本發(fā)明涉及一種基于圖像分割的數(shù)字體積相關算法中邊界處理方法，屬于材料與結構的變形測量技術領域。

背景技術：

1982年，peters等(whpeters，wfranson.digitalimagingtechniquesinexperimentalstressanalysis[j].opt.eng.1982，21(3)：427～431)提出了數(shù)字圖像相關法(dic)，隨后dic便被廣泛地應用于實驗力學等領域。在此基礎上，1999年，bay等(baybk，smithts，fyheriedp，etal.digitalvolumecorrelation：three-dimensionalstrainmappingusingx-raytomography[j].experimentalmechanics，1999，39(3)：217～226)提出了數(shù)字體積相關法(dvc)。dvc是dic由二維平面到三維立體的拓展，現(xiàn)階段已在生物材料、礦物材料、泡沫材料、水泥基材料等領域的變形分析方面取得了廣泛的應用，其也是目前鮮有的一種能直接測量材料內部三維全場變形的實驗方法。

dvc的基本原理是通過對比材料變形前后的三維圖像的灰度變化來確定每個計算點的位移，進而計算應變。dvc是一種基于連續(xù)介質力學的方法，但是大多數(shù)情況下材料中不可避免地會存在非連續(xù)區(qū)域，當進行dvc計算時，如果一個子體塊跨過兩種區(qū)域的邊界就會使計算出現(xiàn)錯誤。此外，大多數(shù)的dvc算法都要事先選定一個感興趣的計算區(qū)域(voi)，一般情況下，voi的形狀都只能是規(guī)則的形狀，對于輪廓不規(guī)則的材料，這種做法難以完整地描述材料的變形場。對于dic，也存在同樣的問題。

針對邊界問題，大多數(shù)的算法改進主要集中在dic領域。如jin等(hjin，habruck.pointwisedigitalimagecorrelationusinggeneticalgorithms[j].experimentaltechniques，2006，29(1)：36-39.)提出了“逐點dic”(pointwisedic)方法，其利用基因遺傳算法將一個子區(qū)內的所有像素的位移都賦予不同的位移值，從而在此基礎上去進行子區(qū)的相關性匹配，這種方法可以獲得一個子區(qū)內所有點的位移，提高了處理邊界問題的準確性，但是由于其要以傳統(tǒng)dic方法計算的結果作為其原始輸入而耗時太長，另外“基因遺傳算法”也相對提高了此方法的門檻；潘兵(bingpan.reliability-guideddigitalimagecorrelationforimagedeformationmeasurement[j]，appliedoptics，2009，48(8)：1535-1542.)提出了“可靠性向導dic(reliability-guideddic)”方法，其首先選取一個具有高相關系數(shù)的“種子點”作為dic全場計算的起始點，然后將相關系數(shù)從高到低排序不斷選取計算點，并將上一點的計算結果作為下一個計算的初始值，直至計算完成，在此基礎上將感興趣區(qū)域標記出有效點和無效點，進一步將包含邊界的子區(qū)一分為二，僅利用有效點進行相關性計算，這是一種有效的處理邊界問題的方法，但是其并沒有交代標記有效點和無效點的方法，可以想象當圖像內包含大量夾雜的時候，對roi的標記將是一個困難的事情；poissant等(jpoissant，fbarthelat.anovel“subsetsplitting”procedurefordigitalimagecorrelationondiscontinuousdisplacementfields[j]，experimentalmechanics，2010，50(3)：353-364.)提出了一種“子區(qū)劈裂(subsetsplitting)dic”方法，其首先對設定一個相關系數(shù)門檻值，對傳統(tǒng)dic計算出來的位移場結果通過此門檻值判斷是否進行“子區(qū)劈裂”的操作，然后在對需要進行劈裂的子區(qū)內，判斷其對應像素差別大小來預先設置兩個來模擬“劈裂線”的參數(shù)，最后在迭代計算中不斷修正這兩個參數(shù)以獲得滿足相關系數(shù)門檻要求的目標子區(qū)，該方法適用于像裂紋這樣的輪廓較簡單的邊界，對于包含數(shù)量較多、輪廓較復雜的邊界問題利用該方法是不現(xiàn)實的。

在dvc方面，邊界相關的研究很少。在上一個公開專利cn105737769a中，我們曾提出將voi區(qū)分為有效點和無效點，僅利用有效點計算位移和應變。然而該公開專利中對于有效點和無效點區(qū)的區(qū)分是人為定義的，只適用于簡單邊界的情況。當材料具有復雜的內外邊界時，比如泡沫多孔材料、生物骨材料，人為區(qū)分有效點和無效點是不現(xiàn)實的。sukjamsri等(sukjamsric，geraldesdm，gregoryt，etal.digitalvolumecorrelationandmicro-ct：anin-vitrotechniqueformeasuringfull-fieldinterfacemicromotionaroundpolyethyleneimplants[j].journalofbiomechanics，2015，48(12)：3447-54.)在利用dvc研究生物移植體與骨頭邊界的變形時提到了一種邊界處理方法，該方法通過在區(qū)分移植體和骨頭來分別計算兩者的位移，但是其并沒有交代區(qū)分方法，也沒有交代在碰到邊界時dvc在算法上如何修正。等(o，jandejseki，d.evaluationofstrainfieldinmicrostructuresusingmicro-ctanddigitalvolumecorrelation[j].journalofinstrumentation，2011，6(1)：c01039.)在對三維數(shù)據(jù)的voi進行有限元網(wǎng)格劃分的基礎上，以每個網(wǎng)格節(jié)點作為基本單元進行dvc計算。該方法基于網(wǎng)格劃分，如果網(wǎng)格劃分的足夠細，可有效地解決邊界問題。但網(wǎng)格劃分細，勢必會大大增加計算成本。另外，除了基于子體塊的dvc外，還有一種基于有限元的dvc，réthoré(réthoréj，limodinn，buffièrejy，etal.three-dimensionalanalysisoffatiguecrackpropagationusingx-raytomography[j]，digitalvolumecorrelationandextendedfiniteelementsimulations[j]，procediaiutam，2012，4(9)：151-158.)等通過改變有限元中的形狀函數(shù)來實現(xiàn)對不均勻變形場的描述?；谧芋w塊的dvc是對局部子體塊進行相關性計算，基于有限元的dvc是對全局數(shù)據(jù)進行有限元計算，兩者有著本質上的差別。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種基于圖像分割的數(shù)字體積相關算法中邊界處理方法，該方法能夠有效解決現(xiàn)有數(shù)字體積相關算法遇到邊界問題時計算出錯的問題。

為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案為：

一種基于圖像分割的數(shù)字體積相關算法中邊界處理方法，包括如下步驟：

步驟1，選取合適的數(shù)字圖像分割方法，對要進行dvc計算的其中一套三維圖像進行圖像分割，分割為感興趣區(qū)域(voi)和背景區(qū)域(bg)兩部分；

步驟2，根據(jù)步驟1中圖像分割的結果，區(qū)分dvc計算時的有效體素點和無效體素點：voi內為有效體素點，bg內為無效體素點，將bg內的無效體素點的灰度值標記為特殊灰度值a，a為能和圖像內其它已有灰度值區(qū)分開來的一個數(shù)值，比如0或一個很大的數(shù)或一個負值；

步驟3，用步驟2中標記的三維圖像和另外一套沒有標記處理的三維圖像作為dvc的輸入，進行全場位移計算，dvc全場計算實際上是針對每個子體塊的相關計算，在對每個子體塊的計算之前，需要先判斷：如果在標記三維圖像中計算點的灰度值為特殊值a，則跳過對此點的計算，并將其位移值標記為特殊值b并保存，b為能和位移場內其它已有位移值區(qū)分開來的一個數(shù)值，比如一個很大的數(shù)，如果在標記三維圖像中計算點的灰度值不為特殊值a，則執(zhí)行如下操作：

a.根據(jù)標記三維圖像中每個子體塊中標記點坐標的信息，將非標記三維圖像子體塊中對應點也標記為特殊值a；

b.分別對兩套三維圖像的對應子體塊中的voi進行貼標簽操作，并比較兩個子體塊中連通域的個數(shù)：若兩者相等且等于1，說明只有一個連通域，則直接進行相關性計算并保存；若存在多個連通域的其它情況，則先分別將兩個子體塊內不等于子體塊中心點標簽值的體素點的灰度值置為0，然后進行相關性計算并保存；

步驟4，利用步驟3得到的位移場數(shù)據(jù)計算應變場，如果應變計算點的位移值為特殊值b，則將該點的應變值標記為特殊值c并保存，c為能和應變場內其它已有應變值區(qū)分開來的一個數(shù)值，比如一個很大的數(shù)，否則執(zhí)行以下操作，最終得到應變場數(shù)據(jù)：

a.將位移場中的應變計算窗口還原到步驟1中的三維圖像中，根據(jù)標記三維圖像中窗口圖像的標記點坐標信息，將非標記三維圖像中窗口圖像的對應點標記為特殊值a；

b.對兩個窗口圖像中的voi進行貼標簽操作，并比較兩者連通域個數(shù)，若兩者均只有一個連通域，則在位移場內先將窗口內的標記位移點去除，然后進行應變計算并保存；若存在多個連通域的復雜情況，則在位移場內先將窗口內的標記位移點去除，再確定標簽值不等于窗口圖像中心點標簽值的區(qū)域，然后將這些區(qū)域對應的位移點去除，最后進行應變計算并保存。

其中，所述有效體素點是指需要進行dvc計算的區(qū)域，如材料中的一種連續(xù)基體區(qū)域；所述無效體素點是指不需要進行dvc計算的區(qū)域，如氣孔、骨料等夾雜區(qū)域，或復合材料中的另外一種基體，或圖像中的背景區(qū)域；根據(jù)研究目的的需要或不同，有效體素點區(qū)域和無效體素點區(qū)域指代的對象會有不同。

其中，所述三維圖像是指由x射線斷層成像設備、伽馬射線斷層成像設備、核磁共振斷層成像設備或中子斷層成像設備得到的三維圖像數(shù)據(jù)。

其中，所述x射線斷層成像設備包括醫(yī)用x射線斷層照相設備、工業(yè)x射線斷層照相設備、顯微x射線斷層照相設備、納米x射線斷層照相設備或同步輻射x射線斷層照相設備。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明技術方案具有的有益效果為：

本發(fā)明方法不僅大大提高了測量材料內部夾雜邊界周圍變形場的準確度，也可以更加全面真實地展現(xiàn)具有復雜輪廓的材料的變形場；由于本發(fā)明針對一個子體塊或者應變窗口內可能會包含不同連通域的情況，只使用子體塊或者應變窗口內的主連通域進行位移和應變的計算，使得dvc對具有復雜邊界材料的變形計算準確度有了很大的提升。同時，本發(fā)明方法對邊界周圍變形場的計算準確度不受邊界復雜程度的影響，并且由于可以將分割效果直接添加到原圖像中作為dvc的輸入，基本不增加計算成本和計算時間，不僅計算精確且高效。

附圖說明

圖1為實施例中一張x-ct切片圖像；

圖2為圖1的分割圖像，其中，空氣灰度置為0；

圖3為寫入單軸壓縮變形的x-ct切片圖像；

圖4為預設單軸壓縮位移場和傳統(tǒng)dvc計算得到的位移場以及本發(fā)明方法計算得到的位移場三者的對比。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步說明，但是本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于此。

本發(fā)明基于圖像分割的數(shù)字體積相關算法中邊界處理方法，包括如下步驟：

步驟1，由x-ct掃描得到泡沫鋁三維圖像數(shù)據(jù)1，如圖1所示，對得到的泡沫鋁三維圖像數(shù)據(jù)1中的空氣進行圖像分割，得到數(shù)據(jù)2，如圖2所示，其中，空氣的灰度被置為特殊值0；有效體素點

步驟2，只對鋁骨架寫入單軸壓縮得到數(shù)據(jù)3，如圖3所示，寫入單軸壓縮的變形場為：

其中，u、v、w分別為x、y、z方向上的位移，f為z軸方向上的受力大小，e為材料的楊氏模量，ν為材料的泊松比，a為材料在x-y截面的截面面積。本實施例中，取f＝20n，e＝50mpa，ν＝0.1；

步驟3，如圖2所示，將鋁骨架當作有效點區(qū)域，將空氣當作無效點區(qū)域，用本發(fā)明方法對<數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)3>進行dvc計算；另外，用無邊界處理算法的傳統(tǒng)dvc對<數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)3>進行計算。

預設位移場和兩種dvc方法計算出來的位移場對比如圖4所示。從圖4中可以看出，本發(fā)明方法可以高度還原材料的輪廓，但是由于dvc計算點數(shù)量相對較少，位移場所表現(xiàn)出來的輪廓又稍有不同。本發(fā)明方法計算得到的位移場與預設位移場契合地很好，而用傳統(tǒng)dvc方法得到的位移場只能看到模糊的材料輪廓，并且在邊界處存在著很大的錯誤。從圖4可以看出，本發(fā)明方法對復雜變形場的計算能力相較于傳統(tǒng)dvc有很大的提升，有效提高了dvc算法在處理邊界問題的準確性。

本發(fā)明方法通過圖像分割來確定有效點和無效點，并且針對復雜邊界材料中，一個子體塊和應變窗口內可能會包含不同連通域的情況進行了dvc算法的改進。本發(fā)明方法首先區(qū)分感興趣區(qū)域和背景區(qū)域，然后對要進行dvc計算的其中一套三維圖像進行圖像分割，分割為感興趣區(qū)域(voi)和背景(bg)兩部分，在進行dvc計算時只計算voi內的計算點的位移和應變；計算位移時，子體塊間的相關性匹配僅僅針對voi部分，計算應變時，只利用voi內的位移點來求解應變。此外，本發(fā)明通過區(qū)分子體塊還有應變計算窗口內的連通域個數(shù)，只利用子體塊或者應變計算窗口內的主連通域去計算位移和應變，進一步提高了本發(fā)明方法處理復雜輪廓或者邊界時的計算準確性；本發(fā)明方法不僅可以使dvc計算的范圍更貼近材料的內外輪廓，還可以提高邊界處dvc計算的準確度。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。