一种基于图像配准的异位数字体积相关方法

摘要

本发明公开了一种基于图像配准的异位数字体积相关方法，包括如下步骤：将样品和配准用标记物固定在刚性基体上；对样品、配准用标记物以及刚性基体整体进行第一次三维成像，得到第一次三维成像的三维图像数据G

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于图像配准的异位数字体积相关方法，属于光测实验力学 领域。

背景技术

数字体积相关方法(英文全称：Digital Volume Correlation，缩写：DVC)于1999 年由初由美国加州大学的B.K.Bay等(Bay B K,Smith T S,Fyherie D P,et al. Digital volume correlation:Three-dimensional strain mapping using X-ray  tomography[J].Experimental Mechanics,1999,39(3):217～226)在传统的数字图像 相关方法DIC(英文全称：Digital Image Correlation，缩写：DIC)的基础上发明的。 它通过对变形前后采集的物体内部的三维数字图像进行相关计算，获得样品内各 点得位移值，即三维位移场；在原位前提下，物体各点的三维位移场反应了三维 变形场，从而实现了三维变形及应变的测量。

相对于传统的DIC只能测量样品表面的二维变形，DVC能够测量样品内部 的变形，且测量的位移与应变是三维的。目前，DVC已经成为光测实验力学中 的热门研究领域，并在材料力学、结构力学、生物力学等方面有广泛的应用，是 目前唯一能直接测量材料内部三维变形的实验方法。

DVC原理要求变形前后的测试必须原位，若有刚体位移存在，则DVC计算 结果既包含刚体位移，又包含变形位移，无法区分。在实际应用中，DVC需要 用到三维数字图像数据。现有的三维成像技术包括X射线断层照相，伽马射线 断层照相，中子断层照相，共聚焦显微镜等。不管哪一种三维成像技术都存在原 位实验的困难性。比如常用的断层照相，其原位实验的困难主要在于断层照相需 要样品和射线源/探测器之间要相对转动一圈。虽然有一些原位加载工具，比如 中国发明专利ZL201110163456.6（基于X射线断层照相的原位加载装置），但毕 竟只能用于简单的加载。而且有些变形问题的原位在线实验非常困难，比如冲 击变形，温度变形，化学变形等，均难以在三维成像设备中原位进行。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种基于图像配准的异位数字 体积相关方法。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种基于图像配准的异位数字体积相关方法，包括如下步骤：

步骤1，将待测样品和配准用标记物固定在刚性基体上；

步骤2，对步骤1的样品、配准用标记物以及刚性基体作为整体进行第一次 三维成像，得到样品待测前样品、配准用标记物以及刚性基体的三维图像数据 G₁（x,y,z）；

步骤3，将样品进行异位变形，同时保持配准用标记物和刚性基体没有变形；

步骤4，对异位变形后的样品以及没有变形的配准用标记物和刚性基体整体 进行第二次三维成像，得到样品异位变形后样品、配准用标记物以及刚性基体的 三维图像数据G₂（x,y,z）；

步骤5，将配准用标记物在样品待测前的三维图像数据G₁（x,y,z）和在样品 异位变形后的三维图像数据G₂（x,y,z）进行三维数字图像配准，获得6个刚体运 动自由度；

步骤6，将步骤5得到的6个刚体运动自由度对G₁（x,y,z）计算，得到模拟 的三维图像数据G₃（x,y,z）；

步骤7，将G₂（x,y,z）和G₃（x,y,z）进行原位数字体积相关计算，即可得到 样品变形前后的三维位移场。

其中，步骤2或步骤4中，所述三维成像采用的是X射线断层照相、伽马 射线断层照相、中子断层照相或共聚焦显微镜中的任意一种。

其中，所述X射线断层照相包括医用X射线断层照相、工业X射线断层照 相、显微X射线断层照相或纳米X射线断层照相。

其中，步骤1中，所述配准用标记物为具有图像衬度的物质。

其中，步骤3中，所述异位变形包括力学变形、温度变形或化学变形。

其中，所述力学变形包括采用拉、压、弯、扭、冲击或者耦合方式。

有益效果：相比于原位数字体积相关方法，本发明的异位数字体积相关方法 解决了原位在线实验的难题，可以异位在线研究各种材料与结构的变形，相对于 原位加载实验的苛刻要求，异位加载实验可以相对容易实现，从而可以研究各种 复杂加载变形，比如各种荷载耦合下的变形另外，本发明还可以应用于各种塑性 残余变形；本发明的异位数字体积相关方法不但可以应用于力学变形，还可以应 用于需要长时间的化学变形以及条件非常苛刻的高低温变形去进行实验研究；总 之本发明的异位数字体积相关方法避免了原位数字体积相关方法要求原位在线 实验的困难，大大拓展了数字体积相关方法的应用空间，为数字体积相关方法在 实验力学中的广泛应用产生了重要的推动作用。

附图说明

图1为本发明方法的原理示意图，其中，状态(1)是样品变形前的状态，状 态(2)是样品异位变形后的状态，状态(3)是虚拟的经配准后的样品变形前的状态， I是配准用标记物，II是待测样品，III是刚性基体；

图2为本发明实施例1中第一次X三维成像（X射线断层照相）获得的三 维图像数据G₁（x,y,z）；

图3为本发明实施例1中第二次X三维成像（X射线断层照相）获得的三 维图像数据G₂（x,y,z）；

图4为本发明实施例1中样品变形前后沿着X方向的位移场；

图5为本发明实施例1中样品变形前后沿着Y方向的位移场；

图6为本发明实施例1中样品变形前后沿着Z方向的位移场。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明的基于图像配准的异位数字体积相关方法，包括以下步 骤：

步骤1，将待测样品II和配准用标记物I固定在一个刚性基体III上，得到 状态(1)；（该配准用标记物I可以采用和待测样品II一样的物质，刚性基体III 要有足够的刚度保证在后续步骤中不能变形，待测样品II、配准用标记物I以及 刚性基体III三者间的固定没有松动变形；）

步骤2，设定实验参数，用X射线断层照相方法对待测样品II、配准用标记 物I以及刚性基体III整体进行第一次X三维成像，获得状态(1)的三维图像数据 G₁（x,y,z）；本步骤中X射线断层照相方法设定的断层照相测试条件是指设定X 射线断层照相设备的加速电压、电流、放大倍数和滤波片参数；

步骤3，将待测样品II进行异位变形，同时保持I和III没有变形，得到状 态(2)；本步骤中的异位变形可以是各种力学变形，温度变形，化学变形，其中 的力学变形包括拉、压、弯、扭、冲击及其耦合方式；变形实验过程要确保I和 III没有变形；

步骤4，对待测样品II、配准用标记物I以及刚性基体III整体进行第二次三 维成像，获得状态(2)下的三维图像数据G₂（x,y,z）；

步骤5，利用配准用标记物I在状态(1)和状态(2)中的三维数据进行三维数字 图像配准，获得6个刚体运动自由度；本步骤中的三维数字图像配准可以采用各 种现有的图像配准技术方法，比如基于特征对象的图像配准方法，以及各种基于 灰度的图像配准方法；

步骤6，用步骤5中获得的6个刚体运动自由度对G₁（x,y,z）计算获得虚拟 状态(3)的三维图像数据G₃（x,y,z）；

步骤7，对G₂（x,y,z）和G₃（x,y,z）进行原位数字体积相关计算，即对 G₁（x,y,z）和G₂（x,y,z）的异位数字体积相关计算，本步骤中的原位数字体积相 关计算可以采用各种现有的数字体积相关计算方法（DVC计算即为数字体积相 关计算）。

结合图1～6，对本发明的方法进行进一步说明，实施例1为泡沫铝的冲击变 形研究实验：

步骤1，将购买的商品泡沫铝割切成40mm×40mm×10mm小块作为待测样 品II，将数毫米的小块泡沫铝作为配准用标记物I，选择金属铝块作为刚性基体 III，用环氧树脂将待测样品II和配准用标记物I固定在刚性基体III上，这是状 态(1)；

步骤2，设定X射线断层照相实验参数（加速电压195千伏，加速电流0.37 毫安，放大倍数2.93倍，每幅投影1秒测量时间），对I、II、III整体进行第一 次X射线断层照相成像，获得状态(1)的三维图像数据G₁（x,y,z），如图2所示；

步骤3，将待测样品II进行落球冲击变形实验（落球重量175.78克，落球 速度4.02米每秒），落球实验过程要确保I和III没有变形；这是状态(2)；

步骤4，利用和步骤2相同的X射线断层照相实验参数对I、II、III整体进 行第二次三维成像，获得状态(2)的三维图像数据G₂（x,y,z），如图3所示；

步骤5，利用I在状态(1)和状态(2)中的三维数据进行三维数字图像配准，用 基于灰度的图像配准方法，获得6个刚体运动自由度为(-8.42,-1.80,1.38,-0.05, 0.57,0.20)；

步骤6，用步骤5中获得的自由度(-8.42,-1.80,1.38,-0.05,0.57,0.20)对 G₁（x,y,z）配准计算获得虚拟状态(3)的三维图像数据G₃（x,y,z）；

步骤7，对G₂（x,y,z）和G₃（x,y,z）进行原位数字体积相关计算，即对 G₁（x,y,z）和G₂（x,y,z）的异位数字体积相关计算，即可获得样品II变形前后的 三维位移场，如图4～6所示。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发 明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上 还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以 穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明 的保护范围之中。