一种数字体积相关算法在边界问题上的处理方法技术

本发明专利技术公开了一种数字体积相关算法在边界问题上的新型处理方法，该方法包括如下步骤：根据三维图像数据的灰度和边界形状定义计算区域(VOI)，利用VOI区分有效体素点和无效体素点，VOI内的体素点为有效体素点，VOI外的体素点为无效体素点；将传统子区内所有有效的体素点组成改进的子区，利用改进的子区确定计算点的整体素位移；利用改进的子区计算亚体素位移；利用改进方法得到的位移场，且只选取VOI内有效计算点的非规则窗口计算应变场。本发明专利技术方法克服了传统数字体积相关方法在边界附近的计算错误问题，提高了在边界及边界附近计算点的位移和应变计算结果的准确性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种数字体积相关算法在边界问题上的处理方法，属于材料与结构的变形测量领域。
技术介绍
数字体积相关方法(DVC)是目前唯一能直接测量材料内部三维变形场的实验力学方法。DVC在1999年由B.K.Bay等人(BayBK，SmithTS，FyherieDP，etal.Digitalvolumecorrelation：Three-dimensionalstrainmappingusingX-raytomography[J].ExperimentalMechanics，1999，39(3)：217～226)提出后，在生物材料、泡沫材料、复合材料等领域取得了广泛的应用。DVC是依据变形前后三维数字体图像灰度的变化确定三维位移场，进而计算应变场的一种实验方法。DVC原理上基于连续介质力学，不但要求材料相对连续，也要求材料的变形场连续。而实际的材料和结构不可避免地存在不同的内外边界，比如复合材料中的增强相，粗细骨料、颗粒、纤维等，再比如很多材料(比如混凝土、陶瓷等)中均存在气孔、裂纹等典型的缺陷，还有规则或不规则材料形状也构成外边界。传统DVC方法在跨越这些边界时，所依赖的理论基础不再成立，会出现明显的计算错误。基于体素子区的DVC在计算变形时以围绕计算点的规则子区为基本单位。计算点在边界或者边界附近时，子区会跨过边界，由于边界内外图像灰度差别和材料变形的不连续性，导致边界上及边界附近的计算点的位移和应变结果均存在明显的错误。除了基于体素子区的DVC，还有一种基于有限元的DVC，也叫全局DVC(RouxS，HildF，ViotP，etal.ThreedimensionalimagecorrelationfromX-Raycomputedtomographyofsolidfoam[J].CompositesPartAAppliedScience&Manufacturing，2008，39(8)：1253-1265.)。基于有限元的DVC同样存在边界和非均匀变形场测量问题。为了解决该问题，JRéthoré等人在扩展有限元的基础上提出了解决三维问题的方法(RéthoréJ，LimodinN，BuffièreJY，etal.Three-dimensionalAnalysisofFatigueCrackPropagationusingX-RayTomography，DigitalVolumeCorrelationandExtendedFiniteElementSimulations[J].ProcediaIutam，2012，4(9)：151-158.)，该方法的核心思想是通过改变有限元中的形状函数来实现对不均匀变形场的描述。基于体素子区的DVC和基于有限元的DVC本身具有巨大的差别，可视为两种不同的独立方法，前者是对数据局部利用进行相关性计算，后者是对数据全局进行有限元计算。JRéthoré等人的核心思路是改变扩展有限元中的形函数来准确描述边界附近的变形场，本专利技术的核心思路根本性地区别于基于有限元的DVC。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是提供一种数字体积相关算法在边界问题上的处理方法，本专利技术方法是通过在边界附近区分有效体素点和无效体素点，构建不规则形状的改进子区，从而准确计算边界附近的变形场，解决了传统方法存在边界计算错误的问题。
技术实现思路
：为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：一种数字体积相关算法在边界问题上的处理方法，包括如下步骤：步骤1，根据三维图像数据的灰度和边界形状确定计算区域，根据计算区域区分三维图像数据的有效体素点和无效体素点，位于计算区域内的点为有效体素点，位于计算区域外的点为无效体素点；步骤2，整体素位移场的计算：当计算点位于边界上或者位于边界附近时，将围绕计算点传统子区内所有有效的体素点组成改进的子区，保持计算点在传统子区的位置不变，利用改进的子区确定计算点整体素的位移场；步骤3，亚体素位移场的计算：将围绕计算点传统子区内所有有效的体素点组成改进的子区，保持计算点在传统子区的位置不变，利用改进的子区确定计算点亚体素的位移场；步骤4，应变场计算：利用步骤2和步骤3获得的位移场，对于位于边界及边界附近的点，只选取计算区域内有效体素点的非规则窗口计算应变。本专利技术方法中所指的数字体积相关是指基于体素子区计算的数字体积相关。其中，所述边界包括内边界和外边界，所述内边界包括材料中的骨料、颗粒、纤维、气孔或裂纹或者为材料或结构的预制内边界，所述外边界包含规则形状样品的外边界和不规则形状样品的外边界。其中，步骤1中，所述三维图像数据是指采用X射线断层照相、伽马射线断层照相、核磁共振断层照相、中子断层照相、聚焦离子束-电子束-双束显微镜或共聚焦显微镜进行三维成像得到的三维图像数据。其中，所述X射线断层照相是指医用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、纳米X射线断层照相或同步辐射X射线断层照相中的任意一种。有益效果：本专利技术方法不仅使测量复合材料内部夹杂和缺陷附近的准确变形场成为可能，也使测量具有复杂形状样品的位移场和应变场成为了可能；同时，本专利技术方法还能确定材料内部由于变形而产生的裂纹；本专利技术方法有效解决了传统数字体积相关方法关于边界问题存在的计算错误问题，提高了边界附近计算点在位移和应变上计算结果的准确性；最后本专利技术方法为数字体积相关方法在实验力学和材料领域的广泛应用起到了推动作用。附图说明图1为含内边界的子区示意图；图2为将传统子区变为改进子区的示意图；图3为用改进子区跟踪参考图像和目标图像中相同计算点(B点)的位移量；图4为实施例中I型裂纹的示意图；图5为实施例中样品通过X射线断层照相法获得的第一次CT扫描二维数据切片；图6为实施例中样品通过X射线断层照相法获得的第二次CT扫描二维数据切片；图7为对第二次CT扫描的数据施加I型裂纹位移场得到的二维数据切片；图8为在裂纹左右两侧分别定义两个计算区域的示意图；图9为实施例采用不同方法计算得到的样品变形后沿X方向和Y方向的位移场；其中，(a)和(d)为理论的位移场，(b)和(e)为本专利技术方法得到的位移场，(c)和(f)为现有DVC方法得到的位移场；图10为实施例中采用不同方法计算得到的样品变形后Y方向的应变场；其中，(a)为理论的应变场，(b)为本专利技术方法得到的应变场，(c)为现有DVC方法得到的应变场。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的技术方案进行详细说本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字体积相关算法在边界问题上的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，根据三维图像数据的灰度和边界形状确定计算区域，根据计算区域区分三维图像数据的有效体素点和无效体素点，位于计算区域内的点为有效体素点，位于计算区域外的点为无效体素点；步骤2，整体素位移场的计算：当计算点位于边界上或者边界附近时，将围绕计算点传统子区内所有有效的体素点组成改进的子区，保持计算点在传统子区的位置不变，利用改进的子区确定计算点整体素的位移场；步骤3，亚体素位移场的计算：将围绕计算点传统子区内所有有效的体素点组成改进的子区，保持计算点在传统子区的位置不变，利用改进的子区确定计算点亚体素的位移场；步骤4，应变场计算：利用步骤2和步骤3获得的位移场，对于位于边界及边界附近的点，只选取计算区域内有效体素点的非规则窗口计算应变。

【技术特征摘要】
1.一种数字体积相关算法在边界问题上的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据三维图像数据的灰度和边界形状确定计算区域，根据计算区域区分三
维图像数据的有效体素点和无效体素点，位于计算区域内的点为有效体素点，位于计算
区域外的点为无效体素点；
步骤2，整体素位移场的计算：当计算点位于边界上或者边界附近时，将围绕计算
点传统子区内所有有效的体素点组成改进的子区，保持计算点在传统子区的位置不变，
利用改进的子区确定计算点整体素的位移场；
步骤3，亚体素位移场的计算：将围绕计算点传统子区内所有有效的体素点组成改
进的子区，保持计算点在传统子区的位置不变，利用改进的子区确定计算点亚体素的位
移场；
步骤4，应变场计算：利用步骤2和步骤3获得的位移场，对于位于边界及边界附
近的点，只选取计算区域内有效体素点的非规则窗口计算应变...

【专利技术属性】
技术研发人员：万克树，吕长月，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32