CN114235861B - X-rayCT图像断层匹配的测试装置及断层匹配方法 - Google Patents
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Abstract
一种X‑rayCT图像断层匹配的测试装置及断层匹配方法，属于材料细观结构监测技术领域。本发明针对现有X‑rayCT图像断层匹配方法中，由于试件的状态无法在多次扫描中保持一致会对断层匹配造成干扰的问题。装置包括：上端板、下端板、四个竖直支撑杆和两个斜向标记杆，四个竖直支撑杆均匀设置并支撑在上端板和下端板之间，上端板、下端板及四个竖直支撑杆形成的内部空间用于安装扫描试件，扫描试件与上端板和下端板之间分别通过固定件进行方位固定；相邻的三个竖直支撑杆中，每相邻的两个竖直支撑杆之间设置一个斜向标记杆，两个斜向标记杆的斜度相同。本发明用于图像断层匹配。
Description
技术领域
本发明涉及X-rayCT图像断层匹配的测试装置及断层匹配方法，属于材料细观结构监测技术领域。
背景技术
工业CT技术是现阶段土木工程材料研究领域普遍采用的无损检测技术，可以实现材料内部结构、破坏裂缝、孔隙分布的高精度探测。利用该项技术进行损伤试验前后X-rayCT断层图像的对比分析，进而研究土木工程材料的裂隙发展、疲劳/冻融损伤、介质扩散/结晶，以及孔隙堵塞/变形等特征，是现阶段该领域的研究热点。其中，试件损伤前后同一断面X-rayCT图像的准确判断和获取是决定断层图像匹配精度和土木工程材料细观结构演变准确表征的关键。
目前X-rayCT图像断层匹配方法多采用人工对比的方式，具有极大的主观性，误差较大。特别是对于相对均质的砂石材料而言，断层扫描图像差异人眼难以分辨，通过人工进行图像匹配极为困难。此外，由于缺乏夹具对试件的固定，在多次扫描过程中，难以保证试件在扫描室内处于同一位置，而试件的方位、转向、以及倾斜程度会给后期断层图像的处理带来更多的误差干扰。
因此，有必要设计针对土木工程材料X-rayCT断层扫描技术的试验夹具，保证试件的扫描位置固定，并提出断层图像的匹配算法，降低材料细观结构分析误差。
发明内容
针对现有X-rayCT图像断层匹配方法中，由于试件的状态无法在多次扫描中保持一致会对断层匹配造成干扰的问题，本发明提供一种X-rayCT图像断层匹配的测试装置及断层匹配方法。
本发明的一种X-rayCT图像断层匹配的测试装置，包括上端板、下端板、四个竖直支撑杆和两个斜向标记杆，
四个竖直支撑杆均匀设置并支撑在上端板和下端板之间，上端板、下端板及四个竖直支撑杆形成的内部空间用于安装扫描试件，扫描试件与上端板和下端板之间分别通过固定件进行方位固定；
相邻的三个竖直支撑杆中，每相邻的两个竖直支撑杆之间设置一个斜向标记杆，两个斜向标记杆的斜度相同。
根据本发明的X-rayCT图像断层匹配的测试装置，上端板和下端板均为正方形，四个竖直支撑杆对应正方形四个角的位置固定。
根据本发明的X-rayCT图像断层匹配的测试装置，上端板和下端板之间的距离与扫描试件的高度匹配。
根据本发明的X-rayCT图像断层匹配的测试装置，所述固定件包括设置在扫描试件上的夹片和对应设置在上端板和下端板上的夹片槽，夹片与夹片槽插接固定。
根据本发明的X-rayCT图像断层匹配的测试装置，夹片为六个，其中前三个位于扫描试件靠近上端面处侧壁圆周四分位位置中的三个位置点，后三个位于扫描试件靠近下端面处侧壁圆周上，与所述前三个的位置相对应；
夹片槽为六个，其中前三个设置于上端板上，后三个设置于下端板上，每个夹片槽内对应插接一个夹片，并且夹片槽与相邻两个竖直支撑杆之间中线的位置相对应。
根据本发明的X-rayCT图像断层匹配的测试装置，所述夹片的厚度为1.5mm，夹片槽的宽度为2mm。
根据本发明的X-rayCT图像断层匹配的测试装置，所述固定件为铁制或不锈钢制。
本发明的一种X-rayCT图像断层匹配方法，基于所述的X-rayCT图像断层匹配的测试装置实现，包括，
首先，将初始状态的扫描试件安装于所述测试装置内，进行基准断层扫描，获得基准断层扫描图像；
然后，取出初始状态的扫描试件进行损伤试验；
再将损伤试验后的扫描试件安装于所述测试装置内，进行损伤后断层扫描，获得损伤后断层扫描图像；
在基准断层扫描图像中，通过每个斜向标记杆与相邻的两个竖直支撑杆的距离，计算基准断层扫描图像处于扫描试件高度位置的基准高度标记值；
再对损伤后断层扫描图像通过每个斜向标记杆与相邻的两个竖直支撑杆的距离，计算损伤后断层扫描图像处于扫描试件高度位置的损伤高度标记值；
对于选定的基准断层扫描图像，在损伤后断层扫描图像中寻找与基准高度标记值最接近的损伤高度标记值对应的初选损伤后断层扫描图像；
再按位置关系以初选损伤后断层扫描图像为基准，在上下两个方向各选定K张损伤后断层扫描图像，构成匹配图像库；K为正整数；
对匹配图像库中的每张损伤后断层扫描图像分别与选定的基准断层扫描图像进行灰度均方差计算，将计算结果最小值对应的损伤后断层扫描图像作为选定的基准断层扫描图像的匹配图像。
根据本发明的X-rayCT图像断层匹配方法，基准高度标记值的计算方法包括：
式中Hi为基准高度标记值，x1i为基准断层扫描图像中第一根斜向标记杆与相邻一侧竖直支撑杆的距离，x2i为基准断层扫描图像中第一根斜向标记杆与相邻另一侧竖直支撑杆的距离，y1i为基准断层扫描图像中第二根斜向标记杆与相邻一侧竖直支撑杆的距离，y2i为基准断层扫描图像中第二根斜向标记杆与相邻另一侧竖直支撑杆的距离；式中i为基准断层扫描图像的序号。
根据本发明的X-rayCT图像断层匹配方法，灰度均方差计算的方法包括：
对于匹配图像库中的损伤后断层扫描图像Hd，j与选定的基准断层扫描图像Hp，i的灰度均方差RASEj为：
式中N为像素个数，Pd,j,n为损伤后断层扫描图像Hd，j第n个像素点处的灰度值，Pp,i,n为基准断层扫描图像Hp，i第n个像素点处的灰度值；j为损伤后断层扫描图像的序号。
本发明的有益效果：本发明适用于土木工程材料细观结构监测及研究。它通过设计的测试装置来固定扫描试件的扫描位置，通过斜向标记杆为试件断层图像提供高度标记；同时，依据扫描图像高度标记和灰度均方差计算，提出了断层图像的匹配算法。由此实现了X-rayCT图像的高精度匹配计算。
本发明装置可以实现对扫描试件的位置固定，确保不同批次扫描试件的扫描方位相同，并利用断层匹配算法，计算断层图像的相对高度和图像灰度差异，由此实现不同批次扫描试件的断层图像匹配。
本发明方法首先采用竖向支撑杆和斜向标记杆标记断层图像的相对高度，确定图像匹配的大致范围，再通过灰度均方差计算，确定最终断层匹配图像，实现了多次CT扫描试件的断层图像高精度匹配。
由于本发明方法的匹配算法采用相对高度扩展和试算检索的方式进行，具有一定的容错性，允许试件发生一定的非线性变形，适用于大多数损伤试验的断层图像匹配。
附图说明
图1是本发明所述X-rayCT图像断层匹配的测试装置的结构示意图；
图2是扫描试件上安装夹片的示意图；
图3是上端板或下端板上设置夹片槽的示意图；
图4是断层扫描图像示意图；其中x1对应于x1i，x2对应于x2i，y1对应于y1i，y2对应于y2i。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1至图3所示，本发明的第一方面提供了一种X-rayCT图像断层匹配的测试装置，包括上端板1、下端板2、四个竖直支撑杆3和两个斜向标记杆4，
四个竖直支撑杆3均匀设置并支撑在上端板1和下端板2之间，上端板1、下端板2及四个竖直支撑杆3形成的内部空间用于安装扫描试件，扫描试件与上端板1和下端板2之间分别通过固定件进行方位固定；
相邻的三个竖直支撑杆3中，每相邻的两个竖直支撑杆3之间设置一个斜向标记杆4，两个斜向标记杆4的斜度相同。
本实施方式中，竖直支撑杆3和斜向标记杆4与上端板1和下端板2之间可通过螺栓固定连接，竖直支撑杆3的长度与待研究试件的高度匹配，使试件安装后，上端板1和下端板2之间可刚好放入待研究试件。
进一步，结合图1和图3所示，上端板1和下端板2均为正方形，四个竖直支撑杆3对应正方形四个角的位置固定。
再进一步，结合图1所示，上端板1和下端板2之间的距离与扫描试件的高度匹配。
再进一步，结合图1所示，所述固定件包括设置在扫描试件上的夹片5和对应设置在上端板1和下端板2上的夹片槽6，夹片5与夹片槽6插接固定。
再进一步，结合图1至图3所示，夹片5为六个，其中前三个位于扫描试件靠近上端面处侧壁圆周四分位位置中的三个位置点，后三个位于扫描试件靠近下端面处侧壁圆周上，与所述前三个的位置相对应；
夹片槽6为六个，其中前三个设置于上端板1上，后三个设置于下端板2上，每个夹片槽6内对应插接一个夹片5，并且夹片槽6与相邻两个竖直支撑杆3之间中线的位置相对应。
本实施方式中，上端板1和下端板2相对的表面上分别设置夹片槽6，用于与扫描试件侧面粘接的夹片5相互嵌扣，固定试件位置，所述夹片5与扫描试件可以采用胶粘接的方式固定。由于扫描试件可以通过测试装置的固定，使得试件在多次CT扫描过程中，方位可始终一致，避免了因试件偏移、旋转、倾斜等因素造成的不同次扫描图像的错位；同时，通过高度标记杆和支撑杆，可以实现断层图像的高度标记，为断层图像的匹配计算提供依据。
作为示例，所述夹片5的厚度为1.5mm，夹片槽6的宽度为2mm，即夹片槽6的两个夹片之间间距为2mm。
作为示例，所述固定件为铁制或不锈钢制，为了在扫描图像中易于区分。
具体实施方式二、结合图1至图4所示，本发明的另一方面还提供了一种X-rayCT图像断层匹配方法，基于具体实施方式一所述的X-rayCT图像断层匹配的测试装置实现，包括，
首先，将初始状态的扫描试件安装于所述测试装置内，进行基准断层扫描，获得基准断层扫描图像；
然后，取出初始状态的扫描试件进行损伤试验；
再将损伤试验后的扫描试件安装于所述测试装置内，进行损伤后断层扫描，获得损伤后断层扫描图像；
在基准断层扫描图像中，通过每个斜向标记杆4与相邻的两个竖直支撑杆3的距离，计算基准断层扫描图像处于扫描试件高度位置的基准高度标记值；
再对损伤后断层扫描图像通过每个斜向标记杆4与相邻的两个竖直支撑杆3的距离，计算损伤后断层扫描图像处于扫描试件高度位置的损伤高度标记值；
对于选定的基准断层扫描图像，在损伤后断层扫描图像中寻找与基准高度标记值最接近的损伤高度标记值对应的初选损伤后断层扫描图像；
再按位置关系以初选损伤后断层扫描图像为基准，在上下两个方向各选定K张损伤后断层扫描图像，构成匹配图像库；K为正整数；
对匹配图像库中的每张损伤后断层扫描图像分别与选定的基准断层扫描图像进行灰度均方差计算，将计算结果最小值对应的损伤后断层扫描图像作为选定的基准断层扫描图像的匹配图像。
本实施方式依据断层图像中高度标记杆和支撑杆之间的相对位置，换算该断层图像的相对高度，以基准图像的相对高度为依据，在计算获得损伤后图像的同高度位置处上下各提取一定数量的断层图片(例如可以各取25张)，作为图像匹配计算的图片库；依次对图片库中的断层图片与基准图像进行灰度均方差计算，选取灰度均方差计算值最小对应的损伤后图片作为与基准图片对应的匹配图像，由此实现断层图像的匹配计算。
进一步，结合图4所示，基准高度标记值的计算方法包括：
式中Hi为基准高度标记值，x1i为基准断层扫描图像中第一根斜向标记杆4与相邻一侧竖直支撑杆3的距离，x2i为基准断层扫描图像中第一根斜向标记杆4与相邻另一侧竖直支撑杆3的距离，y1i为基准断层扫描图像中第二根斜向标记杆4与相邻一侧竖直支撑杆3的距离，y2i为基准断层扫描图像中第二根斜向标记杆4与相邻另一侧竖直支撑杆3的距离；式中i为基准断层扫描图像的序号。
则对于损伤后断层扫描图像，损伤高度标记值Hj的计算方法为：
其中各变量含义与基准高度标记值计算中各变量含义相对应，j表示损伤后断层扫描图像的序号。
再进一步，灰度均方差计算的方法包括：
对于匹配图像库中的损伤后断层扫描图像Hd，j与选定的基准断层扫描图像Hp，i的灰度均方差RASEj为：
式中N为像素个数，对于像素大小为600×600的图像，像素个数N为3.6×105；Pd,j,n为损伤后断层扫描图像Hd，j第n个像素点处的灰度值，Pp,i,n为基准断层扫描图像Hp，i第n个像素点处的灰度值；j为损伤后断层扫描图像的序号。
本实施方式的具体实施步骤包括：
步骤一：固定夹片的粘接：
在扫描试件的上下侧壁处用胶粘接金属固定夹片，其位置分别为试件圆周四分位位置处的三个，上下位置对应。待胶凝固后，用上端板1和下端板2测试夹片的位置，以保证试件可准确放入测试装置中。
步骤二：试件基准位置的扫描：
将上端板1和下端板2安装在扫描试件的上下端面，使试件侧壁上的固定夹片吻合端板上的夹片槽；然后安装竖直支撑杆和斜向标记杆，拧紧螺栓。将安装好的试件放入CT扫描室内进行断层扫描，输出基准断层扫描图像。
步骤三：开展损伤试验：
将试件从CT室取出后，按照试验需要，开展对应的损伤试验。在试验过程中，需要确保固定夹片不脱落，且位置不变。
步骤四：损伤试件的扫描：
在损伤试验之后，将试件按照步骤二，进行测试装置的安装和CT扫描，并输出损伤后断层扫描图像。
步骤五：损伤试件扫描图像高度计算：
按高度标记值的计算方法计算所有基准断层扫描图像和损伤后断层扫描图像的高度标记值。
对于给定的基准图像Hp，i，在损伤试件断层图像中寻找与Hp，i最为接近的对应高度图像Hd，i，以Hd，i为起点，分别从上下两个方向各提取K张图片，共计2K+1张，构成图像匹配计算的匹配图像库[Hd，i-K，Hd，i+K]。
步骤六：灰度均方差计算并进行图片匹配：
对图片库[Hd，i-K，Hd，i+K]中的2K+1张图片分别与基准图像进行灰度均方差计算。
选取灰度均方差最小的图像作为基准图像对应的匹配图像。由此实现了多次扫描下断层图像的匹配。
具体实施例：
结合图1至图4，以沥青混合料冻融损伤前后的断层图像匹配为例，对本发明的具体实施方式进行详细说明：
步骤一：固定夹片的粘接：
在圆柱形沥青混合料试件上，过圆心标记试件十字线，确定试件侧壁的四分位位置，见附图2所示；采用AB胶粘接金属固定夹片，固定在四分位位置侧壁处，一共粘接6个固定夹片，上下位置对应。待AB胶凝固后，将夹具的上下端板安装在试件上下底面上，测试固定夹片位置是否合适，若固定夹片无法放入夹片槽内，则需要重新粘接，直到试件可以刚好与上下端板匹配。
步骤二：试件基准位置的扫描：将夹具的上下端板安装在试件上，使试件上粘接的固定夹片刚好放入上下端板的夹片槽内，见图3所示；然后安装4个竖向支撑杆和2个斜向标记杆，拧紧螺栓，保证试件在夹具内不晃动，见图1所示。将试件和夹具(测试装置)放入CT扫描室内，按照试件材料设定扫描参数，进行CT扫描，并输出基准断层扫描图像。
步骤三：开展损伤试验：
将沥青混合料试件从CT室取出后，放入真空饱水试验装置，在真空度97kPa条件下饱水15min，然后放入冻融循环室，在低温-18℃(12h)，高温60℃(12h)环境下，开展冻融循环试验，循环次数5次。试验完成后，取出沥青混合料试件，在室内环境下干燥24h。在试件搬用过程中，应特别注意粘接固定夹片，防止其因碰撞等原因脱落。
步骤四：损伤试件的扫描：
在冻融循环试验后，将试件按照步骤二，进行夹具的安装和CT扫描，并输出冻融循环后，沥青混合料的断层扫描图像。
步骤五：损伤试件扫描图像高度计算并与基准断层图像匹配：
在基准断层扫描图像中，测量每一层断层图像中，斜向标记杆与相邻竖直支撑杆之间的距离，见图4所示。计算高度标记值Hi。
同样的方法对损伤试件的断层图像进行高度标记值的计算。
对于高度10cm以内的圆柱形沥青混合料试件，建议K取25张，共计51张，构成图像匹配计算的图片库[Hd，i-25，Hd，i+25]。
步骤六：灰度均方差计算并进行图片匹配：
对图片库[Hd，i-25，Hd，i+25]中的51张图片分别与基准图像进行灰度均方差计算；
选取灰度均方差最小的图像作为基准图像对应的匹配图像。由此实现了多次扫描下断层图像的匹配。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (9)
1.一种X-rayCT图像断层匹配方法，基于X-rayCT图像断层匹配的测试装置实现，所述测试装置包括上端板(1)、下端板(2)、四个竖直支撑杆(3)和两个斜向标记杆(4)，
四个竖直支撑杆(3)均匀设置并支撑在上端板(1)和下端板(2)之间，上端板(1)、下端板(2)及四个竖直支撑杆(3)形成的内部空间用于安装扫描试件，扫描试件与上端板(1)和下端板(2)之间分别通过固定件进行方位固定；
相邻的三个竖直支撑杆(3)中，每相邻的两个竖直支撑杆(3)之间设置一个斜向标记杆(4)，两个斜向标记杆(4)的斜度相同；
其特征在于包括，
首先，将初始状态的扫描试件安装于所述测试装置内，进行基准断层扫描，获得基准断层扫描图像；
然后，取出初始状态的扫描试件进行损伤试验；
再将损伤试验后的扫描试件安装于所述测试装置内，进行损伤后断层扫描，获得损伤后断层扫描图像；
在基准断层扫描图像中，通过每个斜向标记杆(4)与相邻的两个竖直支撑杆(3)的距离，计算基准断层扫描图像处于扫描试件高度位置的基准高度标记值；
再对损伤后断层扫描图像通过每个斜向标记杆(4)与相邻的两个竖直支撑杆(3)的距离，计算损伤后断层扫描图像处于扫描试件高度位置的损伤高度标记值；
对于选定的基准断层扫描图像，在损伤后断层扫描图像中寻找与基准高度标记值最接近的损伤高度标记值对应的初选损伤后断层扫描图像；
再按位置关系以初选损伤后断层扫描图像为基准，在上下两个方向各选定K张损伤后断层扫描图像，构成匹配图像库；K为正整数；
对匹配图像库中的每张损伤后断层扫描图像分别与选定的基准断层扫描图像进行灰度均方差计算，将计算结果最小值对应的损伤后断层扫描图像作为选定的基准断层扫描图像的匹配图像。
2.根据权利要求1所述的X-rayCT图像断层匹配方法，其特征在于，
基准高度标记值的计算方法包括：
式中Hi为基准高度标记值，x1i为基准断层扫描图像中第一根斜向标记杆(4)与相邻一侧竖直支撑杆(3)的距离，x2i为基准断层扫描图像中第一根斜向标记杆(4)与相邻另一侧竖直支撑杆(3)的距离，y1i为基准断层扫描图像中第二根斜向标记杆(4)与相邻一侧竖直支撑杆(3)的距离，y2i为基准断层扫描图像中第二根斜向标记杆(4)与相邻另一侧竖直支撑杆(3)的距离；式中i为基准断层扫描图像的序号。
3.根据权利要求2所述的X-rayCT图像断层匹配方法，其特征在于，灰度均方差计算的方法包括：
对于匹配图像库中的损伤后断层扫描图像Hd，j与选定的基准断层扫描图像Hp，i的灰度均方差RASEj为：
式中N为像素个数，Pd,j,n为损伤后断层扫描图像Hd，j第n个像素点处的灰度值，Pp,i,n为基准断层扫描图像Hp，i第n个像素点处的灰度值；j为损伤后断层扫描图像的序号。
4.根据权利要求1所述的X-rayCT图像断层匹配方法，其特征在于，
上端板(1)和下端板(2)均为正方形，四个竖直支撑杆(3)对应正方形四个角的位置固定。
5.根据权利要求1或4所述的X-rayCT图像断层匹配方法，其特征在于，
上端板(1)和下端板(2)之间的距离与扫描试件的高度匹配。
6.根据权利要求5所述的X-rayCT图像断层匹配方法，其特征在于，
所述固定件包括设置在扫描试件上的夹片(5)和对应设置在上端板(1)和下端板(2)上的夹片槽(6)，夹片(5)与夹片槽(6)插接固定。
7.根据权利要求6所述的X-rayCT图像断层匹配方法，其特征在于，
夹片(5)为六个，其中前三个位于扫描试件靠近上端面处侧壁圆周四分位位置中的三个位置点，后三个位于扫描试件靠近下端面处侧壁圆周上，与所述前三个的位置相对应；
夹片槽(6)为六个，其中前三个设置于上端板(1)上，后三个设置于下端板(2)上，每个夹片槽(6)内对应插接一个夹片(5)，并且夹片槽(6)与相邻两个竖直支撑杆(3)之间中线的位置相对应。
8.根据权利要求7所述的X-rayCT图像断层匹配方法，其特征在于，
所述夹片(5)的厚度为1.5mm，夹片槽(6)的宽度为2mm。
9.根据权利要求8所述的X-rayCT图像断层匹配方法，其特征在于，
所述固定件为铁制或不锈钢制。
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