一種基于圖像配準(zhǔn)的異位數(shù)字體積相關(guān)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于圖像配準(zhǔn)的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，包括如下步驟：將樣品和配準(zhǔn)用標(biāo)記物固定在剛性基體上；對(duì)樣品、配準(zhǔn)用標(biāo)記物以及剛性基體整體進(jìn)行第一次三維成像，得到第一次三維成像的三維圖像數(shù)據(jù)G1（x,y,z）；對(duì)樣品進(jìn)行異位變形，同時(shí)保持配準(zhǔn)用標(biāo)記物和剛性基體沒(méi)有變形；對(duì)異位變形后的樣品以及沒(méi)有變形的配準(zhǔn)用標(biāo)記物和剛性基體整體進(jìn)行第二次三維成像，得到第二次三維成像的三維圖像數(shù)據(jù)G2（x,y,z）；將配準(zhǔn)用標(biāo)記物的三維圖像數(shù)據(jù)G1（x,y,z）和G2（x,y,z）進(jìn)行配準(zhǔn)，獲得6個(gè)剛體運(yùn)動(dòng)自由度；將步驟5得到的自由度對(duì)G1（x,y,z）計(jì)算，得到模擬的三維圖像數(shù)據(jù)G3（x,y,z）；將G2（x,y,z）和G3（x,y,z）進(jìn)行原位數(shù)字體積相關(guān)計(jì)算，即可得到樣品變形前后的三維位移場(chǎng)。
【專利說(shuō)明】一種基于圖像配準(zhǔn)的異位數(shù)字體積相關(guān)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于圖像配準(zhǔn)的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，屬于光測(cè)實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)字體積相關(guān)方法(英文全稱:Digital Volume Correlation,縮寫(xiě):DVC)于1999年由初由美國(guó)加州大學(xué)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(tǒng)的數(shù)字圖像相關(guān)方法DIC (英文全稱:Digital Image Correlation,縮寫(xiě):DIC)的基礎(chǔ)上發(fā)明的。它通過(guò)對(duì)變形前后采集的物體內(nèi)部的三維數(shù)字圖像進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，獲得樣品內(nèi)各點(diǎn)得位移值，即三維位移場(chǎng)；在原位前提下，物體各點(diǎn)的三維位移場(chǎng)反應(yīng)了三維變形場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了三維變形及應(yīng)變的測(cè)量。
[0003]相對(duì)于傳統(tǒng)的DIC只能測(cè)量樣品表面的二維變形，DVC能夠測(cè)量樣品內(nèi)部的變形，且測(cè)量的位移與應(yīng)變是三維的。目前，DVC已經(jīng)成為光測(cè)實(shí)驗(yàn)力學(xué)中的熱門(mén)研究領(lǐng)域，并在材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、生物力學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用，是目前唯一能直接測(cè)量材料內(nèi)部三維變形的實(shí)驗(yàn)方法。
[0004]DVC原理要求變形前后的測(cè)試必須原位，若有剛體位移存在，則DVC計(jì)算結(jié)果既包含剛體位移，又包含變形位移，無(wú)法區(qū)分。在實(shí)際應(yīng)用中，DVC需要用到三維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的三維成像技術(shù)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(shù)都存在原位實(shí)驗(yàn)的困難性。比如常用的斷層照相，其原位實(shí)驗(yàn)的困難主要在于斷層照相需要樣品和射線源/探測(cè)器之間要相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。雖然有一些原位加載工具，比如中國(guó)發(fā)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(jiǎn)單的加載。而且有些變形問(wèn)題的原位在線實(shí)驗(yàn)非常困難，比如沖擊變形，溫度變形，化學(xué)變形等，均難以在三維成像設(shè)備中原位進(jìn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于圖像配準(zhǔn)的異位數(shù)字體積相關(guān)方法。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】
:為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種基于圖像配準(zhǔn)的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，包括如下步驟:
[0008]步驟1，將待測(cè)樣品和配準(zhǔn)用標(biāo)記物固定在剛性基體上；
[0009]步驟2，對(duì)步驟I的樣品、配準(zhǔn)用標(biāo)記物以及剛性基體作為整體進(jìn)行第一次三維成像，得到樣品待測(cè)前樣品、配準(zhǔn)用標(biāo)記物以及剛性基體的三維圖像數(shù)據(jù)G1 U，y, z)；
[0010]步驟3，將樣品進(jìn)行異位變形，同時(shí)保持配準(zhǔn)用標(biāo)記物和剛性基體沒(méi)有變形；
[0011]步驟4，對(duì)異位變形后的樣品以及沒(méi)有變形的配準(zhǔn)用標(biāo)記物和剛性基體整體進(jìn)行第二次三維成像，得到樣品異位變形后樣品、配準(zhǔn)用標(biāo)記物以及剛性基體的三維圖像數(shù)據(jù)G2 (x, y, z)；
[0012]步驟5，將配準(zhǔn)用標(biāo)記物在樣品待測(cè)前的三維圖像數(shù)據(jù)G1 (X，y, z)和在樣品異位變形后的三維圖像數(shù)據(jù)G2 (X，y，z)進(jìn)行三維數(shù)字圖像配準(zhǔn)，獲得6個(gè)剛體運(yùn)動(dòng)自由度；
[0013]步驟6，將步驟5得到的6個(gè)剛體運(yùn)動(dòng)自由度對(duì)G1 U，y, z)計(jì)算，得到模擬的三維圖像數(shù)據(jù)G3 (x, y, z)；
[0014]步驟7，將G2 (X，y, z)和G3 (x, y, z)進(jìn)行原位數(shù)字體積相關(guān)計(jì)算，即可得到樣品變形前后的三維位移場(chǎng)。
[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(yī)用X射線斷層照相、工業(yè)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(zhǔn)用標(biāo)記物為具有圖像襯度的物質(zhì)。
[0018]其中，步驟3中，所述異位變形包括力學(xué)變形、溫度變形或化學(xué)變形。
[0019]其中，所述力學(xué)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(shù)字體積相關(guān)方法，本發(fā)明的異位數(shù)字體積相關(guān)方法解決了原位在線實(shí)驗(yàn)的難題，可以異位在線研究各種材料與結(jié)構(gòu)的變形，相對(duì)于原位加載實(shí)驗(yàn)的苛刻要求，異位加載實(shí)驗(yàn)可以相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，從而可以研究各種復(fù)雜加載變形，比如各種荷載耦合下的變形另外，本發(fā)明還可以應(yīng)用于各種塑性殘余變形；本發(fā)明的異位數(shù)字體積相關(guān)方法不但可以應(yīng)用于力學(xué)變形，還可以應(yīng)用于需要長(zhǎng)時(shí)間的化學(xué)變形以及條件非?？量痰母叩蜏刈冃稳ミM(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；總之本發(fā)明的異位數(shù)字體積相關(guān)方法避免了原位數(shù)字體積相關(guān)方法要求原位在線實(shí)驗(yàn)的困難，大大拓展了數(shù)字體積相關(guān)方法的應(yīng)用空間，為數(shù)字體積相關(guān)方法在實(shí)驗(yàn)力學(xué)中的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了重要的推動(dòng)作用。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明方法的原理示意圖，其中，狀態(tài)(I)是樣品變形前的狀態(tài)，狀態(tài)(2)是樣品異位變形后的狀態(tài)，狀態(tài)(3)是虛擬的經(jīng)配準(zhǔn)后的樣品變形前的狀態(tài)，I是配準(zhǔn)用標(biāo)記物，II是待測(cè)樣品，III是剛性基體；
[0022]圖2為本發(fā)明實(shí)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(shù)據(jù) G1 (X，y, z)；
[0023]圖3為本發(fā)明實(shí)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(shù)據(jù) G2 (X，y, z)；
[0024]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中樣品變形前后沿著X方向的位移場(chǎng)；
[0025]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中樣品變形前后沿著Y方向的位移場(chǎng)；
[0026]圖6為本發(fā)明實(shí)施例1中樣品變形前后沿著Z方向的位移場(chǎng)。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明的基于圖像配準(zhǔn)的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，包括以下步驟:
[0029]步驟1，將待測(cè)樣品II和配準(zhǔn)用標(biāo)記物I固定在一個(gè)剛性基體III上，得到狀態(tài)(I)；(該配準(zhǔn)用標(biāo)記物I可以采用和待測(cè)樣品II 一樣的物質(zhì)，剛性基體III要有足夠的剛度保證在后續(xù)步驟中不能變形，待測(cè)樣品I1、配準(zhǔn)用標(biāo)記物I以及剛性基體III三者間的固定沒(méi)有松動(dòng)變形；)
[0030]步驟2，設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，用X射線斷層照相方法對(duì)待測(cè)樣品I1、配準(zhǔn)用標(biāo)記物I以及剛性基體III整體進(jìn)行第一次X三維成像，獲得狀態(tài)(I)的三維圖像數(shù)據(jù)G1 (x，y，z);本步驟中X射線斷層照相方法設(shè)定的斷層照相測(cè)試條件是指設(shè)定X射線斷層照相設(shè)備的加速電壓、電流、放大倍數(shù)和濾波片參數(shù)；
[0031]步驟3，將待測(cè)樣品II進(jìn)行異位變形，同時(shí)保持I和III沒(méi)有變形，得到狀態(tài)(2);本步驟中的異位變形可以是各種力學(xué)變形，溫度變形，化學(xué)變形，其中的力學(xué)變形包括拉、壓、彎、扭、沖擊及其耦合方式；變形實(shí)驗(yàn)過(guò)程要確保I和III沒(méi)有變形；
[0032]步驟4，對(duì)待測(cè)樣品I1、配準(zhǔn)用標(biāo)記物I以及剛性基體III整體進(jìn)行第二次三維成像，獲得狀態(tài)(2)下的三維圖像數(shù)據(jù)G2 (x, y,z)；
[0033]步驟5，利用配準(zhǔn)用標(biāo)記物I在狀態(tài)(I)和狀態(tài)(2)中的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行三維數(shù)字圖像配準(zhǔn)，獲得6個(gè)剛體運(yùn)動(dòng)自由度；本步驟中的三維數(shù)字圖像配準(zhǔn)可以采用各種現(xiàn)有的圖像配準(zhǔn)技術(shù)方法，比如基于特征對(duì)象的圖像配準(zhǔn)方法，以及各種基于灰度的圖像配準(zhǔn)方法;
[0034]步驟6，用步驟5中獲得的6個(gè)剛體運(yùn)動(dòng)自由度對(duì)G1 (x, y, z)計(jì)算獲得虛擬狀態(tài)
(3)的三維圖像數(shù)據(jù)G3 (x, y,z)；
[0035]步驟7,對(duì)G2 (X，y, z)和G3 (x, y, z)進(jìn)行原位數(shù)字體積相關(guān)計(jì)算，即對(duì)G1 (x, y, z)和G2 U，y, z)的異位數(shù)字體積相關(guān)計(jì)算，本步驟中的原位數(shù)字體積相關(guān)計(jì)算可以采用各種現(xiàn)有的數(shù)字體積相關(guān)計(jì)算方法(DVC計(jì)算即為數(shù)字體積相關(guān)計(jì)算)。
[0036]結(jié)合圖1?6，對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，實(shí)施例1為泡沫鋁的沖擊變形研究實(shí)驗(yàn):
[0037]步驟1，將購(gòu)買(mǎi)的商品泡沫鋁割切成40mmX40mmX IOmm小塊作為待測(cè)樣品II，將數(shù)毫米的小塊泡沫鋁作為配準(zhǔn)用標(biāo)記物I，選擇金屬鋁塊作為剛性基體III，用環(huán)氧樹(shù)脂將待測(cè)樣品II和配準(zhǔn)用標(biāo)記物I固定在剛性基體III上，這是狀態(tài)(I)；
[0038]步驟2，設(shè)定X射線斷層照相實(shí)驗(yàn)參數(shù)(加速電壓195千伏，加速電流0.37毫安，放大倍數(shù)2.93倍，每幅投影I秒測(cè)量時(shí)間)，對(duì)1、I1、III整體進(jìn)行第一次X射線斷層照相成像，獲得狀態(tài)(I)的三維圖像數(shù)據(jù)G1 (x，y，z)，如圖2所示；
[0039]步驟3，將待測(cè)樣品II進(jìn)行落球沖擊變形實(shí)驗(yàn)(落球重量175.78克，落球速度4.02米每秒)，落球?qū)嶒?yàn)過(guò)程要確保I和III沒(méi)有變形；這是狀態(tài)(2);
[0040]步驟4，利用和步驟2相同的X射線斷層照相實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)1、I1、III整體進(jìn)行第二次三維成像，獲得狀態(tài)(2)的三維圖像數(shù)據(jù)G2 U，y, z)，如圖3所示；
[0041]步驟5，利用I在狀態(tài)(I)和狀態(tài)(2)中的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行三維數(shù)字圖像配準(zhǔn)，用基于灰度的圖像配準(zhǔn)方法，獲得6個(gè)剛體運(yùn)動(dòng)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(duì) G1(X，y, z)配準(zhǔn)計(jì)算獲得虛擬狀態(tài)(3)的三維圖像數(shù)據(jù)G3 (x,y,z)；
[0043]步驟7,對(duì)G2 (X，y, z)和G3 (x, y, z)進(jìn)行原位數(shù)字體積相關(guān)計(jì)算，即對(duì)G1 (x,y,z)和G2(x，y, z)的異位數(shù)字體積相關(guān)計(jì)算，即可獲得樣品II變形前后的三維位移場(chǎng)，如圖4?6所示。
[0044]顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。
【權(quán)利要求】
1.一種基于圖像配準(zhǔn)的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1，將樣品和配準(zhǔn)用標(biāo)記物固定在剛性基體上； 步驟2，對(duì)樣品、配準(zhǔn)用標(biāo)記物以及剛性基體作為整體進(jìn)行第一次三維成像，得到樣品待測(cè)前樣品、配準(zhǔn)用標(biāo)記物以及剛性基體的三維圖像數(shù)據(jù)G1 U，y,z)； 步驟3，對(duì)樣品進(jìn)行異位變形，同時(shí)保持配準(zhǔn)用標(biāo)記物和剛性基體沒(méi)有變形； 步驟4，對(duì)異位變形后的樣品以及沒(méi)有變形的配準(zhǔn)用標(biāo)記物和剛性基體整體進(jìn)行第二次三維成像，得到樣品異位變形后樣品、配準(zhǔn)用標(biāo)記物以及剛性基體的三維圖像數(shù)據(jù)G2(x,y,z)； 步驟5，將配準(zhǔn)用標(biāo)記物在樣品待測(cè)前的三維圖像數(shù)據(jù)G1 U，y, z)和在樣品異位變形后的三維圖像數(shù)據(jù)G2 (X，y，z)進(jìn)行三維數(shù)字圖像配準(zhǔn)，獲得6個(gè)剛體運(yùn)動(dòng)自由度； 步驟6，將步驟5得到的6個(gè)剛體運(yùn)動(dòng)自由度對(duì)G1 U，y, z)計(jì)算，得到模擬的三維圖像數(shù)據(jù) G3 (X，y, z)； 步驟7,將G2 (1，7^)和63 (X，y, z)進(jìn)行原位數(shù)字體積相關(guān)計(jì)算，即可得到樣品變形前后的三維位移場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像配準(zhǔn)的異位數(shù)字體積相關(guān)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(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像配準(zhǔn)的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，其特征在于:所述X射線斷層照相包括醫(yī)用X射線斷層照相、工業(yè)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像配準(zhǔn)的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，其特征在于:步驟I中，所述配準(zhǔn)用標(biāo)記物為具有圖像襯度的物質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像配準(zhǔn)的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，其特征在于:步驟3中，所述異位變形包括力學(xué)變形、溫度變形或化學(xué)變形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于圖像配準(zhǔn)的異位數(shù)字體積相關(guān)方法，其特征在于:所述力學(xué)變形包括采用拉、壓、彎、扭、沖擊或者耦合方式。
【文檔編號(hào)】G01N3/00GK103743621SQ201410003602
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】萬(wàn)克樹(shù), 楊鵬 申請(qǐng)人:東南大學(xué)