dvc原理及其應用

1、DVC原理及其應用,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80年代提出的DIC(數(shù)字圖像相關(guān)方法)方法具有全場非接觸測量、實驗設(shè)備和測量過程簡單、適用范圍廣泛等優(yōu)點受到了普遍重視和廣泛應用。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應運而生。,,1999年B. K. Bay等提出了數(shù)字體圖像相關(guān)方法（Digital Volume Correlation, DVC）,他們用顯微計算機層析攝影（CT）重建了圓柱形松質(zhì)骨試樣變形前后的數(shù)字體圖像，隨后通過跟蹤變形前后體圖像中的相同點來計算各點的3D位移矢量，對位移矢量進行差分獲得3D應變場，他們稱這種物體內(nèi)部3D變形測量方法為數(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方法通過精確跟蹤參考體圖像f(x,y,z)內(nèi)各離散點在變形后體圖像中的位置來計算各點的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法跟蹤一個體素點的3D位移，為準確跟蹤某一點P(x,y,z)的3D位移，需以該體素點為中心取一立方體小方塊(sub-volume,子體塊)通過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確定該子體塊中心點的位移分量u,v,w .,對于一個包括n=(2M+1)×(2M+1)×(2M+1)體素的參考子體塊，可通過在變形后體圖像中逐體素移動位置，尋找與其灰度相似程度最大的目標子體塊來確定其整體素位移。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)來定量評價：,體素(voxel)——是體積元素(volumepixel)的簡稱。是數(shù)字數(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方法測量物體內(nèi)部三維變形場的過程可分為三步：,(1) 數(shù)字體圖像采集：用先進的體成像設(shè)備（如顯微CT，激光掃描共焦顯微鏡）獲取被測試樣內(nèi)部的三維數(shù)字體圖像；,(2) 三維位移場計算：在參考體圖像中指定離散分布的計算點，利用圖像跟蹤算法精確計算每一個計算點在變形后體圖像中的精確位置，提取其3D位移矢量，對多個計算點重復這一過程獲得三維位移矢量場。由于各種因素的原因該三維位移矢量場不可避免的包含噪聲

6、；,(3) 三維應變場計算：從含噪聲的三維位移矢量場中采用合適的差分算法計算應變場；,第(3)步得到的應變場的精度很大程度上取決于位移場測量的準確度和精度，因此DVC方法的關(guān)鍵在于如何盡可能精準的獲得三維位移矢量即提高第二步的測量精度。,亞體素：每兩個體素之間在宏觀上看起來是連在一起的，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量算法,在實際的變形測量中，當子體塊尺寸足夠

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

8、DVC的一些應用,1. 基于CT 數(shù)字體相關(guān)法測量紅砂巖單軸壓縮內(nèi)部三維應變場,2. 基于顯微CT的骨微觀三維變形場測量系統(tǒng)的研究,3. 運用數(shù)字體相關(guān)方法追蹤呼吸過程中肺部腫瘤和胸腔的運動,基于CT 數(shù)字體相關(guān)法測量紅砂巖單軸壓縮內(nèi)部三維應變場,基于X 射線工業(yè)CT 實時獲取單軸壓縮過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)法測量、分析受載過程中試件內(nèi)部三維變形場及

9、應變場。通過位移場和應變場的分析，揭示試件內(nèi)部應變局部化演變及破壞過程。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0.05 體素；紅砂巖變形破壞中存在明顯的應變局部化特征，在峰值荷載的68.9%時試件內(nèi)部出現(xiàn)應變局部化區(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 法測量結(jié)果能夠直觀地反映出試件內(nèi)部應變局部化特點及其演化的過程，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與力學加載裝置的測試系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)字體相父技術(shù)(digital volume correlation，DVC)實現(xiàn)骨組織內(nèi)部微觀i維變形場的測饋，方法 選用微型力學加載裝置進行申軸眶縮試驗，維持載倚不變的同時對試樣進行CT掃描；采用DVC方法對連續(xù)CT圖像序列進行相關(guān)匹配和搜索計算．測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；通過零位移重復掃描和剛體平移評價該系統(tǒng)的測量精度及

11、準確度；利用該系統(tǒng)測試牛松質(zhì)骨塊的三維位移場分布。結(jié)果 零位移重復掃描結(jié)果顯示該系統(tǒng)測量沿加載方向的位移準確度最高，測量精度低于cT掃描分辨率的1／10；剛體平移結(jié)果顯示計算位移標準差為0．001～0．002 um；松質(zhì)骨塊測試區(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。位移場呈現(xiàn)多層逐級分布。該系統(tǒng)能夠滿足數(shù)字體相關(guān)法測量位移的準確度及精度要求，能夠?qū)崿F(xiàn)骨組織內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的三維變形場測量，可

12、以作為進一步研究骨組織內(nèi)部變形分布與結(jié)構(gòu)成分響應關(guān)系的測量平臺。,基于顯微CT的骨微觀三維變形場測量系統(tǒng)的研究,目的 研究數(shù)字體相關(guān)(digital volume correlation，DVC)方法測量肺部腫瘤和胸腔隨患者呼吸運動的變形及位移情況的可行性。方法 利用DVC跟蹤胸腔內(nèi)組織三維運動的算法，通過四維CT成像技術(shù)拍攝肺癌患者一個完整的呼吸過程。以吸氣開始為初始狀態(tài)，確定腫瘤和胸腔位置，運用DVC軟件，分析初始狀態(tài)下肺部4

13、個特征體域在20％、40％、60％、80％和100％呼吸相位下以及胸腔上4個特征體域在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)；腫瘤在呼吸過程中沿人體豎直方向運動最大，胸腔在吸氣結(jié)束時刻沿人體前后方向運動最大。結(jié)論 DVC測試技術(shù)可用于檢測呼吸過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方法實現(xiàn)肺部腫瘤無創(chuàng)、非射線、實時的圖像引導放射治療

14、提供了依據(jù)。,運用數(shù)字體相關(guān)方法追蹤呼吸過程中肺部腫瘤和胸腔的運動,參考文獻：,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)法測量物體的內(nèi)部變形. 光學學報, 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)部變形測量. 實驗力學, 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)法測量紅砂巖單軸壓縮內(nèi)部三維應變場[J]. 巖石力學與工