一種基于圖像配準的異位數字體積相關方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于圖像配準的異位數字體積相關方法，包括如下步驟：將樣品和配準用標記物固定在剛性基體上；對樣品、配準用標記物以及剛性基體整體進行第一次三維成像，得到第一次三維成像的三維圖像數據G1（x,y,z）；對樣品進行異位變形，同時保持配準用標記物和剛性基體沒有變形；對異位變形后的樣品以及沒有變形的配準用標記物和剛性基體整體進行第二次三維成像，得到第二次三維成像的三維圖像數據G2（x,y,z）；將配準用標記物的三維圖像數據G1（x,y,z）和G2（x,y,z）進行配準，獲得6個剛體運動自由度；將步驟5得到的自由度對G1（x,y,z）計算，得到模擬的三維圖像數據G3（x,y,z）；將G2（x,y,z）和G3（x,y,z）進行原位數字體積相關計算，即可得到樣品變形前后的三維位移場。
【專利說明】一種基于圖像配準的異位數字體積相關方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于圖像配準的異位數字體積相關方法，屬于光測實驗力學領域。
【背景技術】
[0002]數字體積相關方法(英文全稱:Digital Volume Correlation,縮寫:DVC)于1999年由初由美國加州大學的 B.K.Bay 等(Bay B K, Smith T S, Fyherie D P, et al.Digitalvolume correlation: Three-dimensional strain mapping using X-ray tomography[J].Experimental Mechanics, 1999, 39(3):217?226)在傳統的數字圖像相關方法DIC (英文全稱:Digital Image Correlation,縮寫:DIC)的基礎上發明的。它通過對變形前后采集的物體內部的三維數字圖像進行相關計算，獲得樣品內各點得位移值，即三維位移場；在原位前提下，物體各點的三維位移場反應了三維變形場，從而實現了三維變形及應變的測量。
[0003]相對于傳統的DIC只能測量樣品表面的二維變形，DVC能夠測量樣品內部的變形，且測量的位移與應變是三維的。目前，DVC已經成為光測實驗力學中的熱門研究領域，并在材料力學、結構力學、生物力學等方面有廣泛的應用，是目前唯一能直接測量材料內部三維變形的實驗方法。
[0004]DVC原理要求變形前后的測試必須原位，若有剛體位移存在，則DVC計算結果既包含剛體位移，又包含變形位移，無法區分。在實際應用中，DVC需要用到三維數字圖像數據。現有的三維成像技術包括X射線斷層照相，伽馬射線斷層照相，中子斷層照相，共聚焦顯微鏡等。不管哪一種三維成像技術都存在原位實驗的困難性。比如常用的斷層照相，其原位實驗的困難主要在于斷層照相需要樣品和射線源/探測器之間要相對轉動一圈。雖然有一些原位加載工具，比如中國發明專利ZL201110163456.6 (基于X射線斷層照相的原位加載裝置)，但畢竟只能用于簡單的加載。而且有些變形問題的原位在線實驗非常困難，比如沖擊變形，溫度變形，化學變形等，均難以在三維成像設備中原位進行。
【發明內容】
[0005]發明目的:本發明所要解決的技術問題是提供一種基于圖像配準的異位數字體積相關方法。
[0006]
【發明內容】
:為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案為:
[0007]—種基于圖像配準的異位數字體積相關方法，包括如下步驟:
[0008]步驟1，將待測樣品和配準用標記物固定在剛性基體上；
[0009]步驟2，對步驟I的樣品、配準用標記物以及剛性基體作為整體進行第一次三維成像，得到樣品待測前樣品、配準用標記物以及剛性基體的三維圖像數據G1 U，y, z)；
[0010]步驟3，將樣品進行異位變形，同時保持配準用標記物和剛性基體沒有變形；
[0011]步驟4，對異位變形后的樣品以及沒有變形的配準用標記物和剛性基體整體進行第二次三維成像，得到樣品異位變形后樣品、配準用標記物以及剛性基體的三維圖像數據G2 (x, y, z)；
[0012]步驟5，將配準用標記物在樣品待測前的三維圖像數據G1 (X，y, z)和在樣品異位變形后的三維圖像數據G2 (X，y，z)進行三維數字圖像配準，獲得6個剛體運動自由度；
[0013]步驟6，將步驟5得到的6個剛體運動自由度對G1 U，y, z)計算，得到模擬的三維圖像數據G3 (x, y, z)；
[0014]步驟7，將G2 (X，y, z)和G3 (x, y, z)進行原位數字體積相關計算，即可得到樣品變形前后的三維位移場。
[0015]其中，步驟2或步驟4中，所述三維成像采用的是X射線斷層照相、伽馬射線斷層照相、中子斷層照相或共聚焦顯微鏡中的任意一種。
[0016]其中，所述X射線斷層照相包括醫用X射線斷層照相、工業X射線斷層照相、顯微X射線斷層照相或納米X射線斷層照相。
[0017]其中，步驟I中，所述配準用標記物為具有圖像襯度的物質。
[0018]其中，步驟3中，所述異位變形包括力學變形、溫度變形或化學變形。
[0019]其中，所述力學變形包括采用拉、壓、彎、扭、沖擊或者耦合方式。
[0020]有益效果:相比于原位數字體積相關方法，本發明的異位數字體積相關方法解決了原位在線實驗的難題，可以異位在線研究各種材料與結構的變形，相對于原位加載實驗的苛刻要求，異位加載實驗可以相對容易實現，從而可以研究各種復雜加載變形，比如各種荷載耦合下的變形另外，本發明還可以應用于各種塑性殘余變形；本發明的異位數字體積相關方法不但可以應用于力學變形，還可以應用于需要長時間的化學變形以及條件非常苛刻的高低溫變形去進行實驗研究；總之本發明的異位數字體積相關方法避免了原位數字體積相關方法要求原位在線實驗的困難，大大拓展了數字體積相關方法的應用空間，為數字體積相關方法在實驗力學中的廣泛應用產生了重要的推動作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明方法的原理示意圖，其中，狀態(I)是樣品變形前的狀態，狀態(2)是樣品異位變形后的狀態，狀態(3)是虛擬的經配準后的樣品變形前的狀態，I是配準用標記物，II是待測樣品，III是剛性基體；
[0022]圖2為本發明實施例1中第一次X三維成像(X射線斷層照相)獲得的三維圖像數據 G1 (X，y, z)；
[0023]圖3為本發明實施例1中第二次X三維成像(X射線斷層照相)獲得的三維圖像數據 G2 (X，y, z)；
[0024]圖4為本發明實施例1中樣品變形前后沿著X方向的位移場；
[0025]圖5為本發明實施例1中樣品變形前后沿著Y方向的位移場；
[0026]圖6為本發明實施例1中樣品變形前后沿著Z方向的位移場。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和實施例，對本發明的技術方案進行詳細說明。
[0028]如圖1所示，本發明的基于圖像配準的異位數字體積相關方法，包括以下步驟:
[0029]步驟1，將待測樣品II和配準用標記物I固定在一個剛性基體III上，得到狀態(I)；(該配準用標記物I可以采用和待測樣品II 一樣的物質，剛性基體III要有足夠的剛度保證在后續步驟中不能變形，待測樣品I1、配準用標記物I以及剛性基體III三者間的固定沒有松動變形；)
[0030]步驟2，設定實驗參數，用X射線斷層照相方法對待測樣品I1、配準用標記物I以及剛性基體III整體進行第一次X三維成像，獲得狀態(I)的三維圖像數據G1 (x，y，z);本步驟中X射線斷層照相方法設定的斷層照相測試條件是指設定X射線斷層照相設備的加速電壓、電流、放大倍數和濾波片參數；
[0031]步驟3，將待測樣品II進行異位變形，同時保持I和III沒有變形，得到狀態(2);本步驟中的異位變形可以是各種力學變形，溫度變形，化學變形，其中的力學變形包括拉、壓、彎、扭、沖擊及其耦合方式；變形實驗過程要確保I和III沒有變形；
[0032]步驟4，對待測樣品I1、配準用標記物I以及剛性基體III整體進行第二次三維成像，獲得狀態(2)下的三維圖像數據G2 (x, y,z)；
[0033]步驟5，利用配準用標記物I在狀態(I)和狀態(2)中的三維數據進行三維數字圖像配準，獲得6個剛體運動自由度；本步驟中的三維數字圖像配準可以采用各種現有的圖像配準技術方法，比如基于特征對象的圖像配準方法，以及各種基于灰度的圖像配準方法;
[0034]步驟6，用步驟5中獲得的6個剛體運動自由度對G1 (x, y, z)計算獲得虛擬狀態
(3)的三維圖像數據G3 (x, y,z)；
[0035]步驟7,對G2 (X，y, z)和G3 (x, y, z)進行原位數字體積相關計算，即對G1 (x, y, z)和G2 U，y, z)的異位數字體積相關計算，本步驟中的原位數字體積相關計算可以采用各種現有的數字體積相關計算方法(DVC計算即為數字體積相關計算)。
[0036]結合圖1?6，對本發明的方法進行進一步說明，實施例1為泡沫鋁的沖擊變形研究實驗:
[0037]步驟1，將購買的商品泡沫鋁割切成40mmX40mmX IOmm小塊作為待測樣品II，將數毫米的小塊泡沫鋁作為配準用標記物I，選擇金屬鋁塊作為剛性基體III，用環氧樹脂將待測樣品II和配準用標記物I固定在剛性基體III上，這是狀態(I)；
[0038]步驟2，設定X射線斷層照相實驗參數(加速電壓195千伏，加速電流0.37毫安，放大倍數2.93倍，每幅投影I秒測量時間)，對1、I1、III整體進行第一次X射線斷層照相成像，獲得狀態(I)的三維圖像數據G1 (x，y，z)，如圖2所示；
[0039]步驟3，將待測樣品II進行落球沖擊變形實驗(落球重量175.78克，落球速度4.02米每秒)，落球實驗過程要確保I和III沒有變形；這是狀態(2);
[0040]步驟4，利用和步驟2相同的X射線斷層照相實驗參數對1、I1、III整體進行第二次三維成像，獲得狀態(2)的三維圖像數據G2 U，y, z)，如圖3所示；
[0041]步驟5，利用I在狀態(I)和狀態(2)中的三維數據進行三維數字圖像配準，用基于灰度的圖像配準方法，獲得6個剛體運動自由度為(-8.42，-1.80，1.38，-0.05，0.57，0.2
O)；
[0042]步驟6，用步驟 5 中獲得的自由度(-8.42，-1.80，1.38，-0.05，0.57，0.20)對 G1(X，y, z)配準計算獲得虛擬狀態(3)的三維圖像數據G3 (x,y,z)；
[0043]步驟7,對G2 (X，y, z)和G3 (x, y, z)進行原位數字體積相關計算，即對G1 (x,y,z)和G2(x，y, z)的異位數字體積相關計算，即可獲得樣品II變形前后的三維位移場，如圖4?6所示。
[0044]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。
【權利要求】
1.一種基于圖像配準的異位數字體積相關方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1，將樣品和配準用標記物固定在剛性基體上； 步驟2，對樣品、配準用標記物以及剛性基體作為整體進行第一次三維成像，得到樣品待測前樣品、配準用標記物以及剛性基體的三維圖像數據G1 U，y,z)； 步驟3，對樣品進行異位變形，同時保持配準用標記物和剛性基體沒有變形； 步驟4，對異位變形后的樣品以及沒有變形的配準用標記物和剛性基體整體進行第二次三維成像，得到樣品異位變形后樣品、配準用標記物以及剛性基體的三維圖像數據G2(x,y,z)； 步驟5，將配準用標記物在樣品待測前的三維圖像數據G1 U，y, z)和在樣品異位變形后的三維圖像數據G2 (X，y，z)進行三維數字圖像配準，獲得6個剛體運動自由度； 步驟6，將步驟5得到的6個剛體運動自由度對G1 U，y, z)計算，得到模擬的三維圖像數據 G3 (X，y, z)； 步驟7,將G2 (1，7^)和63 (X，y, z)進行原位數字體積相關計算，即可得到樣品變形前后的三維位移場。
2.根據權利要求1所述的基于圖像配準的異位數字體積相關方法，其特征在于:步驟2或步驟4中，所述三維成像采用的是X射線斷層照相、伽馬射線斷層照相、中子斷層照相或共聚焦顯微鏡中的任意一種。
3.根據權利要求2所述的基于圖像配準的異位數字體積相關方法，其特征在于:所述X射線斷層照相包括醫用X射線斷層照相、工業X射線斷層照相、顯微X射線斷層照相或納米X射線斷層照相。
4.根據權利要求1所述的基于圖像配準的異位數字體積相關方法，其特征在于:步驟I中，所述配準用標記物為具有圖像襯度的物質。
5.根據權利要求1所述的基于圖像配準的異位數字體積相關方法，其特征在于:步驟3中，所述異位變形包括力學變形、溫度變形或化學變形。
6.根據權利要求5所述的基于圖像配準的異位數字體積相關方法，其特征在于:所述力學變形包括采用拉、壓、彎、扭、沖擊或者耦合方式。
【文檔編號】G01N3/00GK103743621SQ201410003602
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月3日 優先權日:2014年1月3日
【發明者】萬克樹, 楊鵬 申請人:東南大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
