammetry）。这种方法不再使用激光，而是利用标准的数字相机，从许多不同的角度拍摄数百张重叠的照片。通过分析物体在每张照片中呈现出的细微变化，先进的软件可以重建出高度详细的三维表面模型。研究人员将这种技术应用于经过压力测试直至失效的橡胶化混凝土梁。他们使用高端专业相机和现代智能手机捕捉图像，然后将这些照片输入软件进行拼接，生成一个由数百万个点组成的稠密点云，从而创建出受损表面的“数字孪生”。
结果表明，这种基于相机的方法能够捕捉到激光扫描仪遗漏的细节。配备了大传感器的专业相机生成的模型具有足够精细的分辨率，足以区分小于一毫米的特征。当研究人员在数字模型中测量一条特定的裂缝时，其宽度约为 2.3 毫米，这与使用游标卡尺进行的物理测量几乎完全吻合。相比之下，虽然智能手机相机仍然有用，但它生成的模型噪声稍多且精度较低，这表明在尝试捕捉如此精细的细节时，相机传感器的质量至关重要。研究证实，对于橡胶化混凝土中常见的亚毫米级裂缝，高分辨率相机是比标准激光扫描仪更有效的工具。
除了观察裂缝外，该团队还开发了一种将裂缝从其余表面中分离出来的方法。由于裂缝通常比周围的混凝土颜色更深，软件可以利用颜色信息来突出显示受损区域。通过将 3D 数据转换为强调这些色调差异的格式，他们能够将实际的断裂点与背景噪声分离开来。这使他们能够创建一个清晰的、结构化的裂缝路径图，揭示了传统的二维图像往往无法捕捉到的复杂、蜿蜒的几何形态。这种细节水平至关重要，因为裂缝的形状告诉工程师材料在压力下的表现方式，而这些信息对于改进混合比例设计至关重要。
研究人员还利用这种方法测量了混凝土在测试过程中的移动情况。通过对比测试前后的梁的 3D 模型，他们可以计算出整个表面的精确位移量。数据显示，主裂缝周围的区域平均移动了 2.2 毫米，部分部位的位移甚至达到了 2.9 毫米。这种追踪整个表面运动而非仅仅在单一点进行追踪的能力，提供了关于材料变形更为丰富的图景。这证明了摄影测量工作流不仅能够发现微小的缺陷，还能高精度地量化损伤。
这项研究表明，近距离摄影测量术为实验室测试提供了一种灵活且易于获取的替代方案，可以替代昂贵的激光系统。它允许研究人员捕捉橡胶化混凝土中裂缝真实的、扭曲的本质，而不受激光束物理限制的影响。通过建立一种生成此类高分辨率 3D 模型可靠的方法，这项工作为未来能够更深入分析材料性能的自动化系统奠定了基础。研究人员计划通过开发全自动工具来自动测量每条裂缝的长度、宽度和深度，并探索如何利用基于视频的技术来研究这些裂缝随时间增长的过程。目前，这项研究证实，只要拥有合适的相机和系统的操作方法，科学家们终于能够看清可持续建筑材料失效过程中隐藏的复杂性，从而在未来建造出更安全、更耐用的结构。
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