柱狀巖心成像研究與實現

唐 韜 ，王正勇 ，何海波 ，王 松

（1.四川大學 電子信息學院 圖像信息研究所，四川 成都 610064；2.成都西圖科技有限公司，四川 成都 610064）

巖心是油氣勘探開發研究工作中最關鍵、最直觀的信息，也是反復使用的實物資料，油田石油地質分析數據和地球物理勘探的物理參數均來自于巖心[1]。肉眼觀察巖心表面容易忽略一些細節，不易掌握巖心全部信息量，而且巖心易風化和破損，因此，采集巖心圖像建立數據庫，對地質石油部門是非常必要的一項工作。本文針對柱狀巖心成像進行研究，通過面陣CCD采集柱狀巖心外表面圖像，經過全局光照校正和桶形校正預處理，采用最佳拼接線算法拼接融合，完成整個柱狀巖心表面圖像重建。

1 全局光照校正

物體顏色因投射光線顏色發生改變而隨著改變，在不同光線下CCD拍攝的圖像會有不同的色溫，而CCD不能像人眼一樣自動修正光線的改變，因此在進行圖像拼接融合之前，先進行圖像全局光照校正。

首先采集一張標準的白色圖紙作為標樣，計算出固定區域內R、G、B3 個分量之和nR、nG、nB， 然后將白色圖紙貼在柱狀巖心樣品旁一起采集，計算出此時圖片中白色圖紙某一區域內R、G、B3個分量之和nFirstR、nFirstG、nFirstB；以nR、nG、nB作為定標標準，求出 3個通道增益系數：

然后根據計算出來的3個通道的增益數，將柱狀巖心樣品圖像像素點各分量與增益系數的乘積作為光照校正的輸出，從而實現光照校正。

2 圖像畸變校正算法

本文采用的是面陣CCD，一方面因鏡頭等原因會造成圖像畸變；另一方面待成像的物體為柱面，不是平面物體，因此成像時，當相機聚焦到某一平面時，其他平面的目標映射到像平面時會發生畸變。這些畸變將影響圖像拼接，因此需恢復畸變后的各點在其柱面上的原始位置，即對畸變進行校正。

本文采用網格模板校正法[2]，基本思想是：通過在基準圖像中獲取一定的控制點和對應畸變圖像的點來進行計算從而得到整個圖像的畸變映射關系，然后根據已得映射關系對圖像中所有像素點進行搬移，從而達到畸變校正的效果。

首先根據模板獲得一幅基準柱狀巖心圖像和一幅畸變柱狀巖心圖像，令點（x，y）是畸變圖像中一點，點（u，v）是基準圖像中的對應點，則（x，y）和（u，v）的對應關系為：

其中，aij、bij為多項式的系數；n為多項式的次數，本文取n=3。

式（2）中的各待定系數可以利用L對控制點按最小二乘法原理來求得，即：

使 εx、εy為最小的aij、bij即為求得的各待定系數。

將選定控制點對代入式（2）、式（3）進行計算就可以得到多項式系數，即得到了基準圖像和畸變圖像之間的映射關系，后面便根據此映射關系校正在同等條件下產生的畸變圖像。

3 圖像自動拼接

要完成360°外表面圖像采集，需采集多幅圖像然后再拼接。為此，固定CCD，運用單片機控制旋轉機構從而使柱狀巖心旋轉，每旋轉30°，采集一幅圖像并傳送到計算機，直到完成柱狀巖心360°表面圖像的采集。在圖像拼接過程中，首先用塊匹配法完成兩幅圖像的配準，再使用最佳拼接線算法完成兩幅圖像的拼接融合。

3.1 塊匹配法

本文采用全搜索塊匹配算法來實現兩幅圖像配準，由于柱面巖心每次順時針旋轉30°拍攝一次，可知搜索區域為前一張圖中心線下半部分和當前圖中心線上半部分，大大減小搜索的工作量。 若{xc（i，j）}和{xp（i+Δi，j+Δj）}分別表示當前圖像中選取的大小為n×n子塊的像素值和前一圖像搜索區域中待匹配子塊的像素值，基于最小均方誤差匹配準則的全搜索塊匹配算法就是在搜索區域里尋找滿足式（4）的（Δi，Δj），從而獲得位移矢量 V=（Δi，Δj）T，根據此位移矢量完成兩幅圖的配準。

3.2 最佳拼接線算法

當兩幅圖像配準完成后，接著采用最佳拼接縫法實現圖像融合。先計算出兩幅圖像對應的重疊區域各點像素差，然后從重疊區域各行第一個像素點開始與上、下像素點比較。像素差最小的像素點作為此路線的節點，右移一列，重復此操作，直到完成最后一列的比較，計算出這條路線像素差之和。統計重疊區域中各路線像素差之和，像素差之和最小的路線即為最佳拼接線。找到最佳拼接線后，最佳拼接線上面的重疊區域部分取第一幅圖像在該區域的值，最佳拼接線下面的重疊區域取第二幅圖像在該區域的值，這樣即可完成兩幅圖像的拼接融合。兩幅圖像拼接融合流程圖如圖1所示。

圖1 圖像拼接融合流程

4 實驗結果

為驗證巖心柱狀成像的有效性，本文用面陣CCD采集小直徑的柱狀巖心圖像進行拼接融合成像測試。每次采集完圖像后，巖心順時針旋轉30°，這樣重復12次，把整個巖心外表面采集完，然后將采集的圖像按采集先后順序標好號。對第1張圖和第2張圖進行全局光照校正和桶形校正，再采用塊匹配法配準后采用最佳拼接線算法融合得到一個結果圖。同樣對第3張圖先進行全局光照校正和桶形校正，與前面融合的結果圖進行塊匹配配準后采用最佳拼接線算法融合。后面9張圖像重復前面的操作后，生成最終結果圖，完整地展現了柱狀巖心的表面圖像。

圖2為采集柱面巖心外表面圖像序列，圖3為拼接融合后的外表面結果圖。

圖2 采集的柱面巖心外表面圖像序列

圖3 拼接融合后的柱面巖心外表面全景圖

本文實現了360°圓柱狀巖心外表面圖像采集及拼接融合，得到了柱狀巖心的360°全景圖，拼接融合效果較好，在石油勘測等工程上已得到應用。但目前主要針對小直徑柱狀巖心的拼接融合，對較大直徑巖心的拼接融合，還需探索和實踐。

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[3]吳開興，段馬麗.新的桶形畸變的點陣樣板校正方法[J].計算機應用，2012，32（4）：1113-1115.

[4]張顯全，唐振軍，盧江濤.基于線匹配的圖像拼接[J].計算機科學，2005，32（1）：221-223.

[5]林婧.基于序列圖像的全景圖像拼接技術的研究[D].沈陽：沈陽理工大學，2010.

[6]朱廣征，沈振康.一種改進的完全搜索塊匹配算法[J].紅外與激光工程，2004，33（4）：388-391.