DVC原理及其应用课件

DVC原理及其应用,小组成员：xxxxxxxxx2016.4.13,DVC,全称DigitalVolumeCorrelation中文名称数字体图像相关方法,起源：20世纪80年代提出的DIC(数字图像相关方法)方法具有全场非接触测量、实验设备和测量过程简单、适用范围广泛等优点受到了普遍重视和广泛应用。但是DIC方法只能提取物体表面的变形信息，而物体在受载情况下其内部变形信息和表面变形信息一般是不同的。人们希望能够得到物体内部的变形信息,于是一种新的方法DVC应运而生。,1999年B.K.Bay等提出了数字体图像相关方法（DigitalVolumeCorrelation,DVC）,他们用显微计算机层析摄影（CT）重建了圆柱形松质骨试样变形前后的数字体图像，随后通过跟踪变形前后体图像中的相同点来计算各点的3D位移矢量，对位移矢量进行差分获得3D应变场，他们称这种物体内部3D变形测量方法为数字体图像相关（DVC）方法。,DVC方法处理的是体成像设备（如显微CT，激光扫描共焦显微镜）所获得同一物体内部在变形前后的两幅体图像,DVC方法的基本原理,变形前体图像,变形后体图像,DVC方法通过精确跟踪参考体图像f(x,y,z)内各离散点在变形后体图像中的位置来计算各点的3D位移矢量。由于记录数字图像灰度范围的有限性我们无法跟踪一个体素点的3D位移，为准确跟踪某一点P(x,y,z)的3D位移，需以该体素点为中心取一立方体小方块(sub-volume,子体块)通过跟踪参考图像中选定的参考子体块在变形后体图像中的精确位置来确定该子体块中心点的位移分量u,v,w.,对于一个包括n=(2M+1)(2M+1)(2M+1)体素的参考子体块，可通过在变形后体图像中逐体素移动位置，寻找与其灰度相似程度最大的目标子体块来确定其整体素位移。变形前后子体块的相似程度可用零均值归一化互相关函数(ZNCC)来定量评价：,体素(voxel)是体积元素(volumepixel)的简称。是数字数据于三维空间分割上的最小单位，即体图像的最小单位,式中：,DVC方法测量物体内部三维变形场的过程可分为三步：,(1)数字体图像采集：用先进的体成像设备（如显微CT，激光扫描共焦显微镜）获取被测试样内部的三维数字体图像；,(2)三维位移场计算：在参考体图像中指定离散分布的计算点，利用图像跟踪算法精确计算每一个计算点在变形后体图像中的精确位置，提取其3D位移矢量，对多个计算点重复这一过程获得三维位移矢量场。由于各种因素的原因该三维位移矢量场不可避免的包含噪声；,(3)三维应变场计算：从含噪声的三维位移矢量场中采用合适的差分算法计算应变场；,第(3)步得到的应变场的精度很大程度上取决于位移场测量的准确度和精度，因此DVC方法的关键在于如何尽可能精准的获得三维位移矢量即提高第二步的测量精度。,亚体素：每两个体素之间在宏观上看起来是连在一起的，但在微观上它们之间还是有一定的距离，它们之间还有无限更小的东西存在，我们称之为亚体素,基于梯度的亚体素位移测量算法,在实际的变形测量中，当子体块尺寸足够小且物体做微小位移时，该子区可看成近似刚体运动，且变形前后同一点的灰度保持不变，此时有,式中,（1）,（2）,其中,（3）,上式中的矩阵A,B仅与各点的灰度和灰度梯度有关，体图像中各点的灰度值为固定值，因此灰度梯度的算法是关键，根据文献选择精度最高的Barron算子来计算灰度梯度。对于图像坐标为（x,y,z）的点，Barron算子计算灰度梯度的具体方法如下：,由于DVC方法可以测得物体内部的变形场和应变场，因此在很多科研领域都有应用,DVC的一些应用,1.基于CT数字体相关法测量红砂岩单轴压缩内部三维应变场,2.基于显微CT的骨微观三维变形场测量系统的研究,3.运用数字体相关方法追踪呼吸过程中肺部肿瘤和胸腔的运动,基于CT数字体相关法测量红砂岩单轴压缩内部三维应变场,基于X射线工业CT实时获取单轴压缩过程中红砂岩试件的三维数字体图像，采用数字体相关(digitalvolumecorrelation，DVC)法测量、分析受载过程中试件内部三维变形场及应变场。通过位移场和应变场的分析，揭示试件内部应变局部化演变及破坏过程。红砂岩内部结构可以作为散斑结构，成为变形信息的载体，DVC法的精度可达0.05体素；红砂岩变形破坏中存在明显的应变局部化特征，在峰值荷载的68.9%时试件内部出现应变局部化区域，并逐渐发展至试件破坏，局部化区域与试件最终破坏面位置相一致。研究结果表明，DVC法测量结果能够直观地反映出试件内部应变局部化特点及其演化的过程，为岩石内部变形可视化提供了方法。,工业CT系统及加载装置,目的初步构建一套集成显微CT与力学加载装置的测试系统，结合数字体相父技术(digitalvolumecorrelation，DVC)实现骨组织内部微观i维变形场的测馈，方法选用微型力学加载装置进行申轴眶缩试验，维持载倚不变的同时对试样进行CT扫描；采用DVC方法对连续CT图像序列进行相关匹配和搜索计算测量载荷变化前后试样内部结构沿三维方向的微观位移值；通过零位移重复扫描和刚体平移评价该系统的测量精度及准确度；利用该系统测试牛松质骨块的三维位移场分布。结果零位移重复扫描结果显示该系统测量沿加载方向的位移准确度最高，测量精度低于cT扫描分辨率的110；刚体平移结果显示计算位移标准差为00010002um；松质骨块测试区域在600N载荷作用下沿加载方向的微观位移范用为1003511025um。位移场呈现多层逐级分布。该系统能够满足数字体相关法测量位移的准确度及精度要求，能够实现骨组织内部微观结构的三维变形场测量，可以作为进一步研究骨组织内部变形分布与结构成分响应关系的测量平台。,基于显微CT的骨微观三维变形场测量系统的研究,目的研究数字体相关(digitalvolumecorrelation，DVC)方法测量肺部肿瘤和胸腔随患者呼吸运动的变形及位移情况的可行性。方法利用DVC跟踪胸腔内组织三维运动的算法，通过四维CT成像技术拍摄肺癌患者一个完整的呼吸过程。以吸气开始为初始状态，确定肿瘤和胸腔位置，运用DVC软件，分析初始状态下肺部4个特征体域在20、40、60、80和100呼吸相位下以及胸腔上4个特征体域在100呼吸相位下的三维位移值。结果肿瘤的位移和变形的误差在1mm以内，胸腔的位移和变形的误差在05mm以内；肿瘤在呼吸过程中沿人体竖直方向运动最大，胸腔在吸气结束时刻沿人体前后方向运动最大。结论DVC测试技术可用于检测呼吸过程中肺部肿瘤和胸腔等胸部组织的位移和变形情况。本研究为基于DVC方法实现肺部肿瘤无创、非射线、实时的图像引导放射治疗提供了依据。,运用数字体相关方法追踪呼吸过程中肺部肿瘤和胸腔的运动,参考文献：,潘兵,吴大方,谢惠明,胡振新.基于梯度的数字体图像相关法测量物体的内部变形.光学学报,2011(6).潘兵,吴大方,郭保桥.数字体图像相关法中基于迭代最小二乘法的物体内部变形测量.实验力学,2011(6).百度百科数字图像毛灵涛,袁则循,连秀云,等.基于CT数字体