dvc原理及其應(yīng)用

1、DVC原理及其應(yīng)用,小組成員：xxx xxx xxx2016.4.13,DVC,全稱—Digital Volume Correlation中文名稱—數(shù)字體圖像相關(guān)方法,起源：20世紀(jì)80年代提出的DIC(數(shù)字圖像相關(guān)方法)方法具有全場(chǎng)非接觸測(cè)量、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單、適用范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)受到了普遍重視和廣泛應(yīng)用。但是DIC方法只能提取物體表面的變形信息，而物體在受載情況下其內(nèi)部變形信息和表面變形信息一般是不同的。人們希望能夠得到物

2、體內(nèi)部的變形信息,于是一種新的方法—DVC應(yīng)運(yùn)而生。,,1999年B. K. Bay等提出了數(shù)字體圖像相關(guān)方法（Digital Volume Correlation, DVC）,他們用顯微計(jì)算機(jī)層析攝影（CT）重建了圓柱形松質(zhì)骨試樣變形前后的數(shù)字體圖像，隨后通過(guò)跟蹤變形前后體圖像中的相同點(diǎn)來(lái)計(jì)算各點(diǎn)的3D位移矢量，對(duì)位移矢量進(jìn)行差分獲得3D應(yīng)變場(chǎng)，他們稱這種物體內(nèi)部3D變形測(cè)量方法為數(shù)字體圖像相關(guān)（DVC）方法。,DVC方法處理的是體成

3、像設(shè)備（如顯微CT，激光掃描共焦顯微鏡）所獲得同一物體內(nèi)部在變形前后的兩幅體圖像,DVC方法的基本原理,變形前體圖像,變形后體圖像,DVC方法通過(guò)精確跟蹤參考體圖像f(x,y,z)內(nèi)各離散點(diǎn)在變形后體圖像中的位置來(lái)計(jì)算各點(diǎn)的3D位移矢量。由于記錄數(shù)字圖像灰度范圍的有限性我們無(wú)法跟蹤一個(gè)體素點(diǎn)的3D位移，為準(zhǔn)確跟蹤某一點(diǎn)P(x,y,z)的3D位移，需以該體素點(diǎn)為中心取一立方體小方塊(sub-volume,子體塊)通過(guò)跟蹤參考圖像中選定的參

4、考子體塊在變形后體圖像中的精確位置來(lái)確定該子體塊中心點(diǎn)的位移分量u,v,w .,對(duì)于一個(gè)包括n=(2M+1)×(2M+1)×(2M+1)體素的參考子體塊，可通過(guò)在變形后體圖像中逐體素移動(dòng)位置，尋找與其灰度相似程度最大的目標(biāo)子體塊來(lái)確定其整體素位移。變形前后子體塊的相似程度可用零均值歸一化互相關(guān)函數(shù)(ZNCC)來(lái)定量評(píng)價(jià)：,體素(voxel)——是體積元素(volumepixel)的簡(jiǎn)稱。是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)于三維空間分割上的最

5、小單位，即體圖像的最小單位,式中：,DVC方法測(cè)量物體內(nèi)部三維變形場(chǎng)的過(guò)程可分為三步：,(1) 數(shù)字體圖像采集：用先進(jìn)的體成像設(shè)備（如顯微CT，激光掃描共焦顯微鏡）獲取被測(cè)試樣內(nèi)部的三維數(shù)字體圖像；,(2) 三維位移場(chǎng)計(jì)算：在參考體圖像中指定離散分布的計(jì)算點(diǎn)，利用圖像跟蹤算法精確計(jì)算每一個(gè)計(jì)算點(diǎn)在變形后體圖像中的精確位置，提取其3D位移矢量，對(duì)多個(gè)計(jì)算點(diǎn)重復(fù)這一過(guò)程獲得三維位移矢量場(chǎng)。由于各種因素的原因該三維位移矢量場(chǎng)不可避免的包含噪聲

6、；,(3) 三維應(yīng)變場(chǎng)計(jì)算：從含噪聲的三維位移矢量場(chǎng)中采用合適的差分算法計(jì)算應(yīng)變場(chǎng)；,第(3)步得到的應(yīng)變場(chǎng)的精度很大程度上取決于位移場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確度和精度，因此DVC方法的關(guān)鍵在于如何盡可能精準(zhǔn)的獲得三維位移矢量即提高第二步的測(cè)量精度。,亞體素：每?jī)蓚€(gè)體素之間在宏觀上看起來(lái)是連在一起的，但在微觀上它們之間還是有一定的距離，它們之間還有無(wú)限更小的東西存在，我們稱之為亞體素,基于梯度的亞體素位移測(cè)量算法,在實(shí)際的變形測(cè)量中，當(dāng)子體塊尺寸足夠

7、小且物體做微小位移時(shí)，該子區(qū)可看成近似剛體運(yùn)動(dòng)，且變形前后同一點(diǎn)的灰度保持不變，此時(shí)有,式中,,（1）,（2）,其中,（3）,上式中的矩陣A,B僅與各點(diǎn)的灰度和灰度梯度有關(guān)，體圖像中各點(diǎn)的灰度值為固定值，因此灰度梯度的算法是關(guān)鍵，根據(jù)文獻(xiàn)選擇精度最高的Barron算子來(lái)計(jì)算灰度梯度。對(duì)于圖像坐標(biāo)為（x,y,z）的點(diǎn)，Barron算子計(jì)算灰度梯度的具體方法如下：,由于DVC方法可以測(cè)得物體內(nèi)部的變形場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，因此在很多科研領(lǐng)域都有應(yīng)用,

8、DVC的一些應(yīng)用,1. 基于CT 數(shù)字體相關(guān)法測(cè)量紅砂巖單軸壓縮內(nèi)部三維應(yīng)變場(chǎng),2. 基于顯微CT的骨微觀三維變形場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的研究,3. 運(yùn)用數(shù)字體相關(guān)方法追蹤呼吸過(guò)程中肺部腫瘤和胸腔的運(yùn)動(dòng),基于CT 數(shù)字體相關(guān)法測(cè)量紅砂巖單軸壓縮內(nèi)部三維應(yīng)變場(chǎng),基于X 射線工業(yè)CT 實(shí)時(shí)獲取單軸壓縮過(guò)程中紅砂巖試件的三維數(shù)字體圖像，采用數(shù)字體相關(guān)(digital volume correlation，DVC)法測(cè)量、分析受載過(guò)程中試件內(nèi)部三維變形場(chǎng)及

9、應(yīng)變場(chǎng)。通過(guò)位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的分析，揭示試件內(nèi)部應(yīng)變局部化演變及破壞過(guò)程。紅砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以作為散斑結(jié)構(gòu)，成為變形信息的載體，DVC 法的精度可達(dá)0.05 體素；紅砂巖變形破壞中存在明顯的應(yīng)變局部化特征，在峰值荷載的68.9%時(shí)試件內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)變局部化區(qū)域，并逐漸發(fā)展至試件破壞，局部化區(qū)域與試件最終破壞面位置相一致。研究結(jié)果表明，DVC 法測(cè)量結(jié)果能夠直觀地反映出試件內(nèi)部應(yīng)變局部化特點(diǎn)及其演化的過(guò)程，為巖石內(nèi)部變形可視化提供了方法。,工業(yè)C

10、T 系統(tǒng)及加載裝置,目的 初步構(gòu)建一套集成顯微CT與力學(xué)加載裝置的測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)字體相父技術(shù)(digital volume correlation，DVC)實(shí)現(xiàn)骨組織內(nèi)部微觀i維變形場(chǎng)的測(cè)饋，方法 選用微型力學(xué)加載裝置進(jìn)行申軸眶縮試驗(yàn)，維持載倚不變的同時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行CT掃描；采用DVC方法對(duì)連續(xù)CT圖像序列進(jìn)行相關(guān)匹配和搜索計(jì)算．測(cè)量載荷變化前后試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿三維方向的微觀位移值；通過(guò)零位移重復(fù)掃描和剛體平移評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的測(cè)量精度及

11、準(zhǔn)確度；利用該系統(tǒng)測(cè)試牛松質(zhì)骨塊的三維位移場(chǎng)分布。結(jié)果 零位移重復(fù)掃描結(jié)果顯示該系統(tǒng)測(cè)量沿加載方向的位移準(zhǔn)確度最高，測(cè)量精度低于cT掃描分辨率的1／10；剛體平移結(jié)果顯示計(jì)算位移標(biāo)準(zhǔn)差為0．001～0．002 um；松質(zhì)骨塊測(cè)試區(qū)域在600 N載荷作用下沿加載方向的微觀位移范用為100．35～110．25um。位移場(chǎng)呈現(xiàn)多層逐級(jí)分布。該系統(tǒng)能夠滿足數(shù)字體相關(guān)法測(cè)量位移的準(zhǔn)確度及精度要求，能夠?qū)崿F(xiàn)骨組織內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的三維變形場(chǎng)測(cè)量，可

12、以作為進(jìn)一步研究骨組織內(nèi)部變形分布與結(jié)構(gòu)成分響應(yīng)關(guān)系的測(cè)量平臺(tái)。,基于顯微CT的骨微觀三維變形場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的研究,目的 研究數(shù)字體相關(guān)(digital volume correlation，DVC)方法測(cè)量肺部腫瘤和胸腔隨患者呼吸運(yùn)動(dòng)的變形及位移情況的可行性。方法 利用DVC跟蹤胸腔內(nèi)組織三維運(yùn)動(dòng)的算法，通過(guò)四維CT成像技術(shù)拍攝肺癌患者一個(gè)完整的呼吸過(guò)程。以吸氣開始為初始狀態(tài)，確定腫瘤和胸腔位置，運(yùn)用DVC軟件，分析初始狀態(tài)下肺部4

13、個(gè)特征體域在20％、40％、60％、80％和100％呼吸相位下以及胸腔上4個(gè)特征體域在100％呼吸相位下的三維位移值。結(jié)果腫瘤的位移和變形的誤差在1 mm以內(nèi)，胸腔的位移和變形的誤差在0．5 mm以內(nèi)；腫瘤在呼吸過(guò)程中沿人體豎直方向運(yùn)動(dòng)最大，胸腔在吸氣結(jié)束時(shí)刻沿人體前后方向運(yùn)動(dòng)最大。結(jié)論 DVC測(cè)試技術(shù)可用于檢測(cè)呼吸過(guò)程中肺部腫瘤和胸腔等胸部組織的位移和變形情況。本研究為基于DVC方法實(shí)現(xiàn)肺部腫瘤無(wú)創(chuàng)、非射線、實(shí)時(shí)的圖像引導(dǎo)放射治療

14、提供了依據(jù)。,運(yùn)用數(shù)字體相關(guān)方法追蹤呼吸過(guò)程中肺部腫瘤和胸腔的運(yùn)動(dòng),參考文獻(xiàn)：,潘兵, 吳大方, 謝惠明,胡振新. 基于梯度的數(shù)字體圖像相關(guān)法測(cè)量物體的內(nèi)部變形. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2011(6).潘兵, 吳大方, 郭保橋. 數(shù)字體圖像相關(guān)法中基于迭代最小二乘法的物體內(nèi)部變形測(cè)量. 實(shí)驗(yàn)力學(xué), 2011(6).百度百科——數(shù)字圖像毛靈濤, 袁則循, 連秀云,等. 基于CT數(shù)字體相關(guān)法測(cè)量紅砂巖單軸壓縮內(nèi)部三維應(yīng)變場(chǎng)[J]. 巖石力學(xué)與工