YaDICs - YaDICs

YaDIC-lar
Asl muallif (lar)	Coudert Sebastien, Segir Rian, Vitz Jan-fransua
Dastlabki chiqarilish	2012 yil yanvar; 8 yil oldin
Barqaror chiqish	v04.14a / 2015 yil 27-may; 5 yil oldin
Ombor	yo'q
Yozilgan	C ++
Operatsion tizim	Linux
Hajmi	18,4 MB
Turi	Rasmga ishlov berish
Litsenziya	GPLv2 yoki keyinroq
Veb-sayt	yadika.univ-lille1.fr/ wordpress/

YaDIC-lar - bajarish uchun yozilgan dastur raqamli tasvir korrelyatsiyasi 2D va 3D tomografik tasvirlarda. Dastur ham modulli, ham plagin strategiyasi bilan, ham ko'p tarmoqli strategiyasi bilan ishlab chiqilgan. U turli xil transformatsiyalarni o'z ichiga oladi (Global, Elastik, Mahalliy), optimallashtirish strategiyasi (Gauss-Nyuton, Steepest kelib chiqishi), Global va / yoki mahalliy shakl funktsiyalari (Qattiq tana harakatlari, bir hil kengayish, egiluvchan va Braziliya sinov modellari) ...

Nazariy ma'lumot

Kontekst

Qattiq mexanikada, raqamli tasvir korrelyatsiyasi eksperiment paytida (mobil rasm) rasmlarga mos yozuvlar rasmini (bu erda sobit tasvir deb nomlanadi) ro'yxatdan o'tkazish uchun joy almashtirish maydonini aniqlashga imkon beradigan vosita. Masalan, bo'yalgan dog 'bilan namunaning yuzini kuzatish mumkin, chunki uning siljish maydonlarini aniqlash uchun kuchlanish sinovi. Bunday usullar paydo bo'lishidan oldin tadqiqotchilar odatda foydalanganlar bosim o'lchagichlari materialning mexanik holatini o'lchash uchun, lekin bosim o'lchagichlari faqat nuqtadagi kuchlanishni o'lchaydilar va heterojen xulq-atvor bilan materialni tushunishga imkon bermaydilar. To'liqni samolyotda olish mumkin kuchlanish tenzori siljish maydonlarini chiqarish yo'li bilan. Ko'p usullar quyidagilarga asoslangan optik oqim.

Suyuqlik mexanikasida shunga o'xshash usul qo'llaniladi, deyiladi Zarrachalar tasvirini velosimetriya (PIV); algoritmlari DIC-ga o'xshash, ammo optik oqimning saqlanishini ta'minlashning iloji yo'q, shuning uchun dasturlarning katta qismi normallashgan o'zaro bog'liqlik metrikasidan foydalangan.

Mexanikada siljish yoki tezlik maydonlari faqat tashvish uyg'otadi, rasmlarni ro'yxatdan o'tkazish shunchaki yon ta'sir qiladi. Deb nomlangan yana bir jarayon mavjud tasvirni ro'yxatdan o'tkazish bir xil algoritmlardan foydalanib (monomodal tasvirlarda), lekin maqsad rasmlarni ro'yxatdan o'tkazish va shu bilan siljish maydonini aniqlash faqat yon ta'sir.

YaDICs rasmlarni ro'yxatdan o'tkazishning umumiy printsipidan foydalanib, joy almashtirish joylariga alohida e'tibor beradi.

Rasmni ro'yxatdan o'tkazish printsipi

YaDIC-larni klassik tasvirni ro'yxatdan o'tkazish doirasi yordamida tushuntirish mumkin:^[1]

Rasmni ro'yxatdan o'tkazishning umumiy sxemasi

Rasmni ro'yxatdan o'tkazish va raqamli tasvir korrelyatsiyasining umumiy g'oyasi - bu optimallashtirish sxemasi yordamida sobit tasvir va harakatlanuvchi o'rtasida ma'lum metrikaga o'zgarishni topishdir. Bunday maqsadga erishish uchun ko'plab usullar mavjud bo'lsa-da, Yadics bir xil modali bo'lgan rasmlarni ro'yxatdan o'tkazishga e'tibor beradi. Ushbu dasturiy ta'minotni yaratish g'oyasi b-tomografdan olingan ma'lumotlarni qayta ishlashga qodir; ya'ni: 1000³ vokseldan yuqori bo'lgan ma'lumotlar kubi. Bunday o'lcham bilan odatda ikki o'lchovli kontekstda ishlatiladigan sodda yondashuvni qo'llash mumkin emas. Etarli spektakllarni olish uchun OpenMP parallellik ishlatiladi va ma'lumotlar global miqyosda xotirada saqlanmaydi. Turli xil algoritmlarning keng tavsifi berilgan.^[1]

Namuna olish

Rasmni ro'yxatdan o'tkazishdan farqli o'laroq, Raqamli tasvir korrelyatsiyasi transformatsiyani maqsad qilib qo'ygan, ikkita rasmdan eng aniq transformatsiyani olishni istaydi va shunchaki rasmlarga mos kelmaydi. Yadics butun tasvirni namuna olish panjarasi sifatida ishlatadi: bu shunday to'liq namuna.

Interpolator

Ularning orasidan birini tanlash mumkin bilinear interpolatsiya va ikki tomonlama interpolatsiya butun sonli koordinatalarda kulrang darajani baholash uchun. Ikki kubikli interpolatsiya tavsiya etiladi.

Metrikalar

Kvadrat farqlar yig'indisi (SSD)

SSD shuningdek, sifatida tanilgan o'rtacha kvadrat xato. Quyidagi tenglama SSD metrikasini belgilaydi:

${ displaystyle SSD ( mu, { mathcal {I_ {F}}}, { mathcal {I_ {M}}}) = { dfrac {1} { left | Omega _ {F} right | }} sum _ {x_ {i} in Omega _ {F}} chap ({ mathcal {I_ {F}}} (x_ {i}) - { mathcal {I_ {M}}} ( {T} _ { mu} (x_ {i})) o'ng) ^ {2},}$

qayerda ${ displaystyle { mathcal {I_ {F}}}}$ sobit tasvir, ${ displaystyle { mathcal {I_ {M}}}}$ harakatlanuvchi, ${ displaystyle Omega _ {F}}$ integratsiya maydoni ${ displaystyle left | Omega _ {F} right |}$ pi (vo) xels soni (kardinal) va ${ displaystyle {T} _ { mu}}$ m bilan parametrlangan transformatsiya

Transformatsiyani quyidagicha yozish mumkin:

${ displaystyle T _ { mu} (x) = x + chap { Phi (x) right } ^ {t} left { mu right }.}$

Ushbu metrik YaDIC-larda ishlatiladigan asosiy hisoblanadi, chunki u bir xil modallik tasvirlari bilan yaxshi ishlaydi. Ushbu ko'rsatkichning minimal miqdorini topish kerak

Normallashtirilgan o'zaro bog'liqlik

The normallashtirilgan o'zaro bog'liqlik (NCC) optik oqimning saqlanishini ta'minlay olmasa ishlatiladi; yoritish o'zgarganda yoki zarralar sahnada yo'q bo'lib ketganda, velosimetriya (PIV) zarralari tasvirida paydo bo'lishi mumkin.

NCC quyidagicha belgilanadi: ${ displaystyle NCC ( mu, { mathcal {I_ {F}}}, { mathcal {I_ {M}}}) = { dfrac { sum _ {x_ {i} in Omega _ {F }} chap ({ mathcal {I_ {F}}} (x_ {i}) - { overline { mathcal {I_ {F}}}} o'ng) chap ({ mathcal {I_ {M}) }} ({T} _ { mu} (x_ {i})) - { overline { mathcal {I_ {M}}} o'ng)} { sqrt { sum _ {x_ {i} ichida Omega _ {F}} chap ({ mathcal {I_ {F}}} (x_ {i}) - { overline { mathcal {I_ {F}}}} o'ng) ^ {2} sum _ {x_ {i} in Omega _ {F}} left ({ mathcal {I_ {M}}} ({T} _ { mu} (x_ {i})) - { overline { mathcal {I_ {M}}}} o'ng) ^ {2}}}},}$

qayerda ${ displaystyle { overline { mathcal {I_ {F}}}}}$ va ${ displaystyle { overline { mathcal {I_ {M}}}}}$ sobit va mobil tasvirlarning o'rtacha qiymatlari.

Ushbu ko'rsatkich faqat Yadikada mahalliy tarjimani topish uchun ishlatiladi. Tarjima konvertatsiyasining ushbu metrikasi o'zaro bog'liqlik usullari yordamida echilishi mumkin, bu takrorlanmaydigan va tez Furye transformatsiyasi yordamida tezlashtirilishi mumkin.

Transformatsiyalarning tasnifi

Parametrlashning uchta toifasi mavjud: elastik, global va mahalliy transformatsiya. Elastik transformatsiyalar birlikning bo'linishini hurmat qiladi, teshiklar hosil bo'lmaydi yoki yuzalar bir necha marta hisoblanmaydi. Bu odatda Image Ro'yxatdan o'tishda foydalaniladi B-Spline funktsiyalari^[1]^[2] va cheklangan element asosli qattiq mexanikada.^[3]^[4] Global transformatsiyalar butun rasmda qattiq tanadan yoki afinaviy transformatsiyadan foydalangan holda aniqlanadi (bu shtammning bir hil transformatsiyasiga teng). Mexanik asosli kabi murakkabroq transformatsiyalarni aniqlash mumkin. Ushbu o'zgarishlar transformator tomonidan stress intensivligini aniqlash uchun ishlatilgan ^[5]^[6] va tayoqning kuchlanishi uchun.^[7] Mahalliy transformatsiyani sobit tasvirning bir nechta qiziqish zonasida (ZOI) aniqlangan bir xil global o'zgarish deb hisoblash mumkin.

Global

Bir nechta global o'zgarishlar amalga oshirildi:

Qattiq va bir hil (Tx, Ty, Rz 2D; Tx, Ty, Tz, Rx, Ry, Rz, Exx, Eyy, Ezz, Eyz, Exz, Exy 3D formatida)
Braziliyalik ^[8] (Faqat 2D formatida),
Dinamik egiluvchanlik,

Elastik

Yadikada birinchi tartibli to'rtburchak chekli elementlar Q4P1 ishlatiladi.

Mahalliy

Har qanday global konvertatsiya mahalliy mashda ishlatilishi mumkin.

Optimallashtirish

YaDICsni optimallashtirish jarayoni gradient tushish sxemasi bo'yicha amalga oshiriladi.

Birinchi qadam - transformatsiya parametrlariga nisbatan metrikaning gradyanini hisoblash ${ displaystyle { begin {array} {lcl} { dfrac { SSD ( mu, { mathcal {I_ {F}}}, { mathcal {I_ {M}}})}} { qismli mu}} & = & { dfrac {2} { left | Omega _ {F} right |}} sum _ {x_ {i} in Omega _ {F}} left ({ mathcal) {I_ {F}}} (x_ {i}) - { mathcal {I_ {M}}} ({T} _ { mu} (x_ {i})) right) { dfrac { qism { mathcal {I_ {M}}} ({T} _ { mu} (x_ {i})} { kısalt mu}} & = & { dfrac {2} { left | Omega _ {F} o'ng |}} sum _ {x_ {i} in Omega _ {F}} chap ({ mathcal {I_ {F}}} (x_ {i}) - { mathcal {I_ {M}}} ({T} _ { mu} (x_ {i})) o'ng) chap ({ dfrac { qisman {T} _ { mu} (x_ {i})}} qisman mu}} o'ng) ^ {t} { dfrac { qisman { mathcal {I_ {M}}} ({T} _ { mu} (x_ {i}))}} { qisman x} } end {array}}}$

Gradient usuli

Metrik gradyan hisoblangandan so'ng, optimallashtirish strategiyasini topish kerak

Gradient usuli printsipi quyida tushuntirilgan:

${ displaystyle mu _ {k + 1} = mu _ {k} + alfa _ {k} d_ {k}}$

Gradient pog'onasi doimiy bo'lishi yoki har bir takrorlanishda yangilanishi mumkin. ${ displaystyle d_ {k} = - gamma _ {k} { dfrac { qism {{mathcal {C}} ( mu, { mathcal {I_ {F}}}, { mathcal {I_ {M }}})} { kısmi mu}}}$ , ${ displaystyle gamma _ {k}}$ quyidagi usullardan birini tanlashga imkon beradi:

${ displaystyle gamma _ {k}}$ ${ displaystyle Longrightarrow}$ eng keskin tushish,
${ displaystyle gamma _ {k} = left [{ dfrac { kısalt { mathcal {C}} ( mu, { mathcal {I_ {F}}}, { mathcal {I_ {M}} })} { kısmi mu}} { dfrac { qismli { mathcal {C}} ( mu, { mathcal {I_ {F}}}, { mathcal {I_ {M}}})} { kısmi mu}} ^ {t} o'ng] ^ {- 1}}$ ${ displaystyle Longrightarrow}$ Gauss-Nyuton.

Ko'p turli xil usullar mavjud (masalan, BFGS, konjuge gradyan, stoxastik gradient), lekin eng tik gradiyent va Gauss-Nyuton Yadikada qo'llaniladigan yagona usul bo'lib, bu usullar bu erda muhokama qilinmaydi.

Gauss-Nyuton usuli juda samarali usul bo'lib, [M] {U} = {F} ni hal qilishi kerak. 1000³ voksel-g-tomografik rasmda erkinlik darajasi 1e6 ga yetishi mumkin (ya'ni: 12 × 12 × 12 meshda) bunday muammo bilan shug'ullanish ko'proq raqamli olimlar masalasi va aniq rivojlanishni talab qiladi (Petsc yoki MUMPS kabi kutubxonalardan foydalangan holda), shuning uchun biz bunday muammolarni hal qilish uchun Gauss-Nyuton usullaridan foydalanmaymiz. Ulardan biri har bir iteratsiyada ak skalar parametrini aniq sozlash bilan o'ziga xos eng keskin gradyan algoritmini ishlab chiqdi. Gauss-Nyuton usulidan 2-darajali kichik masalalarda foydalanish mumkin.

Piramidal filtr

Ushbu optimallashtirish usullaridan hech biri to'g'ridan-to'g'ri muvaffaqiyatga erisha olmaydi, chunki gradient usullari dastlabki mehmonlarga sezgir bo'lgani uchun oxirgi o'lchovda qo'llanilsa. Global maqbullikni topish uchun filtrlangan tasvirdagi transformatsiyani baholash kerak. Quyidagi rasm transformatsiyani topish uchun piramidal filtrdan qanday foydalanishni tasvirlaydi.^[9]

Yadikada (va ITK) ishlatiladigan piramidal jarayon.

Muntazamlashtirish

Ko'rsatkichlar ko'pincha tasvir energiyasi deb ataladi; odamlar odatda mexanik taxminlardan kelib chiqadigan energiyani qo'shilishni Laplasiyan deb o'zgartiradilar (Tixonovni tartibga solishning alohida hodisasi ^[10]) yoki hatto cheklangan element muammolari. Ko'pgina hollarda Gauss-Nyuton muammosini hal qilmaslikka qaror qilgani sababli, bu echim CPU samaradorligidan uzoqdir. Cachier va boshq.^[11] tasvirni va mexanik energiyani minimallashtirish muammosini energiya tasvirini echishda isloh qilish, keyin har bir iteratsiyada Gauss filtrini qo'llash mumkinligini namoyish etdi. Biz ushbu strategiyadan Yadikada foydalanamiz va PIV-da keng qo'llanilganligi sababli median filtrini qo'shamiz. Shuni ta'kidlash kerakki, o'rtacha filtr uzilishlarni saqlab qolish bilan mahalliy minimadan qochadi va filtrlash jarayoni quyidagi rasmda keltirilgan:

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

^ ^a ^b ^v S. Klein, M. Staring, K. Murphy, M. A. Viergever va J. P. W. Pluim, "Elastix: intensivlikka asoslangan tibbiy tasvirni ro'yxatdan o'tkazish uchun asboblar qutisi", Tibbiy tasvirlash, IEEE operatsiyalari, jild. 29, 1-son, 196-205-betlar, 2010 y
^ J. Rétore, T. Elguedj, P. Simon va M. To'g'ri, "Raqamli tasvir korrelyatsiyasi bilan joy almashtirish hosilalarini o'lchash uchun nurlanish funktsiyalaridan foydalanish to'g'risida", eksperimental mexanika, jild. 50, nashr. 7, 1099–1116-betlar, 2010 y.
^ G. Besnard, F. Xild va S. Rou, "Raqamli tasvirlardan elementlarning siljish maydonlarini tahlil qilish: portevin-le chatelier guruhlariga qo'llash", Eksperimental mexanika, jild. 46-son 6, 789-803-betlar, 2006 y.
^ J.Rethoré, S.Roux va F.Hild, "Rasmlardan kengaytirilgan cheklangan elementlarga: kengaytirilgan raqamli tasvir korrelyatsiyasi (x-dic)", Comptes rendus mécanique, jild. 335, nashr. 3, 131-137 betlar, 2007 y.
^ R. Xamam, F. Xild va S. Roux, "Raqamli tasvir korrelyatsiyasi bilan stressni kuchaytiruvchi omillarni o'lchash: tsiklik charchoqda qo'llash", Strain, vol. 43-son 3, 181-192 betlar, 2007 y.
^ F. Xild va S. Roux, "Stress intensivligi omillarini kamera bilan o'lchash: integral raqamli tasvir korrelyatsiyasi (i-dic)", Comptes rendus mécanique, jild. 334, nashr. 1, 2006 yil 8-12 betlar.
^ F. Xild, S. Roux, N. Gerrero, M. Marante va J. Flopes-Llopes, "Raqamli tasvir korrelyatsiyasidan foydalangan holda mahalliy chayqalishga duchor bo'lgan temir nurlarning konstitutsiyaviy modellarini kalibrlash", Evropa mexanika jurnali - qattiq / qattiq moddalar , vol. 30-son 1, 2011 yil 1-10 betlar.
^ F. Xild va S. Roux, "Raqamli tasvir korrelyatsiyasi: siljishni o'lchashdan elastik xususiyatlarni aniqlashgacha? Sharh", Strain, vol. 42, nashr. 2, 69-80-betlar, 2006 y.
^ TS Yoo, MJ Ackerman, WE Lorensen, W. Schroeder, V. Chalana, S. Aylward, Dimitris Metaxas va R. Whitaker, "Tasvirni qayta ishlash uchun muhandislik va algoritm dizayni: itk bo'yicha texnik hisobot - tushuncha vositasi, ", 586-592 betlar, 2002 y.
^ A. N. Tixonov va V. B. Glasko, "Lineer bo'lmagan masalalarda tartibga solish usulidan foydalanish", SSSR hisoblash matematikasi va matematik fizika, j. 5, nashr. 3, 93-107 betlar, 1965 y.
^ P. Kachier, E. Bardinet, D. Dormont, X. Pennec va N. Ayache, "Nonrigid ro'yxatga olishning ikonik xususiyati: PASHA algoritmi", kompyuterni ko'rish va tasvirni tushunish, vol. 89, 2? 3-son, 272–298-betlar, 2003 y.

Tashqi havolalar

Rasmiy veb-sayt

[Elastix-1] v S. Klein, M. Staring, K. Murphy, M. A. Viergever va J. P. W. Pluim, "Elastix: intensivlikka asoslangan tibbiy tasvirni ro'yxatdan o'tkazish uchun asboblar qutisi", Tibbiy tasvirlash, IEEE operatsiyalari, jild. 29, 1-son, 196-205-betlar, 2010 y

[2] J. Rétore, T. Elguedj, P. Simon va M. To'g'ri, "Raqamli tasvir korrelyatsiyasi bilan joy almashtirish hosilalarini o'lchash uchun nurlanish funktsiyalaridan foydalanish to'g'risida", eksperimental mexanika, jild. 50, nashr. 7, 1099–1116-betlar, 2010 y.

[3] G. Besnard, F. Xild va S. Rou, "Raqamli tasvirlardan elementlarning siljish maydonlarini tahlil qilish: portevin-le chatelier guruhlariga qo'llash", Eksperimental mexanika, jild. 46-son 6, 789-803-betlar, 2006 y.

[4] J.Rethoré, S.Roux va F.Hild, "Rasmlardan kengaytirilgan cheklangan elementlarga: kengaytirilgan raqamli tasvir korrelyatsiyasi (x-dic)", Comptes rendus mécanique, jild. 335, nashr. 3, 131-137 betlar, 2007 y.

[5] R. Xamam, F. Xild va S. Roux, "Raqamli tasvir korrelyatsiyasi bilan stressni kuchaytiruvchi omillarni o'lchash: tsiklik charchoqda qo'llash", Strain, vol. 43-son 3, 181-192 betlar, 2007 y.

[6] F. Xild va S. Roux, "Stress intensivligi omillarini kamera bilan o'lchash: integral raqamli tasvir korrelyatsiyasi (i-dic)", Comptes rendus mécanique, jild. 334, nashr. 1, 2006 yil 8-12 betlar.

[7] F. Xild, S. Roux, N. Gerrero, M. Marante va J. Flopes-Llopes, "Raqamli tasvir korrelyatsiyasidan foydalangan holda mahalliy chayqalishga duchor bo'lgan temir nurlarning konstitutsiyaviy modellarini kalibrlash", Evropa mexanika jurnali - qattiq / qattiq moddalar , vol. 30-son 1, 2011 yil 1-10 betlar.

[8] F. Xild va S. Roux, "Raqamli tasvir korrelyatsiyasi: siljishni o'lchashdan elastik xususiyatlarni aniqlashgacha? Sharh", Strain, vol. 42, nashr. 2, 69-80-betlar, 2006 y.

[9] TS Yoo, MJ Ackerman, WE Lorensen, W. Schroeder, V. Chalana, S. Aylward, Dimitris Metaxas va R. Whitaker, "Tasvirni qayta ishlash uchun muhandislik va algoritm dizayni: itk bo'yicha texnik hisobot - tushuncha vositasi, ", 586-592 betlar, 2002 y.

[10] A. N. Tixonov va V. B. Glasko, "Lineer bo'lmagan masalalarda tartibga solish usulidan foydalanish", SSSR hisoblash matematikasi va matematik fizika, j. 5, nashr. 3, 93-107 betlar, 1965 y.

[11] P. Kachier, E. Bardinet, D. Dormont, X. Pennec va N. Ayache, "Nonrigid ro'yxatga olishning ikonik xususiyati: PASHA algoritmi", kompyuterni ko'rish va tasvirni tushunish, vol. 89, 2? 3-son, 272–298-betlar, 2003 y.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]