（光学工程专业论文）基于线阵ccd的岩屑识别系统设计与实现.pdf

i、il i i iti it illi iil li iuiil y 18 2 8 6 2 7 基于线阵c c d 的岩屑识别系统设计与实现 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 妒f 口d 们 一鳘 ：睾： j ，：j ：。、 彝 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名嘎尹t 移丕l 签字日期：矽p 年厂月1 矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名：勿瑙 签字日期：l 口年y 月p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 新擗夕晦切 签字日期：矽吣年月h 日 电话： 邮编： 摘要 基于线阵c c d 的岩屑识别系统设计与实现 在石油勘探与开发过程中使用p d c ( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t ) 钻头会造 成岩石破碎程度较大，产生的岩屑颗粒细小，人工难以准确判断出岩屑的真实岩性， 严重影响了录井岩屑的定名和描述，致使部分探井剖面符合率大幅下降。因此，迫 切需要研制出一套可用于现场录井工作的p d c 岩屑岩性识别系统。尽管目前国内已 有公司开发出岩屑录井仪器，但岩屑识别的准确度和适用性仍有待提高。近年来， 数字图像采集与处理技术以其较高的灵活性、较广的适应面以及可靠的处理精度， 在各行各业得到广泛的应用，但是石油勘探领域的应用却少见报道。因此，针对当 前岩屑录井现场岩屑颗粒小、难以识别的特点，本论文采用数字图像处理技术设计 并实现了一套基于线阵c c d 的高分辨率岩屑识别系统，并通过大量的测试实验完善 了系统功能，达到了现场应用的稳定性与适应性要求。 论文在整体上分为硬件和软件两大部分，其中，硬件部分通过器件的合理选型 和架构的优化设计，成功实现了岩屑数字图像的清晰拍摄。首先，c c d 选用了单线 像素为4 0 8 0 的b a s l e rl 3 0 4 k c 线阵c c d ，配合p i x c i e l l 图像数据采集卡使得 图像能够传输到p c 机上，配合最大倍数为1 ：l 的微距镜头使得图像的纹理细节信息 能更清晰地显示出来，配合丝杠带动的传送板匀速运动使得图像尺寸不会失真；然 后通过调用随机附带的库函数包对主要器件线阵c c d 的控制程序编写，以及通过对 机械装置中传送板的设计与控制程序编写，使得上位机软件可以实时准确地对它们 进行命令操作，达到使二者准确配合的目的；最后通过对硬件各器件的参数调节与 测试，包括微距镜头的光圈、放大倍数以及景深，线阵c c d 的曝光时间，传送板的 速率等，得出了最佳的参数配置，最终得到了要拍摄岩屑的清晰图像，并使之准确 的显示于p c 机上。 论文的第二部分工作是基于线阵c c d 拍摄图像的识别系统软件升级及测试，内 容包括数据库系统设计，软件识别系统设计及改进，岩屑识别方案的确定，以及系 统稳定性与现场适应性测试。首先搭建了基于o r a c l e 数据库的图像数据存储系统， 通过对数据库的规划与设定，将岩屑样本的数据及测试结果都能保存在本地硬盘上； 然后对软件界面进行设计与改进，同时加入了滚动条进程与图片的窗口查看功能， 使得控制整个图像处理与操作过程更加简捷明了；通过岩屑识别方案的确定实验， 得到了岩屑识别系统的最佳参数设置，将特征提取方式确定为g a b o r 变换，将分类 器确定为s v m 支持向量机并确定了其参数大小。最后通过对1 2 组单一岩性的岩屑 样本进行逐一测试，得出系统对其中1 0 种的岩屑样本都能达到9 5 的识别准确率， 又通过对6 组混合岩性的样本分别进行了5 次测试，得出系统对其中5 组混合样本 均能达到9 5 的识别准确率，该结果表明系统可保证较为可靠的现场录井工作。 综上所述，基于线阵c c d 的岩屑识别系统可实现p d c 岩屑的高清晰图像采集， 并能够通过数字图像处理技术完成岩屑颗粒的准确识别，对单一岩性与混合岩性的 岩屑样本的识别准确率可达9 5 以上，满足了录井现场对该系统的高智能化、高清 晰度、高准确率要求；但系统的图像处理过程耗时较长，继续改进软件算法，缩短 系统整体运行时间将是下一步工作的努力方向。 关键词：岩屑识别；石油录井；线阵c c d ；图像处理；微距镜头 4b s t r a c t d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc u t t i n g sr e c o g n i t i o n s y s t e mb a s e do nl i n e a rc c d i nt h ep r o c e s so fo i l e x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n t ，t h ea p p l i c a t i o no fp d c ( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t ) d r i l lc a u s e sag r e a t e rd e g r e eo fr o c kf r a g m e n t a t i o n ， p r o d u c et i n yc u t t i n g sp a r t i c l e s ，a n dm a k ei td i f f i c u l tt oa c c u r a t e l yd e t e r m i n et h et r u e l i t h o l o g yo fc u t t i n g sa r t i f i c i a l l y a n dt h i ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h el o g g i n gc u t t i n g sn a m i n g a n dd e s c r i p t i o n , r e s u l t i n gi ns i g n i f i c a n t l yr e d u c i n go fc o i n c i d e n c er a t eo fs o m ee x p l o r a t o r y p r o f i l e t h e r e f o r e ，i ti su r g e n tt od e v e l o pas e to fp d cl i t h o l o g yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e mf o r l o g g i n g o ns i t e a l t h o u g hd o m e s t i cc o m p a n i e sh a v ed e v e l o p e dc u t t i n g sl o g g i n g e q u i p m e n t ，t h ea c c u r a c ya n da p p l i c a b i l i t yo fc u t t i n g sr e c o g n i t i o nr e m a i nt ob ei m p r o v e d i nr e c e n ty e a r s ，d i g i t a li m a g ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di na l l s c a l eo fs o c i e t yf o ri t sh i 曲f l e x i b i l i t y , w i d ea r e ao fa d a p t a t i o na n dr e l i a b l ep r o c e s s i n g a c c u r a c y , b u tt h ea p p l i c a t i o ni nt h eo i le x p l o r a t i o ni sr a r e l yr e p o r t e d t om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fc u r r e n tc u t t i n g sl o g g i n gf i e l d ，i nt h i st h e s i s ，as e to fh i g h - r e s o l u t i o n c u t t i n g si d e n t i f i c a t i o ns y s t e mb a s e do nl i n e a rc c di ss p e c i a l l yd e s i g n e d a n da l s o i m p r o v e dt h es y s t e mf u n c t i o nt h r o u g he x t e n s i v et e s t i n ge x p e r i m e n t ，a c h i e v i n gt h es t a b i l i t y a n da d a p t a b i l i t ys t a n d a r d so ff i e l da p p l i c a t i o n t h ea u t h o r sm a i nw o r ki sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i nw h i c h h a r d w a r ed e v i c e ss u c c e s s f u l l ya c h i e v e dt h e c l e a rr e c o r d i n go fd i g i t a l i m a g e so ft h e c u t t i n g st h r o u g ht h er a t i o n a ls e l e c t i o no fd e v i c e sa n do p t i m i z ed e s i g no fs t r u c t u r e i nt h i s s y s t e m ，t h ei m a g e sw e r er e c o r d e db yal i n e a rc c d ( b a s l e rl 3 0 4 k c ) w i t h4 0 8 0p i x e l s ap i x c i e lif r a m eg r a b b e ri su s e dt ot r a n s f e ri m a g e st op c t h ei n f o r m a t i o no f i m a g et e x t u r ed e t a i l sc a nb ed i s p l a y e dm o r ec l e a r l yb yu s i n gm a c r ol e n sw h o s el a r g e s t m u l t i p l ei s1 ：1 ：u n d e rt h eu n i f o r mm o t i o no ft r a n s m i s s i o np l a t ew h i c hi sd r i v e nb ys c r e w , t h ei m a g es i z ei sn o td i s t o r t e d t h e nw ec o m p l e t e dt h ec o n t r o l l i n gp a r to fl i n e a rc c d b y i n v o k i n gt h el i b r a r yf u n c t i o n sp a c k a g ea t t a c h e dt ot h ec c d ，a n da l s oc o m p l e t e dt h ed e s i g n o fm e c h a n i c a ld e v i c e sp l a t ea n di t sc o n t r o lp r o g r a m m i n g ，s oa st oe n s u r et h a tp cs o f t w a r e c a ns e n dr e a l t i m ec o m m a n d sa n d o p e r a t e sa c c u r a t e l y a no p t i m u mp a r a m e t e r c o n f i g u r a t i o nw a sd e t e r m i n e dt h r o u g ha d j u s t i n ga n dt e s t i n gp a r a m e t e r so fe a c hh a r d w a r e d e v i c e ，i n c l u d i n ga p e r t u r eo f m a c r ol e n s ，z o o mm u l t i p l e sa n dd e p t ho ff i e l d ，e x p o s u r et i m e o fl i n e a rc c d ，t r a n s m i s s i o nr a t ea n ds oo n c l e a ri m a g e so fc u t t i n g sc o u l db ea c c u r a t e l y d i s p l a y e do np cf i n a l l y t h es e c o n dp a r to ft h i st h e s i si ss o r w a r eu p d a t i n ga n dt e s t i n g ，w h i c ha l eb a s e do n i m a g e sc a p t u r e db yt h i sl i n e a rc c d i ti n c l u d e sd a t a b a s ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g na n d i m p r o v e m e n to fr e c o g n i t i o ns y s t e m ，c u t t i n g si d e n t i f i c a t i o ns c h e m e ，a n da sw e l la st h e t e s t i n gp a r to fs y s t e ms t a b i l i t ya n da d a p t i v i t y a ni m a g ed a t as t o r a g es y s t e m ，b a s e do n o r a c l ed a t a b a s e ，w a sd e s i g n e dt os a v et h ed a t a sa n dt e s t i n gr e s u l t so fc u t t i n g ss a m p l eo n l o c a ld i s k st h r o u g hp l a n n i n ga n ds e t t i n gu pt h ed a t a b a s e t h eu p g r a d ew o r ko ns o f t w a r e i n t e r f a c ew e r ea sf o l l o w s s c r o l lb a rp r o c e s s e sw a sa d d e da n ds oa st h ep i c t u r e sv i e w i n g f u n c t i o n sf r a m e ，m a k i n gt h ei m a g ep r o c e s s i n ga n do p e r a t i n gp r o c e s sm o r es i m p l ea n d c l e a r a ni d e n t i f y i n ge x p e r i m e n t a lo fc u t t i n g si d e n t i f y i n gs c h e m ew a sm a d et oo b t a i nt h e b e s tp a r a m e t e rs e t t i n g so ft h i sc u t t i n g sr e c o g n i t i o ns y s t e m ，a n dg a b o rw a sd e t e r m i n e da s t h ef e a t u r ee x t r a c t i o nm e t h o d s v m ( s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ) w a sd e t e r m i n e da st h e c l a s s i f i e ra n di t sp a r a m e t e r sw e r ec o n f i g u r e d f i n a l l y , t h r o u g h12g r o u p s t e s t i n go f c u t t i n g ss a m p l e sw i t l ls i n g l el i t h o l o g y , ac o n c l u s i o nw a sm a d et h a tt h er e c o g n i t i o n a c c u r a c yr a t ef o r10g r o u p sr e a c h e d9 5 ；t h e na f t e re a c h5t e s t so f s i xg r o u p so fm i x e d l i t h o l o g ys a m p l e s ，al e a s tr e c o g n i t i o na c c u r a c yr a t ew a sg o ta s9 5 f o r5g r o u p s ，w h i c h s h o w st h a tt h es y s t e mc a ne n s u r eap e r f e c ta d a p t i v i t yi nl o g g i n gw o r ks i t e i ns u m m a r y , h i g h - r e s o l u t i o ni m a g e so fp d c c u t t i n g sc a nb ec a p t u r e db yt h i sc u t t i n g s r e c o g n i t i o ns y s t e mb a s e do nl i n e a rc c d ，a n dh i g hr e c o g n i t i o na c c u r a c yr a t ei sa c h i e v e d u s i n gd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ：t h e a c c u r a t er a t eo fi d e n t i f i c a t i o no f s i n g l e l i t h o l o g yc u t t i n g sa n dc u t t i n g sw i t hm i x e dl i t h o l o g yb o t l lr e a c h9 5 t h i sr e s u l t m e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g hi n t e l l i g e n c e ，h i g h r e s o l u t i o n ，h i g ha c c u r a c yo fl o g g i n gs i t e f o rt h es y s t e m ，b u tt h ei m a g ep r o c e s s i n go ft h i ss y s t e mt a k e sab i tl o n gt i m e ，s ot h e d i r e c t i o no fo u rf u r t h e rw o r ki st oi m p r o v et h es o f t w a r ea l g o r i t h m si no r d e rt or e d u c et h e o v e r a l lu p t i m e k e yw o r d s ：c u t t i n g si d e n t i f i c a t i o n ；o i ll o g g i n g ；l i n e a rc c d ；i m a g ep r o c e s s i n g ； m i c r ol e n s v i i i 目录 扉页 独包声明。 摘要 b 录 引言 第一章 第二章 o 1 研究背景和意义 0 2 本论文的主要工作及章节安排 线阵c c d 概述 1 1c c d 的分类 1 2 线阵c c d 工作原理 1 2 1同步信号输入 1 2 2 视频信号输出 1 2 3 空间校正 1 3 数字图像采集卡 1 4 线阵c c d 的特点及应用 数字图像识别技术 2 1 数字图像处理技术简介 2 2 图像识别方法与流程 2 2 1图像识别流程 2 2 2 分类器原理 2 3 数据存储系统 2 3 1o r a c l e 数据库简介 2 3 2o r a c l e 数据库存储结构 i i i i 1 ， 1 1 ：， 叶。 4 5 妇 5 6 6 t j 6 8 9 1 0 1 1 1 1 1 2 1 2 1 4 18 18 l9 第三章 第四章 第五章 参考文献 附录 2 3 3o r a c l e 数据库的构建 基于线阵c c d 的岩屑采集系统的设计与实现 3 1 系统总体设计与器件选型 3 1 1 系统总体设计 3 1 2 系统关键器件选型 3 2 线阵c c d 的控制程序设计 3 2 1x c a p 软件配置c c d 3 2 2 基于图像采集卡的控制程序设计 3 3 采集系统机械装置控制 3 4 采集系统参数配置 3 5 本章小结 岩屑识别系统优化设计与测试 4 1 岩屑识别系统的优化设计 4 1 1 数据库设计 4 1 2 软件界面优化设计 4 1 3 岩屑识别方案优化 4 2 岩屑识别系统初步测试 4 2 1 实验方案及流程 4 2 2 测试结果 4 2 3 结果分析 4 3 岩屑识别系统现场适应性测试 4 3 1 实验方案与测试结果 4 3 2 结果分析 4 4 本章小结 总结与展望 5 1 论文工作总结 5 2 存在的问题及下一步工作努力方向 侈 殂 扒 殂 挖 拍 撕 勰 剪 如 记 骼 弘 弘 剪 乾 钳钳 舛 钙 钞 钞 甜 钳 铉 舄 致谢 攻读硕士学位期间参加的工作 学术论文情况 5 9 6 l 6 2 引言 0 1 研究背景和意义 p d c ( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c tb i o 钻头是美国石油钻井工程二十世纪七 十年代末八十年代初的一项重大技术成就【l l ，我国从八十年代中后期开始引进、生产， 并于九十年代初在石油钻井领域得到了推广应用，它使得钻井技术有了相当程度的 飞跃。在传统的钻井过程中，牙轮钻头和刮刀钻头【2 l 直占据主导地位，它的机理是 对地层的冲压破碎和剪切破碎；而p d c 钻头与传统的牙轮钻头、刮刀钻头不同，它 主要利用低钻压、高转速的切削原理，通过剪切力来破碎岩石，相比于牙轮钻头具 有成本低、寿命长、机械钻速高的特点。据统计，p d c 钻头的井下工作时间是普通 钻头的5 8 倍，进尺是普通钻头的4 - - 6 倍1 3 j 。同时还具有防斜、纠斜及岩屑便于钻井 液携带，保持井底清洁等特点，因而备受青睐，在国内钻井业中得到广泛应用。 但在钻井过程中，一般情况下p d c 钻头对岩石的破碎程度大，产生的岩屑颗粒 细小，由于这些因素【4 j ，岩屑录井面临着难于判断真实岩性、不易分层描述、观察油 气显示困难等，致使部分探井剖面符合率下降；同时，p d c 对岩屑录井油气层识别 与评价的影响也较大：原来利用牙轮钻头所钻的岩屑，颗粒比较大，岩屑的岩性用 肉眼便可进行识别与描述。使用p d c 钻头后，由于岩屑颗粒特别细小，泥浆对岩屑 的冲刷性严重，对岩屑的岩性描述造成很大的困难。因此，研究出一套p d c 钻头条 件下的岩屑录井方法，是目前勘探形势下提高勘探综合效益的需要，也是录井技术 发展的需要，具有较大的理论和实际意义。 国内外录井行业均非常关注这项技术难题，但国外油气技术服务公司对此项技 术基本上没有开展过针对性的研究( 可能主要由于地质剖面相对简单、随钻井下测 量技术f e w d 等较广泛的应用，以及录井公司所担负的职责与国内不同等原因导 致) 。 国内多家研究单位和录井公司开展了一定的前期研究工作。胜利录井公司【5 】对 基于线阵c c d 的岩屑识另l j 系统设诗与实现z s u n , 2 0 1 0 p d c 钻头影响录井工作的主要方面进行了总结，并且在对大量已钻井资料进行对比 分析的基础上，开展了一些基础性的研究工作，主要是深入总结了p d c 钻头对录井 技术影响的具体体现，对不同类型p d c 钻头的影响程度进行了分析，制定了初步的 解决方案。 中原油田录井公司【6 】开发了一套地面岩屑伽玛测量系统，在岩屑捞取到地面以 后，用伽玛测量仪逐包进行测量，根据自然伽玛值的连续变化来判断是否为储层， 原理与伽玛测井相同，对砂泥岩剖面的岩屑描述能够起到一定的辅助作用；同时， 他们还利用三年时间研制出用于岩屑岩性识别的岩屑图像分析技术，成功的进行了 岩性的识别，准确率高达8 5 ，但由于其硬件系统的限制，每次分析的岩屑数量有 限，很难满足现场大量岩屑描述的需求。 中国电子科技集团公司第二十二研究所7 1 与河南油田合作在岩屑图像识别方法 研究、岩屑描述辅助系统研制方面做过基础研究工作，开发研制了s m y - 2 岩屑描述 仪，利用地球物理岩性检测技术和计算机图像识别技术，检测岩屑砂泥岩含量比例 和油屑荧光含量比例。其中基于自然伽马的岩性检测技术的精度达到了8 0 。 以上方法能够对岩屑描述起到一定的作用，但离现场的要求还有较大差距，因 此，以图像分析技术为基础，开发出一套适合于现场应用的、高分辨率、大视场岩 屑识别系统是本论文研究的目的所在。 中国海洋大学与胜利石油管理局地质录井公司合作，目的为建立一套p d c 钻头 条件下岩屑录井方法。在此条件下，实验室展开了一系列的工作，前期已经搭建了 两套拍摄系统，第一套采用s o n yd s c t 1 相机作为拍摄器件，以环形节能灯作为光 源，但其分辨率与清晰度不能兼顾，而且景深受限。第二套系统采用c a n o ne o s2 0 d 相机作为拍摄器件，配合m a c r o m p e6 5 m mf 2 81 - 5 x 镜头使用，分别以环形节能 灯和白色l e d 作为光源，拍摄出图像效果虽然达到要求，但由于其自身限制不能满 足于现场大视场的环境。 同时，实验室的前期工作对用数码相机拍摄到的清晰岩屑图像进行了分析，得 出了适合于岩屑分析的特征提取方式。 电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ，c c d ) ，是2 0 世纪7 0 年代仞1 8 l 发展起 来的新型半导体集成光电器件。近年来，计算机技术的快速发展，新型c c d 不断出 2 基f 线阵c c d 的岩屑识别系统设计与实现。z s u n , 2 0 1 0 现，而且性能有了很大提高，c c d 器件的应用也日益广泛，在我们日常生活中发挥 着越来越大的作用，并已深入到军事、科研及生活的各个领域，使得使用计算机作 为对c c d 信号处理的终端成为最重要的手段之一1 9 】。而数码产品的日益普及和使用， 更增加了计算机和c c d 器件通信的重要性，如数码相机、数码摄像机、数据采集卡 等都是将摄入的数据输入计算机来供人们使用。 3 0 多年来c c d 技术有了惊人的发展，不仅先后研制出了多种系列、不同功能的 c c d 器件，而且在信号处理、数据存贮、光电传感等领域都获得了日趋广泛的应用， 尤其在光电传感或光电成像【1 0 】方面发展极为迅速。它己经成为现代光电子技术和测 控技术领域中最活跃最富有成果的新技术，c c d 技术的研究也受到世界各国的普遍 重视。美国、日本等发达国家在c c d 图像传感器f l l 】的研制和应用方面取得了令人瞩 目的成果。目前，国外已制成线阵5 0 0 0 位【1 2 】以上，面阵8 0 0 x 8 0 0 、1 0 2 4 x 1 0 2 4 、 1 2 8 0 x 1 2 8 0 、2 0 4 8 x 2 0 4 8 、4 0 9 6 4 0 9 6 位的超高集成度和超高分辨率的器件。日本的 东芝公司【1 3 j 就推出了7 5 0 0 像元的线阵c c d 器件，现在c c d 器件的像元尺寸已经可 以达到小于4 p m 0 4 1 的水平。国内的c c d 图像传感器的研制工作也正在进行中。c c d 器件的像元数目增多，光敏元间距减小，意味着测量精度的提高。c c d 结构从开始 时的单沟道结构，发展为双沟道结构f 1 5 】，如今正向性能更好的改进结构发展。c c d 技术也因此成为当今世界新技术研究的一大热点，并且成为现代光电技术和现代测 试技术领域中最有发展前途的技术手段之一。 随着大规模集成电路的飞速发展，数据采集系统在工业应用和科学研究中的重 要地位日益显露，并正在向高速、高分辨率、高集成化1 1 6 】和高可靠性的方向发展， 而c c d 器件，有自扫描、高分辨率、高灵敏度、重量轻、体积小、像素位置准确、 耗电少、寿命长、可靠性好、信号处理方便、易于与计算机配合等其他c m o s 器件 1 7 1 无法比拟的特点。因此对c c d 信号进行数据采集1 硼并将采集到的数据送入计算机 进行处理或使用，己经成为对c c d 信号处理的最主要的方式【1 9 】之一。 本论文的主要工作是在前期实验工作的基础上设计并实现一种基于线阵c c d 2 0 1 的岩屑识别系统。使得图像能够清晰准确的显示在p c 机上，并通过软件识别系统， 经过数字图像处理对得到的岩屑图像进行分析处理，得到系统对岩屑的识别准确率， 使之能够达到现场对岩屑的识别要求。 3 基于线阵c c d 的岩属识另l j 系统设计s 实现z s u n , 2 0 1 0 0 2 论文的主要工作及章节安排 本论文通过对岩屑识别系统硬件的设计与器件选型，构建出了采集系统的外壳； 然后通过对主要器件线阵c c d 的控制程序编写，达到了使图像准确无误地传输到p c 机的目的；同时通过对机械装置中传送板的控制设计与程序编写，使得上位机软件 能够准确地进行控制；最后通过对硬件各器件的参数调节与测试，得出了最佳参数 配置，并能使图像清晰的呈现在p c 机上。在构建出采集系统硬件装置的前提下，首 先搭建了数据库部分，将岩屑样本的数据及测试结果都能保存在本地硬盘上；通过 软件界面的设计，使得控制整个图像处理过程更加简捷明了；然后通过岩屑识别方 案的确定实验，得到了一组岩屑识别的参数设置，并通过单一岩性测试与混合样本 测试对整个识别系统稳定性与识别准确率进行测试，最终得到系统对当前样本的的 识别率达到9 5 以上，这个结果可满足当前录井现场的要求。 本论文各章的主要内容安排如下： 第一章介绍了c c d 的分类以及线阵c c d 的工作原理。包括信号输入、信号输 出、空间校正。同时还简单介绍了线阵c c d 的优势及应用。 第二章为数字图像识别技术简介，包括数字图像处理及识别技术的方法和流程， 以及数据库存储系统的介绍。 第三章为岩屑采集系统的硬件系统设计与实现。包括系统的总体设计规划，硬 件的选型，线阵c c d 的程序控制以及采集系统参数配置。 第四章在得到清晰图像的基础上，对岩屑识别系统进行软件的设计及优化，包 括数据库设计，软件界面设计，岩屑识别方案以及岩屑识别系统优化。同时还对得 到的岩屑图像进行了分组测试，得到其识别准确率。 作为论文的最后一部分，第五章在对论文整体工作总结的基础上，从系统识别 算法、运行时间等方面提出了进一步努力的方向。 4 第一章线阵c c d 概述 作为系统的主要元器件，线阵c c d 较面阵c c d 有着诸多优点，目前，线阵c c d 应用技术已成为集光学、电子学精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，并被 广泛应用于工件尺寸测量、工件表面质量检测、光谱分析等高精度测量等现代光学 和光电测试技术领域【2 1 1 。本章通过介绍c c d 器件的分类，线阵c c d 的工作原理、 优势及其应用，对线阵c c d 作一整体概述，为后续章节的系统设计与实现提供详细 的背景资料。 ； 1 1 c c d 的分类 电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，简称c c d ，是一种集光电转换、电荷 一 存储、电荷转移为一体的传感器件2 2 1 。它是由整齐紧密排列的若干个小的光敏元( 通 常称为像素) 组成的阵列，总约有几十万甚至上千万个。它们的作用就相当于人的 视网膜上的感光细胞，能够感受照射在它们上面的光的强弱与色彩。 根据光敏元件排列形式的不同，c c d 固态图像传感器可分为线阵和面阵f 2 3 1 两种。 存l = 鼍萄侔 凄出穆谴弗存摹转彗 竞簟冤 锄壤吐l 移位控麓 图1 1 面阵c c d 结构示意斟2 4 1图1 2 线阵c c d 结构示意图【2 4 j 面阵c c d 是由一系列排列成面阵的小光敏元件组成的探测器阵列，它是一种场 转移面型摄像器件【2 卯，上面是光敏元面阵，中间是存储器面阵，下面是读出移位寄 存器，其结构示意图如图l l 所示。 线阵c c d 由一系列光敏元组成，用于检n - 一维变量【2 6 1 ，如液面的水平和金属丝 拉伸时的粗细变化，平面结构如图1 2 所示。因为线阵c c d 只需一列分辨单元，芯 基t 线阵c c d 的砉屑识另i j 系统设计与实现z s u n , 2 0 1 0 片面积小，读出结构也简单，容易获得沿器件光敏元排列方向上很高的空间分辨率。 线阵c c d 由一列光敏元和一列读出移位寄存器【2 刀并行组成，在两者之间有一个转移 控制器。 1 2 线阵c c d 工作原理 在实际应用中，c c d 像元数越多，分辨率就越高，同时c c d 的电荷转移效率也 会下降，综合各因素考虑，本系统采用了德国b a s l e r 公司生产的l 3 0 4 k c 线阵c c d 作为系统采集部分的主要元器件。以l 3 0 4 k c 为例说明线阵c c d 的结构与工作 原理。 1 2 1同步信号输入 在l 3 0 4 k c 相机中，唯一可以作为控制信号输入的就是e x t e m a ls y n c ( e x s y n c ) s i g n a l ，即外部同步信号。 外部同步信号可用来控制线阵c c d 的曝光时间和每一线的读出。它是一个在c a m e r al i n k 标准中指定的r s 一6 4 4l v d s 信号，通常由图像采集卡传送给c c d 。外 部同步信号可通过c a m e r al i n k 标准中指定的2 6 针m d r 接口中的第9 和2 2 针输入 至f jc c d 中。 当c c d 正工作在外部同步信号的控制过程中时，有三种曝光控制模式可用：边 缘触发、电平控制触发以及程序控制触发。 线阵c c d 的线速率决定于外部同步信号的周期，如式1 1 所示： 1 l i n e r a t e = 二一 ( 1 1 ) e x s y n c s i g n a l p e r i o d 二者互为倒数，但应注意的是，外部同步信号为边缘敏感信号，因此必须保证 信号的切换。由于线阵c c d 本身响应时间限制，外部同步信号的最短时间为0 1 p s 。 1 2 2 视频信号输出 l 3 0 4 k c 线阵c c d 可工作在三种视频输出模式：3t 印8b i t ( 且o ：每个时钟周期 3 像素，每个像素8 位) 、2t a p1 0b i t 、2t a p8b i t 。在一般情况下，应将线阵c c d 设置为3t a p8b i t 模式。在此模式下，c c d 将在3 0 m h z 的像素时钟内工作。在每 一个时间周期内，c c d 分别同时传输8 位的r 、g 、b 像素，l 位线有效位( 1 i n ev a l 6 基f 线阵c c d 的岩屑识别系统设计与实现z s u n , 2 0 1 0 i db i t ) ，l 位数据有效位( d a t av a l i db i t ) 。 相机的像素时钟用来限定视频数据的采集和传输，如图1 3 所示，在一个像素时 钟的每一个上升沿，c c d 开始采集和传输数据。线有效位表示一行有效的线像素诈 在传输，数据有效位表示有效的数据正在传输。只有当线有效位和数据有效位同时 为高电平时，才会说明像素数据的有效性。 垤d a w t a。，厂_ li v a w t - _ j l - - 一 鼹d a t a 忍囝谨沤溷阔闷h h 副翻，口口咽旧啜坍k 戮蛩园囝 露麟x 麓戮戮蛩国 园g 国蛭逡耀燎笺溪黧黧蛩多囝 警囝o o o o o o o o o o o o o 口o o 囝囝 ，b h 糟= 棚 图1 - 3 边缘触发或电平控制触发下，3t a p8b i t 视频输出模式示意图 从图1 3 中可以看出，在像素数据开始传输的周期，线有效位与数据有效位将会 升为高电平。在这个时钟周期内传输的数据中，有8 位是承载着r e d 线的“l ”号像素， 8 位是承载着g r e e n 线的“l ”号像素，8 位是承载着b l u e 线的“1 ”号像素。 在像素时钟的第二个周期，线有效位与数据有效位又将会升为高电平。在这个 时钟周期内传输的数据中，有8 位是承载着r e d 线的“2 ”号像素，8 位是承载着g r e e n 线的“2 ”号像素，8 位是承载着b l u e 线的“2 ”号像素。 这种模式将会持续到这一线的所有像素均被传输( 一共4 0 8 0 个周期) 。 当所有的像素均被传输完毕之后，线有效位与数据有效位将会回归为低电平， 同时表明当前不再有像素数据传输。 7 一兰一兰 哺越 d 镪 龇 基f 线阵c c d 的砉屑识别系统设计与实现 z s u n , 2 0 1 0 1 2 3 空间校正 线阵c c d 传感器有三条像素线，l 3 0 4 k c 每两线的间距为9 0 1 上m ，由于像素线之 间的这个距离，使得每条线( r 、g 、b ) 对被拍摄物体都有不同的视场，如图l 一4 所示。 无论在何时触发曝光，传感器中的三条线都同时曝光，这表明，对于每一次曝光， 每一条线所拍摄的都是物体不同的区域。 图1 4 每一线的视场范围 假设a 为线阵c c d 下运动的物体的一小部分区域，如图1 5 所示，当物体通过 c c d 相机时，a 将会先后在不同的时间进入g 、r 、b 线的视场，这表明a 的g 信 息、r 信息、b 信息将在不同的曝光周期内被采集。 h卜一 l 一力l l 褥魏0 1 狡 晒翠o b j e c t， l | 图1 5 三个曝光周期采集到的a 物体信息 因此，为了得到a 的全部的r g b 信息，必须将这三个曝光周期内采集到的信息 进行合并，称之为空i 日j 校正。 只有当确定好了空问校正的参数，如空f h j 校j f 方向、空间校正量等，才能得到 准确的物体图像。 8 基于线阵c c d 的岩屑识男1 3 系统设计与实现 z s u n , 2 0 1 0 1 3 数字图像采集卡 l 3 0 4 k c 线阵c c d 本身是不能存储图片的，它是通过c a m e r a l i n k 接口与p c 机 上的数字图像采集卡相连，通过采集卡的控制程序对图像进行显示。 简单地说，所谓图像采集卡就是连接图像采集设备和图像处理设备的硬件卡。 采集是图像经过采样、量化以后转换为数字图象并输入、存储到帧存储器的过程。 由于图像信号的传输需要很高的传输速度，通用的传输接口不能满足要求，因此需 要图像采集卡。 当图像采集卡的信号输入速率较高时，需要考虑图像采集卡与图像处理系统之 间的带宽问题。在使用p c 时，图像采集卡采用p c i 接口的理论带宽峰值为1 3 2 m b s 。在实际使用中，有可能在传输瞬间不能满足高传输率的要求。为了避免与其他p c i 设备产生冲突时丢失