（光学工程专业论文）pdc钻头条件下岩屑颜色描述方法的研究.pdf

摘要 p d c 钻头条件下岩屑颜色描述方法的研究 在岩屑录井中，岩屑描述人员传统上运用“远观颜色，近看岩性”来描述岩屑，通过观 察颜色可以对岩屑进行粗略的分层。在岩屑描述的过程中，不同地质时代形成的岩层 的颜色不同，即使岩屑再细其所代表的层位的颜色是不变的，而各岩性主体本身的 颜色又各不相同，因而细心注意一下砂样颜色阶段性的变化，就会对砂样的主要成分 有所了解。颜色差别较大的地层，可以直接通过颜色变化来判断岩性，进而确定砂泥 岩百分比的变化。由此看出，颜色作为一项重要的录井参数，在岩屑录井中具有非常 大的重要性。但随着p d c 钻头的推广应用，由于p d c 钻头特殊的破岩机理，钻进过 程中造成岩屑细小、量少、甚至完全失真，对地质录井的采样、分析、鉴定、识别以 及油气评价等工作带来了极大的困难。人的肉眼很难分辨p d c 钻头下的岩屑，也无法 分辨其颜色，如何客观地描述p d c 钻头条件下的岩屑颜色成为一个急需解决的问题。 本论文针对这个问题，对岩屑的颜色进行了深入的分析研究，并提出了一种岩屑颜色 的描述方法。 论文主要包含六章。论文第章对颜色的描述方法进行了综述，并确定了颜色直 方图是一种非常有潜力的描述岩屑颜色的方法。论文的第二章针对颜色直方图这种方 法，对其相关知识和原理做了较详细的阐述。论文的第三章对实验中拍摄岩屑所用的 图像采集系统做了简单的介绍。 第四章和第五章为作者的主要工作。其中，第四章对岩屑颜色进行了基本特征的 分析研究。选用a b c d 四类不同颜色的岩屑样品作为研究对象，应用数码相机将岩屑 拍摄成图片，在m a t l a b 中编写算法对岩屑颜色迸行分析得出结论：仅以r g b 颜色 空间或h s i 颜色空间的分布无法完全区分岩屑颜色。相对于r g b 颜色空间，h s i 颜色 空间更适合岩屑颜色的描述。在h s i 颜色空间里，仅以岩屑色调均值法不足以区分岩 屑颜色。岩屑在h s i 颜色空间的三个分量的颜色直方图有一定规律特征，可望用来区 分岩屑的颜色。 第五章主要验证了聚类色调直方图描述岩屑颜色的可行性。以胜利油田钻井地质 资料公司所提供的岩谱色谱集中的1 3 种标准颜色岩屑样品作为研究对象，通过颜色聚 类后的色调直方图对岩屑样品颜色进行分析，获得了较理想的识别效果。其中a 类、e 类、g 类、j 类岩屑的颜色识别率均为1 0 0 ，识别率在8 0 以上的共有8 类，总体上， 岩屑的颜色识别率为7 9 2 3 。结果表明聚类的色调直方图可望实现p d c 钻头下的岩屑 颜色的描述。 论文的最后，在对论文工作进行总结的基础上，为进一步提高岩屑颜色识别的准 确率和速率，提出了下一步工作设想。 关键词：岩屑录井，p d c 钻头；颜色描述；颜色聚类直方图 a b s t r a c t t h ec o l o rd e s c r i p t i o nf o rc u t t i n g su n d e rp d cb i t c o n d i t i o n s i nt h e 地i d i 舶l i a lc u t t i n gl o g g i n gp r o c e s s ，t h ec u t t i n gd e s c r i p t i o nw a sm a d eb yt h ev a r i e t yo f t h ec o l o ra n dt h el i t h o l o g yd i s t i n g u i s h i n gw i t hh u m a ne y e s t h ec o l o ro ft e l q a u e sa t d i f f e r e n ta g ei sn o ts i m i l a r , a n di t sc o l o rk e e p ss a m ee v t h ec u t t i n gi se x t r e m e l ys m a l l a n dt h em a i nc o l o r so fd i f f e r e n tt e r r a n e sa r cn o ts a m e t h e r e f o r e , t h el i t h o l o g yc o u l db e i d e n t i f i e db yw a t c h i n gt h ec h a n g e so f c o l o r8 - $ t h ec o l o ro fs t r a t u mi sd i s t i n c t ht h es a m e w a y 。t h er a t i oo ft h es a n dt om u dw o u l db ed e c i d e dt o o s ot h ec o l o ri sav e r yi m p o r t a n t p a r a m o t e ri nc u t t i n gl o g g i n gp r o c e s s a st h ep d c ( p o l y c r y s t a l l i nd i a m o n dc o m p a c t ) b i ti su s e dw i d e l y ，t h ec u t t i n g s p r o d u c e di nd r i l l i n gp r o c e s sa r et i n y a n de v e nd i s t o r t e dd u et ot h em e c h a n i s mo f r o e k - e r u s h i n g ，h e n c ed i f f i c u l t 幻b es a m p l e d ，a n a l y z e d ，j u d g e da n di d e n t i f i e d i ti sa l s o d i f f i c u l tt oi d e n t i f yt h ec u t t i n g sa n dt h e i rc o l o rt h r o u g ht h eh u m a n se y e s h o wt od e s c r i b e t h ec u t t i n g sc o l o ru n d e rp d cb i tc o n d i t i o nh a sb e c o m eap r o b l e mn e e d e dt ob es o l v e d u r g e n t l y t h ew o r kp r e s e n t e di nt h i st h e s i s i so nt h ep u r p o s eo fe s t a b l i s h i n gac o l o r d e s c r i p t i o nm e t h o df o rc u t t i n g su s e di nl o g g i n gp r o c e s s t h et h e s i sa l t o g e t h e rh a ss i xc h a p t e r s i nc h a p t e ro u e ，t h em e t h o d so f c o l o rd e s c r i p t i o n a l ei n t r o d u c e d t h ec o l o rh i s t o g r a mi sf o u n dt ob eap o t c n t i a lw a yt od e s c r i b et h ec u t t i n g s c o l o r i nc h a p t e rt w ot h ec o r r e l a t i v ek n o w l e d g ea n dp r i n c i p l ei si n t r o d u c e di n d e t a i l e d a n dab r i e f d e s c r i p t i o no f t h ei m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mi sg i v e ni nc h a p t e rt h r e e c h a p t e rf o u ra n dc h a p t e rf i v e a r ea u t h o r sm a j o rw o r k i nc h a p t e rf o u rt h eb a s i c c h a r a c t e ro f c u t t i n g sc o l o ri ss t u d i e d f o u rd i f f e r e n tk i n d so f c u t t i n gs a m p l e sa r cc h o s e nt o b ea n a l y z e d w i t had i g i t a lc a m e r a , t h es a m p l ei m a g e sh a v eb e e nt a k e n t h eb a s i c c h a r a c t e ra n a l y s i si sc a r r i e do u tw i t hp r o g r a m m i n ga r i t h m e t i ci nm a n a b t h er e s u l t sh a v e s u g g e s t e dt h a ti t i sn o te n o u g ht oi d e n t i f yt h ec u t t i n g sc o l o rt h r o u g ho n l yg e t t i n gt h e d i s t r i b u t i n go fe v e r yp i x e lo fc u t t i n gp i c t u r e h s ic o l o rs p a c ei sm o r es u i t a b l ef o rt h e c u t t i n g sc o l o rd e s c r i p t i o n , i nc o m p a r i s o nw i t hr o bc o l o rs p a c e ri s s t i l l i ns o m e d i f f i c u l t i e st od i s t i n g u i s ht h ec u t t i n g sc o l o rw t ht h eo n l yp a r a m e t e ro fh u em e a nv a l u ei n h i sc o l o rs p a c e i tc a l lb es e e nf r o mt h eo b t a i n e dr e s u l t st h a tt h eh i s t o g r a m si nh s is p a c e c a nb ec o n s i d e r e da sa p o t e n t i a lc o l o rd e s c r i p t i o nm e t h o df o rc u t t i n g s i nc h a p t e rf i v e , i ti sv e r i f i e di ft h ec l u s t e r e dh u eh i s t o g r a mc a nd e s c r i b et h ec u t t i n g s c o l o r 1 3t y p e so f s t a n d a r dc u t t i n gs a m p l e sf z o ms h e n g l io e o l n g i c a ld r i l l i n gc o m p a n ya r e c h o s e nt ob ea n a l y z e du s i n gt h em e t h o do fc l u s t e r e dh u eh i s t o g r a m t h er e s u l t sw i t h a v e r a g ei d e n t i f y i n ga c c u r a c yo f7 9 2 a r c o b t a i n e d o v e r a l lt h e s a m p l e sa n a l y z e d a m o n g t h o s e1 3t y p e so fc u t t i n g s ，8t y p e sh a st h ei d e n t i f y i n ga c c u r a c ya b o v e8 0 ，a n d4 t y p e sa c h i e v e se v e n1 0 0 i d e n t i f y i n ga c c u r a c y i ti ss h o w t h a tt h ec l u s t e r e dh u eh i s t o g r a m t e n d st ob eaf e a s i b l em e t h o dt oi d e n t i f yt h ec u t t i n gc o l o ru n d e rt h ep d cb i tc o n d i t i o m c h a p t e r6i st h es u m m a r yo ft h et h e s i s w o r k d e v e l o p m e n th a v ea l s ob e e ng i v e ni nt h i sc h a p t e r k e y w o r d s ：c u t t i n gl o g g i n g ；p d cb r ；c o l o rd e s c r i p t i o n ；c l u s t e r e dc o l o rh i s t o g r a m 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：签字日期：年月日 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； 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 字：印孚b 签字日期：弘砷年月7 , - e t 电话 邮编 引言 o 1 研究背景和意义 录井技术【l 】是油田勘探开发活动中最基本的技术之一，是发现油气藏、评价油气藏最 及时、最直接的手段，具有获取地下信息及时、多样、分析解释快捷的特点。常用的 录井方法包括钻时录井、岩屑录井、荧光录井和其它录并方法 在录井的过程中，岩石在孔下被钻头破碎后，随钻井液带到地面的岩石碎块叫岩 屑。按照一定的间距、一定的顺序时间将岩屑连续收集起来，进行系统的观察描述、分 析，恢复地下原始地层剖面的过程叫岩屑录井。岩屑录井具有成本低、速度快、了解地 下情况及时和资料系统性强等优点。在现场钻时录井并不具有明显的指导作用的时候， 岩屑录井就具有特别重要的意义【2 1 。 在岩屑录井中，岩屑描述人员传统上运用“远观颜色、近看岩性”来描述岩屑；“远 观颜色”是采用面上岩屑照片对岩屑粗略分层嘲。在岩屑描述的过程中，不同地质时代 形成的岩层的颜色不同，即使岩屑再细，其所代表的层位的颜色是不变的，而各岩性 主体本身的颜色又各不相同，因而细心注意一下砂样颜色阶段性的变化，就会对砂样 的主要成分有所了解 4 1 。颜色差别较大的地层，可以直接通过颜色变化来判断岩性， 进而确定砂泥岩百分比的变化 5 1 。由此看出，颜色作为一项重要的录井参数，在岩屑 录井中具有非常大的重要性。 p d c 钻头是聚晶金刚石切削钻头，是美国石油钻井界7 0 年代末8 0 年代初的一项重 大技术成就，我国从8 0 年代中后期开始引进、生产p d c 钻头，9 0 年代得到推广应用， 它给钻井技术带来划时代的进步。p d c 钻头与牙轮钻头相比，具有机械钻速高、寿命 长、成本低，并具有防斜、纠斜及岩屑便于钻井液携带保持井底清洁的特点，因而倍 受青睐，近年来，在国内钻井中得到广泛地推广应用。p d c 钻头给甲方带来巨大的经 p d c 钻头紊讳下者焉蠢色描迷方法的舒宽j jw 。g a o , 2 0 0 7 济效益，但是，由于p d c 钻头钻井时岩屑非常细碎，加之钻井速度极快，它给常规地 质录井带来了很大的影响嘲 由于p d c 钻头特殊的破岩机理，钻进过程中造成岩屑细小、量少、甚至完全失真， 对地质录井的采样、分析，鉴定、识别以及油气评价等工作带来了极大的困难【l l 。人 的肉服很难分辨p d c 钻头下的岩屑，也无法分辨其颜色，如何客观地描述p d c 钻头 条件下的岩屑颜色成为一个急需解决的问题。尽管国内有人尝试过用色度学原理识别 岩屑方法【刀，可以很好地描述单个像素的颜色，但符合人眼视觉特征的描述整块岩屑 的方法还还未曾研究过。 为了寻找一种能符合人眼特征的描述岩屑颜色的方法，本论文在调研的基础上提 出了聚类颜色直方图来描述岩屑的颜色，并通过实验分析，初步验证了聚类的色调直 方图用来描述p d c 钻头下的岩屑颜色是可行的。 0 2 本论文的主要工作及安排 作者在固定的照明条件、固定的拍摄距离以及固定的相机拍摄参数下，对岩屑样品进 行拍摄，以获取各类岩屑图像，对岩屑的颜色研究从而转化成对岩屑图像上的岩屑颜 色的研究。在r g b 颜色空间和h s i 颜色空间，对岩屑颜色进行最基本的特征分析； 然后根据岩屑颜色基本特征分析的结果，在h s i 颜色空间内选聚类的色调直方图对 p d c 岩屑进行研究，初步验证了聚类的色调直方图用来描述p d c 钻头下的岩屑颜色 是可行的。 本论文各章的主要内容安排如下 第一章介绍了颜色描述的方法，对颜色描述的方法做了全面的介绍。具体内容包 括颜色的定性描述、颜色的定量描述、颜色的数字描述及颜色描述的新进展。 第二章为数字图像的颜色描述，对本论文应用到的数字图像的基本概念、基本知 识以及基本原理做了详细的介绍。具体包括彩色图像的基本概念、彩色空间、r g b 颜 色空间至u h s i 空间的转换、颜色直方图、颜色聚类以及颜色相似度的计算方法。 第三章介绍了实验所需的岩屑图像采集系统，包括图像采集系统示意图及其构成。 2 r 第四章为p d c 钻头条件下的岩屑颜色基本特征分析，主要是对岩屑图片颜色在 r g b 颜色空间和h s i 颜色空间做了基础的特性研究。具体的内容包括实验过程、p d c 岩屑在r g b 和h s i 颜色空问内的颜色分布、p d c 岩屑颜色直方图分布、a b c d 四类 岩屑色调均值曲线及结论。 第五章为基于聚类色调直方图的岩屑颜色描述，主要是应用聚类色调直方图对岩 屑颜色进行了描述，并做了验证。具体内容包括实验过程、颜色聚类、定性分析，定 量分析及结论等。 第六章为总结与展望。主要对论文工作做了一下小节，并在此基础上，对将来的 工作做了一下展望。 第一章颜色描述的方法 在我们这个信息社会中，人们通过视、听、嗅、昧、触觉来获得信息。科学研究表明， 人所接受的信息百分之九十来自视觉器官，而色彩作为给入第一视觉印象的魅力是最 深刻的。远看颜色近看花”，人们观察物体时，视觉神经对色彩反映最快，其次是形 状、空间位置，最后才是表面细节。 正如火焰产生了光一样，光又产生了色彩春之绿郁，秋之金黄，地球因为拥有 阳光而五彩斑斓。太阳底下，色彩无处不在。人类长期生活在色彩环境中。自古以来， 这无处不在的色彩就时时刻刻影响着我们。人从认识色彩到有目的地使用色彩于制造 石器或图腾等，并在漫长的社会发展中逐渐将颜色应用于纺织印染、陶瓷等生产中， 以及应用于建筑、绘画等。这些都可以在人类的原始壁画和我国“唐三彩”釉陶的色彩 中找到证实。但是这些应用仅限于人的主观色彩范围内，还没有涉及客观色彩规律的 探索。 在研究色彩客观规律的科学理论中，首先发展起来的是艺术色彩理论。1 9 世纪 早期在欧洲风靡一时。它起源于画家的经验和直觉，从美学欣赏角度研究、关心色彩 实体与色彩效果之间的关系。当时发表了大量的色彩系统、色彩视觉等理论文章，这 些研究后来成为绘画的色彩科学理论基础。接着，物理学家、化学家、生理学家和心 理学家开始从不同的角度研究色彩。物理学家研究光与色彩的关系，化学家研究染料、 颜料的分子结构，生理学家研究光、色对人的视觉器官的作用。心理学家则考虑色彩 对人精神思维的影响。 2 0 世纪2 0 年代出现了综合性研究色彩的科学理论色度学。这门学科以物理 光学、视觉生理、视觉心理等学科为基础，研究人的颜色视觉规律、颜色测量的理论 与技术。现在，以色度学为基础结合各个应用工程领域开始视觉色彩的研究，出现了 p d u 钻头务件下者属顿8 描述方法的研宽i 橄g a o , 2 0 0 7 各种色彩学科，广泛应用于每一个与颜色有关的行业，例如，有色制造、电子成像、 数码相机、彩色记录、彩色存储、彩色传输、彩色打印、彩色显示，甚至美术、媒体， 摄影、艺术设计类专业都要涉及这门学科【8 j a 如何描述物体的颜色是颜色科学中一个重要解决的问题针对不同的实际问题， 人们提出了不同的解决方案。具体可分为颜色的定性描述、颜色的定量描述和颜色的 数字描述以解其它新兴的描述方法。 1 1 颜色的定性描述 描述颜色最简单的方法是用颜色名词给每种颜色一个固定的名称，并冠以适合的形 容词。将这些名词汇编成颜色名词词典，为人们相互交流色知觉信息提供了一种简单、 古老的方式。但它不能定量地表示色知觉量。 目视法是另外一种古老的基本方法，利用人眼的观察来比较颜色样品和标准颜色 的差别，通常是在某种规定的c i e 标准光源下进行，如标准光源a 、d 6 s 或“北窗光” 等。 李立平【9 l 等介绍了有色宝石颜色描述方法。在有色宝石总品质中起决定作用的是 颜色，对宝石颜色的描述和分级分别采用的是g i a 的o e m s c t 和h o w a r dr u b i n 的 g e m d i a l o g u e 颜色系统。它们都是借助各种颜色的塑料膜或模具与宝石对比，来对颜 色三要素进行定量描述。g e m d i a l o g u e 为一本便携的颜色手册，由2 l 张透明的颜色 标尺( 即色标) 及3 张色罩组成，可以提供6 0 0 0 0 种颜色标样。采用我国钻石分级标 准g b t 1 6 5 5 3 2 2 0 0 3 中对钻石颜色分级使用的光源，即色温为5 5 0 0 7 0 0 0k - g e m s e t 颜色标样为塑料铸模成型的简单圆多面型，共有3 2 4 个颜色标样，涵盖3 1 种色彩、 7 个级别的色调和6 个级别的饱和度。采用我国钻石分级标准g b t 1 6 5 5 3 2 2 0 0 3 中对钻 石颜色分级使用的光源。即色温为5 5 0 0 7 0 0 0k 。 袁邦凯【0 1 在文中介绍到录井现场岩屑颜色的确定使用美国石油学会( a p d 颜色 卡来确定，在显微镜下常见的颜色有灰色、浅灰色、深灰色、绿灰色、橄榄绿灰色、 褐灰色、绿色、灰绿色、褐色、灰褐色、红色、黑色、白色、无色、杂色等。 这种测量方法需要借助人眼的目视比较，要求操作人员具有丰富的颜色观察经验 6 摹一幸毂色描速的方洼 和敏锐的判断力，即便如此，其测量结果仍然包含了一些人为的主观因素，而且工作 效率很低。所以随着颜色科学的发展和工业画水平的提高，这种目视测色方法的应用 已经越来越少了，取而代之的是采用仪器的物理测色方法。 ”2 颜色的定量描述 颜色的测量i 川随被测颜色对象的性质不同而分为自发光体颜色的测量和物体色的测 量。如光源、电视机等所表现的颜色是其自身辐射而成，所以这类颜色的测量主要是 确定其光谱功率分布；而物体受到光源照明后经过自身的反射从而形成入眼观察到的 颜色，这种颜色实际上是物体表面的反射光度特性对照明体光源的光谱功率分布进行 调制而产生的，因此物体表面色的测量主要是测定物体色的光谱分布率 概而言之，颜色的测量方法有光电积分法和分光光度法二种 光电积分法就是仪器测色方法之一，通过把探测器的光谱相应匹配成所要求的 c i e 标准色度者光谱三刺激值曲线或某一特定的光谱相应曲线，从而对探测器所接收 到的来自被测颜色的光谱能量进行积分测量。这种方法的测量速度很快，也具有适当 的测量精度。采用光电积分法制成的测色仪器已广泛应用于现代工业生产和控制过程 中，但是这类仪器无法测出颜色的光谱组成，而在如纺织印染的自动配色等应用中必 须获得颜色样品的光谱功率分布或物体本身的光度特性，因此这时应该采用分光光度 法来进行颜色的测量。 分光光度法测量颜色主要是测定物体反射的光谱功率分布或物体本身的反射光度 特性，然后根据这些光谱测量数据可以计算出物体在各种标准光源和标准照明体下的 三刺激值。这是一种精确的颜色测量方法，由此制成的仪器其成本也较高。通常分光 光度法可以分成光谱扫描和同时探测全波光谱两大类。光谱扫描法是利用分光色散系 统对被铡光谱进行机械扫描，逐点测出各个波长对应的辐射能量，由此达到光谱功率 分布的测量。这种方法精度很高，但测量速度较慢，是一种传统的分光光度测色方法。 为了提高测量速度，提高测色效率，于是便出现了同时探测全波段光谱的新型光谱光 度探测方法。为了同时探测全波段光谱能量分布，可采用多光路探测技术和多通道探 测技术。但是，多光路的同时性只在红外波段实现，在可视光区只能部分实现，所以， 为了探测可见光，通常采用平行探测法，即多通道技术。 p d c 钻头条件1 = 岩焉棘色描逑方谣砖研宽 j i w g a o , 2 0 0 7 与常规的用单色仪分光实现波长长扫描的测色系统相比，多通道系统除了具有快 速、高效的优点之外。还大大较低了对测量对象和照明光源的时间稳定性要求，应用 快速存取( 对不含有关信息的通道快速跳过) 和分组处理( 通过将楣邻通道相加可进 一步改善时间分辨) ，在时间分辨和光谱分辨两者之间实现有益的兼顾。 目前，国际上作为产品真正用于自动配色得颜色测量系统都是采用多通道技术 多通道快速测色系统的照明光源可以采用脉冲式和直流式两种类型。两种照明光源的 选用各有利弊，只要设计合理，应用得当，都能获得满意的结果。脉冲光源大多选用 脉冲氙灯，其光谱分布与d 6 5 比较接近，它的应用大幅度地提高了光源的强度，充分 利用了作为光电探测器的列阵图像传感器的灵敏度和线形度，没有发热问题，有效地 改善了测量的精度，但是光脉冲的能量波动直接影响系统精度的稳定性，特别是系统 的长期重复性。因此，这类仪器的新型产品往往设计成双光路结构，使颜色测量的准 确度和重复度都非常令人满意，当然其成本要高一些。 直流式照明光源通常采用其色温接近a 光源的卤钨灯，由仪器内置稳压电源供电， 驱动和控制比较简便，没有充放电过程，连续测量时速度更快，光源稳定，只需单光 路结构加监视光源波动的参考通道。但是光源功率的提高将直接导致明显的光热效 应，需对光源进行周密的散热和隔热考虑，而且由于卤钨灯的光谱功率分布更靠近a 光源，其短波段的能量很小，不利于该光谱区的测量，从而影响到整个测色系统的精 度，所以这类仪器在自测色与配色领域中应用得越来越少。 孟玉坤【1 2 | 厍j t c p g 全自动测色色差仪测定不同上瓷阶段及不同饰面瓷瓷层厚 度组的颜色参数p 、a 、b * ( c i e l 9 7 6l + a 系统) 计算色相值( h a b ) 及色饱和度值 ( c 。a b ) 张玉平【1 3 等以a u ，a g ，c u ，p t ，a l ，z n ，m n 和t i8 种纯金属为研究对象，采用 c i el a b 均匀色空间中的明度指数和色品指数a ，矿定量描述金属的颜色；运用 固体物理学和色度学的基本理论，研究了纯金属颜色的物理计算方法、可见光区域光 学常数，计算了纯金属的色度指数。为了验证上述颜色计算结果的可信度，采用美国 e l r e p h o2 0 0 0 分光测色仪，对部分金属的f 口? 6 。进行测量。 许如彭 1 4 1 采用d 6 5 光源和瑞- j ：的e l r e p h 0 2 0 0 0 型快速测色计，在无损检测的情况下 8 摹一幸毂色描速的方法 测试翡翠样品，得到样品的选择性反射曲线，通过积分相加四算出样品的色度值，从 而定量地描述翡翠的颜色。 光谱光度仪只能测量出色样的反射光谱，提供最原始的数据。所有的颜色评价需 要由软件来完成，甚至光谱光度仪也要由软件来驱动和操纵。测色软件是颜色科学理 论和生产实际经验的集成，这种技术含量很高的知识产品在国外的价格超过光谱光度 仪的价格。测色软件的近代发展分两个方面：一方面通过在工业生产中的实际应用实 践不断改进和解决问题；另一方面伴随着计算机硬件和操作系统平台的高速发展而很 快地更新前者主要是在测色功能方面的扩展；后者是在用户界面、速度、易用性、 图形和颜色仿真方面的巨大改善。二者相辅相成，使得测色软件自1 9 9 0 年以来取得了 巨大的发展l l s l 1 3 颜色的数字描述 随着计算机技术及其外部设备的快速发展，采用计算机进行颜色的再现技术已经 非常成熟了，扫描仪和数码相机在各行业得到了广泛的应用。使用扫描仪扫描三维物 体或者一维物体，得到该物体的数字图像，或者使用数码相机拍摄物体，得到该物体 的数字图像，在数字图像中每个象素都有一个数值表示该点的颜色。 1 扫描仪 扫描仪是一种图像输入设备。扫描仪的类型有平台扫描仪、透射稿扫描仪、滚桶 扫描仪和手持式扫描仪。扫描仪的感光器件分为c c d 和c i s 两种，c i s ( c o n t a c ti n l a g e s e n s o r ) 使用的感光材料一般是我们用来制造光敏电阻的硫化锈，由于尺寸太大，无 法使用镜头成像，只能依靠贴近目标来识别目标，其极限分辨率只有6 0 0 d p i 扫描的 层次不足。而c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 扫描速度快，光学分辨率可达1 2 0 0 d p i ， 甚至2 4 0 0 d p i ，有一定的景深，能扫描凹凸不平的实物。但c c d 采用的是反射镜和透 镜，容易产生色彩偏差和光学像差，一般需要通过软件进行校正一目前，c c d 占据着 扫描仪市场的主流。色彩位数是扫描仪所能捕获色彩层次信息的重要技术指标，高的 色彩位可得到较高的动态范围，对色彩的表现也更加艳丽逼真。常见的扫描仪色彩位 数为2 4 位、3 0 位、3 6 位等。普通用户可选择2 4 位或3 0 位的扫描仪。但目前主流己 达4 8 位。4 2 位意味着4 万亿种色彩，4 8 位意味着可以捕获2 8 1 万亿种色彩。 9 p d c 钻头每锋下考属毂邑描避方法的研宽 2 数码相机 数码相机以其强大的功能、操作便捷性和出色的拍摄效果，受到了广大消费者的 喜爱。数码相机和传统的相机在光学原理上相类似，都是将被摄物体发射或反射的光 线通过镜头在焦平面上形成物像。但在具体成像中则因光敏介质的不同而有所区男l j ， 传统相机使用的是分布于胶片上基于碘化银的化学介质，而数码相机则采用了c c d 作为记录图像的光敏介质，c c d 是通过光照的不圊引起的电荷分布的不同来记录被摄 物体的视觉特征数码相机的系统工作过程就是把光信号转化为数字信号的过程。数 码相机使用c c d 电荷耦合器件这种光敏元件代替胶卷感光成像。光线通过透镜系统 和绿色器( 虑光器) 投射到c c d 光敏元件上，c c d 元件将其光强和色彩转换为电信 号记录到数码相机的存储器中，形成计算机可以处理的数字信号 1 4 颜色描述方法的新进展 随着计算机技术的发展以及数码相机的兴起，人们用数码相机将物体拍摄成图片，然 后在计算机中对图片进行研究，提出了一些新的物体颜色描述的方法。 1 4 1 基于特征参数的颜色描述 在对物体的颜色进行描述时，一般选择在h i s 颜色空间中物体表面颜色特性的一 阶统计量如均值、均方差、偏斜度和峰态等作为特征参数进行描述物体的颜色。 殷勇辉n q 在计算机中采用h s i 空间，将图象的色度和饱和度作为主要的分析因子， 选用偏斜度、峰度、标准差、调和平均值，几何平均值、计算中值以及算术平均值作 为特征参数，采用因子分析法描述磨粒材质的颜色描述。 吴雪梅等【1 7 1 选用图片的均值、能量、方差、偏度、峰度以及熵作为特征参数来描 述番茄叶的颜色。 蔡健荣1 8 1 在h i s 颜色空间选用图片的色调均值、明度均值、饱和度均值、色调标 准差、明度标准差、饱和度标准差作为特征参数来定量地测量茶叶的色泽、茶叶的汤 色及速溶茶的颜色，建立起了一套茶叶外观质量辅助检测系统。 i o 摹一幸藏色描述的方法 1 4 2 基于直方图的颜色描述 图像检索自7 0 年代以来便成为一个非常活跃的领域，颜色特征是图像检索中使用的最 可靠的视觉特征，而颜色直方图是最通常的颜色特征表示方法。由于颜色直方图简单 且对图像的大小、旋转变化不敏感等特点。得到了研究人员的广泛关注。目前几乎所 有基于内容检索的图像数据库系统都把基于颜色的检索方法作为检索的一个重要手 段，并提出了许多改进方法。 基于颜色特征的图像检索方法的基本思想是将图象间的距离归结为其颜色直方图 间的差距，从而图象检索也就转化为颜色直方图的匹配。1 9 9 0 年s w a i n 和b a l l a d 提出了 基于直方图相交( h i s t o g r a mi n t e r s e c t i o n ) 的色彩索2 3 1 ( c o l o ri n d e x i n g ) 算法，成为这一方面 的奠基性工作，然后基于颜色直方图的图像检索技术得到迅速发展。 周亚安等n 9 1 提出了一种利用颜色直方图对瓷砖进行在线颜色分级的新方法。针对 瓷砖图像数据量大的特点，采用了颜色空间分裂和与初始条件无关的聚类算法相结合 的量化方法来提取瓷砖图像颜色特征，这既可满足算法实时性要求又充分考虑到了颜 色分级对特征的精确性要求。实验结果证明了该方法的有效性。 王业琴1 2 0 1 分别用直方图和颜色矩方法表达木材表面的颜色特征，用颜色矩特征值 作为b p 神经网络的输入。对东北常见树种按颜色进行了分类，分级正确率达到了 9 6 7 。 随着计算机技术的发展、数码相机的兴起以及图像处理技术的成熟，基于直方图 的颜色描述将会越得到越多的重视和应用。正是基于这个考虑，我们采用基于直方图 这种方法来对p d c 钻头条件下的岩屑颜色进行描述。有关数字图像的相关知识及直方 图描述颜色的原理将在将在下一章做详细的介绍。 第二章数字图像的颜色描述 本论文的主要工作是验证直方图描述岩屑颜色的可行性，本章对该方法的相关知识及 原理做了详细的介绍包括计算机中颜色表示的基础常识【2 ”、颜色空间、颜色直方图、 颜色聚类、颜色相似度计算方法等。 2 1 彩色图像的基本概念 计算机中显示的任何颜色都可以由3 种颜色红、绿、蓝组成，称为三基色。每种基色 的取值范围是0 2 5 5 ，因此由此可组合成1 6 7 7 ( 2 5 5 x 2 5 5 x 2 5 5 ) 万种不同的颜色，常 见的7 种颜色及其对应的r 、g 、b 值见表2 - l 表2 17 种颜色对直的r g b 值 p d c 钻头紊件t 誊屑秘色描逑方法研宽j 砒g a o , 2 0 0 7 任何颜色都可以用这3 种颜色按不同的比例混合而成，这就是三原色原理。三原 色的原理可解释如下：( 1 ) 自然界的任何颜色都可以由3 种颜色按不同的比例混合而 成；而每种颜色都可以分解成3 种基本颜色。( 2 ) 三原色之间是相互独立的，任何一 种颜色都不能由其余的两种颜色来组成。( 3 ) 混合色的饱和度由3 种颜色的比例来决 定。混合色的亮度为3 种颜色的亮度之和 1 颜色的3 个基本属性 从视觉的角度来讲，颜色可分为彩色和非彩色两大类。非彩色是指黑色、白色及 其两者之间深浅不同的灰色，成为非彩色或无色系列。彩色系列或有色系列是指除了 白色系列以外的各种颜色。为了定量的描述颜色对人眼的视觉作用，可以选用亮度、 色调、色饱和度这3 个与视觉特征有关的量来计算描述，这3 个量称为颜色的3 个基 本属性。 亮度是指人眼感光的明暗程度。光的能量越大，亮度越大。色调是彩色最重要的 属性，决定颜色的本质，由物质反射光线中占优势的波长来决定，不同的波长产生不 同的颜色感觉，我们叫某一种颜色为红、橙、黄，这就是说我们在规定一种色调。饱 和度是指颜色的深浅和浓淡程度，饱和度越高，颜色越深。饱和度的深浅和白色的比 例有关，白色比例越多，饱和度越低。 2 图像深度 p c 机上显示的图像是由一个个像素组成的，每一个像素都有自己的颜色属性。 在p c 的显示系统中，像素的颜色是萋于r g b 模型的，每一个像素由红、绿、蓝三原 色组合而成。3 颜色值的组合确定了在图像上看到的颜色。 图像深度是指位图中记录每个像素点所占的位数，它决定了彩色图像中可出现的 最多颜色数，或者灰度图中像中的最大灰度等级数。图像的色彩需用三维空间来表示t 如r g b 色彩空间，而色彩空间表示法又不是唯一的，所以每个像素点的图像深度的 分配还与图像所用的色彩空间有关。彩色空间有多种不同的表示形式，在r g b 色彩 空间中，图像深度与色彩的映射关系主要有真彩色、伪彩色和调配色。在讨论图像的 彩色时，通常用保存彩色信息所需的位数来定义彩色数。 1 4 摹二幸教亭霉4 t 的颤色a , z 表2 2 各种位图的图像深度比较 位圈颜色数图像深度 每个像素颜色的特点 单色图像 2 l 位不是0 就是i ( o 代表黑1 代表白) 位图文件中包含颜色索引表： 灰度图像 2 5 6 8 位颜色索引表中彩色的r 、g b 各分量值相等： 每个像素的像素值是颜色索引表的索引号 位图文件中包含颜色索引表： 颜色索引表中彩色的r g b 各分值不全 伪彩色图像 2 5 6 8 位 相等： 每个像素的像素值是颜色索引表的索引号 位图文件中不包含颜色索引表： 2 4 位真彩色 1 6 7 7 万2 4 位 每个像素的像素值由r ，g b 分量组成： 图像三种颜色值的结合直接确定了在图像上看到 的颜色 3 真彩色 真彩色( t m o - c o l o r ) 是指图像中的每个像素都由r 、0 、b 这3 个基色分量组成， 每个基色分量直接决定基色的强度，这样产生的色彩称为真彩色。例如图像深度为2 4 ， 用r ：g ：b = 8 ：8 ：8 来表示色彩，则r 、g 、b 各占8 位来表示各自基色分量的强度，每个 基色分量的强度等级为2 s = 2 5 6 种。图像可容纳2 2 4 = 1 6 m 种色彩。这样得到的色彩 可以反映原图的真实色彩，故称真彩色。 4 伪彩色 伪彩色( p s e u d o - c o l o r ) 图像的每个像素值实际上是一个索引值或代码，该代码值 作为色彩查找表c l u t ( c o l o rl o o k - u pt a b l e ) 中某一项的入口地址，根据该地址可查 找出包含实际r ，g ，b 的强度值。这种用查找映射的方法产生的色彩称为伪彩色。 用这种方式产生的色彩本身是真的，不过它不一定反映原图的色彩。在v g a 显示系 统中，调色板就相当于色彩查找表。从1 6 色标准v g a 调色板的定义可以看出这种伪 彩色的工作方式。 伪彩色一般勇于6 5 k 色以下的显示方式中。标准的调色板是在2 5 6 k 色谱中按色 p d c 钻头务讳下考属彝色槛逑方法童皇研完37 张g j 2 0 0 7 调均匀地取1 6 种或2 5 6 种色彩一般应用中，有的图像往往偏向于某一种或几种色 调，此时如果采用标准调色板，贝色彩失真较多。因此，同一幅图像，采用不同的调 色板显示可能会出现不同的色彩效果。 5 灰度图像 与伪彩色图像相近，不同之处是色彩查找表c l u t 中r 、g 、b 这3 个分量都相 等。它共有2 5 6 个阶调，看起来类似传统的黑自照片，除黑，白二色之外，尚有2 5 4 种深浅的灰色。像素值是色彩查找表的表项索引号。 6 黑白图像 黑自图像是l 位元的图像，也就是每个像素都由一个位元来表示，不是黑色就是 白色它所占的内存最小，但所支持的功能也最受限制例如黑白图像并不能够表现 出渐变的色彩。当图像从灰度转换黑白时，用户可以在对话框中选择转换成为什么样 子黑白图像黑白模式无法表现层次复杂的图像，但可以制作成黑白的线条图( 1 i n e a r t ) ，或是特殊的二层次高反差图像。其他的彩色图像并不直接换成黑白图像，必须 先将它转换为灰度图像，然后才能将其转换为黑白图像。 数字图像处理中，经常要遇到灰度图像与彩色图像相互转换的问题。如彩色图像 到灰度图像的变换，灰度图像转换为彩色图像的伪彩色处理等。 7 2 4 位彩色图像b m f 文件组成 b m p 文件由文件头、位图信息头和图像数据3 部分组成，2 4 位彩色图像没有颜 色表，位图结果如下表所示： 1 6 l 位图文件9 l 满构b i t m a p f i l e h e a d e r ! 位图信息头结构b i 丁m a p l n f o h e a d e r 位图像素数据 图2 - 1 位图文件结构 具有全彩色照片表达能力的图像为2 4 位彩色图像。由于彩色的种类很多，每个像 j g - - 幸数字母a t 的搬色描述 素需2 4 位，使得彩色图像所需的存储空间很大 2 2 彩色空间 研究表明