（信息与通信工程专业论文）砂箱砂体ct断层序列图像三维模型重构系统设计.pdf

摘要 构造物理模拟实验是研究地质构造的一种有效手段，是帮助地质学家认识构造变形 过程、研究构造形成机制的重要手段，它对石油勘探、地震预测、成矿研究等具有重要 意义。对构造物理模拟实验砂箱砂体c t 断层序列图像的三维重构研究，可以帮助地质 学家直观观察构造物理模拟实验砂箱内部地质体的变形结果。 论文在对构造物理模拟实验砂箱砂体c t 断层图像特征进行分析和研究的基础上， 提出了砂箱砂体c t 断层序列图像三维重构的技术方案和方法流程，并重点针对图像预 处理、图像特征提取以及三维重建三个环节进行了深入研究。在图像预处理及图像特征 提取方面，通过比较不同的图像增强、图像滤波以及图像特征提取算法对砂箱砂体c t 图像的处理结果，分析了各种方法的处理精度和效率，在此基础上，针对砂箱砂体c t 断层序列图像模糊、质量差、砂体层与层之间的界限不明显等特征，提出了一种改进的 模板匹配算法和一种基于各向异性扩散方程的数学形态学方法，新方法有效地减少了噪 声干扰，加强了图像特征，能较完整的提取出有效的砂层标志线。在三维重建环节，利 用面绘制和体绘制方法对砂箱砂体c t 断层序列图像的适用性进行了重点研究，通过仿 真和实验研究，利用m c 算法实现了砂箱砂体c t 断层序列图像的三维重构，重建后的 三维图像结构清晰明了，基本能够满足地质家的需求。 关键词：c t 图像，图像预处理，图像分割，三维重构 t h r e ed i m e n s i o n a li m a g er e c o n s t r u c t i o no fs a n d b o xc o m p u t e d t o m o g r a p h yb a s e do nc o n t i n u o u st o m o g r a m s c u iq i a n ( i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rs h a ny i x i a n a b s t r a c t t h em o d e l i n ge x p e r i m e n t si sa ne f f e c t i v em e a n st os t u d yt h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，a n da n i m p o r t a n tm e a n st oh e l pt h eg e o l o g i s t st o u n d e r s t a n dt h ep r o c e s so fs t r u c t u r a ld e f o r m a t i o n a n dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs t r u c t u r e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) r e c o n s t r u c t i o nc a nh e l pt h eg e o l o g i s t st oo b s e r v et h es t r u c t u r es i m u l a t i o nr e s u l t so f d e f o i r m a t i o nw i t h i nt h es a n d b o x o nt h eb a s i so fa n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h es a n db o xs a n dc tt o m o g r a p h yi m a g e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep a p e rp r o p o s e st h et e c h n i c a ls o l u t i o n sa n d m e t h o d so fp r o c e s sa n df o c u s e s o nt h ei m a g ep r e p r o c e s s i n g ，s e g m e n t a t i o n ，a n dt h e3 dr e c o n s t r u c t i o n t h es a n d b o xc ti m a g e p r e p r o c e s s i n ga n ds e g m e n t a t i o nm a i n l yd i s c u s s e st h ea s p e c t so ft h ed i s p l a yo fi m a g e s ，i m a g e e n h a n c e m e n t ，i m a g ef i l t e r i n g ，t e m p l a t em a t c h i n ga n dan u m b e ro fi m a g es e g m e n t a t i o n t e c h n i q u e s b yc o m p a r i n gw i t hs e v e r a lm a j o ri m a g ee n h a n c e m e n t ，i m a g ef i l t e r i n ga n di m a g e s e g m e n t a t i o na l g o r i t h m ，t h ep a p e ra n a l y z e so ft h ev a r i o u sm e t h o d so nt h ea c c u r a c ya n d e f f i c i e n c y , a n da l s op r o p o s ea l li m p r o v e dt e m p l a t em a t c h i n ga l g o r i t h ma n da n i s o t r o p i c d i f f u s i o ne q u a t i o nb a s e do nm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y t h ei m p r o v e dm e t h o dc a ne f f e c t i v e l y r e d u c et h en o i s ei n t e r f e r e n c e ，e n h a n c et h ei m a g ef e a t u r e s ，a n de x t r a c tt h es a n dm a r kl i n e t h e p a r to f3 dr e c o n s t r u c t i o nm a i n l ys t u d i e st h es u r f a c er e n d e r i n ga n dt h ev o l u m er e n d e r i n g a l g o r i t h m ，a n dc o m p a r e sw i t ht h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o ft h e s et w oc a t e g o r i e s a l g o r i t h m ，a n df i n a l l ys e l e e t e st h es u r f a c er e n d e r i n go f t h ec l a s s i ca l g o r i t h m - m ca l g o r i t h mt o a c h i e v et h i s3 dr e c o n s t r u c t i o n ，a n dt h e3 di m a g ec a l lb a s i c a l l ym e e tt h en e e d so fg e o l o g i s t s k e yw o r d s ：c ti m a g e ，i m a g ep r e p r o c e s s i n g ，i m a g es e g m e n t a t i o n ，3 dr e c o n s t r u c t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：互耋i 吞日期：a 吼，年多月，e t 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 日期：函形。年6 月s 日 日期：汕j f d 年月r 日 6 国“油大学( * 东j 期k 学位论文 11构造物理模拟实验介绍 第1 章绪论 l 构造物理模拟实验背景介绍 随着地质科学的发展和研究的深入地质学家越来越期望能科学认识地质构造变形 的规律但是由于地质构造变形往往是一个极其漫长的过程，经常是若千万年，因此没 有办法直观的观察其形变过程及其机制。这就需要一种方法能够通过现有保存的地质体 构造变形的结果，以及科学的相似性理论来建立一种实验模型，来反演和模拟地质构造 变形，这种实验模型就是构造物理模拟实验。构造物理模拟是研究地质构造的一种非常 重要而又行之有效的手段，它可以帮助她质学家认识构造变形过程、研究构造形成机制， 实现对地质构造的结构和形成过程的定量分析它对石油勘探、地震预测、成矿研究等 具有极其重要的意义f 1 t 2 1 。 对于地质学家而言，能够在实验室内模拟一定条件下的地质构造变形，对地质成因 过程进行重复和反演，并对实验现象进行记录、回放、分析和处理，是地质学家定量分 析地层镇化和构造成因的基础吼下图1 一】为中国石油大学( 华东) 研制的构造物理模 拟实验装置： 图l - 1 中国石油大学 华东) 构造物理模拟实验装置 f i g l 1t h e t e e t o p h y s i e ss i m u l a t i n ge x p e r i m e n t a l a p p a r a t u s m a d eb yu p c 2 构造物理模拟实验实验结果的观察 物理模拟实验后需要对实验研究结果进行观察，一般有下面三种观察方式 ( 1 ) 利用摄像设备 第1 章绪论 在进行完构造物理模拟实验后，我们通过摄像设备对砂箱外表层进行拍摄，以便观 察与保留实验结果。但是由于砂箱砂层具有不透明性，如果采用这种方法的话，我们只 能观察和记录下砂箱外层的变形结果，也就是说只可以观测到前后两面的实验结果，砂 箱砂层内部的变形形态没办法观测到，因此采用这种方法不能完全实现我们的实验目 的。 ( 2 ) 利用切片技术 这种方法是指在构造物理模拟实验结束后，我们通过往砂箱砂层中注入一些液态粘 合材料，从而把砂箱砂层最终的变形结果固定住，然后利用切片技术进行多层薄片切割， 最后再采用摄像设备对这些薄片进行观察拍摄，保留实验结果。但是采用这种方法的前 提是必须要固化砂层，这样的话我们只能获得砂层变形的最终实验结果，无法做到实时 获得不同阶段的变形数据，因此这种方法也不能达到我们的目的。 ( 3 ) 利用c t 设备 为了得到构造物理模拟实验实验结果的实时数据，我们可以运用一般是作为医疗用 途的c t 设备。在进行实验的任何时候，只要想得到那个时刻的实验结果，我们都可以 将实验砂箱移动到c t 扫描设备的床台上，对砂箱中的砂层进行多个剖面的c t 扫描， 得到c t 图像，然后利用三维重构技术重建出砂箱中砂层的空间三维结构，以获取实验 不同阶段砂层的变形形态。运用这种方法不但能获得实时数据，并且很便于操作，最终 构造出的三维立体结构还很容易观察。因此，这种方法能够满足我们的需求，本文就选 用这种方式来获得构造物理模拟实验的实验结果。 下面我们将简要介绍一下利用c t 设备对物体进行三维重构的技术。 1 2c t 三维重构背景介绍 c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y 简称为c t ，即计算机层析成像，是由投影重建图像的应 用技术之一。c t 扫描的原理是通过将一定能量和穿透能力的极细的x 射线束射向被检 测物体，除小部分x 射线束因反射、散射而损失掉外，绝大部分都会被被检测物体吸 收衰减后穿出，由于不同的物体构成部分密度不同，所以衰减能力也大小不一，通过这 个特性反映在c t 图像上就是得到灰度不一的物体图，通过观测得到的物体c t 图像， 我们可以了解物体的内部结构。c t 成像与普通x 射线摄影不同，c t 成像需要进行一 个非常复杂的数据采集过程，以获取大量的用于重建图像的投影数据。 c t 断层摄影发明于1 9 6 7 年，它被应用于临床医疗已有3 0 余年，因为c t 设备通 2 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 过对人体器官进行扫描，得到的人体器官c t 断层图像密度分辨率高，便于观察，能给 医生的诊断握供大量信息，使过去一些不易确诊的疾病得到了准确的诊断，它已经发展 成为临床各学科重要的检查方法。但是，通常情况下用c t 设备对物体进行检测扫描后 只能得到的二维c t 断层图像只能获得物体某一断面上的二维信息，不能得到被检测物 体的整体描述，技术人员只能根据扫描获得的一系列二维图像，凭借经验和知识对其进 行综合处理，在人脑中复原为三维结构。这种方法带有明显的局限性，它由于掺杂了不 同程度的主观偏差，因此无法准确测试出物体的空间结构参数，无法适应于空间结构比 较复杂的物体，因而人们希望能得到更直观的、更精确的被检测物体的三维立体结构图 像。在这一应用需求背景条件下，医学c t 图像的三维重建技术应运而生。通过扫描后 得n - 维序列断层图像，重建出具有直观立体效果的图像，它不但可以准确展现出人体 器官的三维结构极其形态，使技术人员可以多方位地观察人体的结构，还可以辅助其对 物体的空间结构或者存在的缺陷进行定性甚至比较准确的定量分析，提高诊断的方便性 和准确掣4 j 1 5 j 。 美国等发达国家在c t 图像的三维重建技术方面起步的比较早，经过了二十多年的 研究发展，已经取得了很大的进步和成果，重建出的三维模型不但能显示出c t 断层图 像的洞、裂纹等信息外，还能同时获得物体内部和外部的几何特征信息。我国在c t 三 维重构方面的研究起步较晚，九十年代初期才开始开展相关技术的研究，经过了将近二 十年的研究发展，目前已经有一些研究单位开发出三维重构系统，但总体来说，我国的 c t 图像三维重建技术还不成熟，仍然处在实验研究阶段1 6 j 。 虽然在c t 断层图像的三维重建方面国内外的一些研究单位已经有了一定的研究成 果，但是就目前来说，c t 图像的三维重建还是主要应用于医疗和工业的无损检测，而 像本文中将c t 图像的三维重构技术应用到地质方面的研究还很少。并且由于医疗和工 业三维重构中的被检测物体，包括有人体器官和工业零件等对象，它们与本文中被检测 的砂箱沙层的一些物理特性和结构特点的不同，决定了在医疗和工业无损检测方面中得 到的c t 图像的质量比我们在本文中所使用的构造物理模拟实验结果的c t 图像好很多， 所以一些现成的三维重建的技术不能照搬到本文中的构造物理模拟实验砂箱砂体c t 断 层图像的三维重构中来。砂箱砂体c t 断层序列图象三维重构方法从可查阅的文献中发 现国外的一些研究机构有个别类似的报道，但效果都不是很理想。并且该方法在国内也 仅处于起步阶段，很不成熟，在具体实现中很可能存在着一些无法预测的巨大困难。我 们需要了解研究已有的较成熟的应用于医学方面的三维重构方法，找到与本文所需要做 第l 章绪论 的砂箱砂体c t 断层图像的三维重构的相似之处和不同之处，结合新的理论知识，把握 适合于本文砂箱砂体c t 断层图像的三维重构研究的方向。 13 砂箱砂体c t 断层图像三维重构的难点 1 砂箱砂体c t 断层图象的预处理比人体器官组织c r 断层图象的预处理困难 同医用c t 断层图像一样，砂箱砂体c t 断层序列图象在进行三维建模重构之前也 需要对图象进行预处理，但由于对于地质构造物理模拟实验来说，实验砂箱中的不同砂 层虽然在物理特性的某些方面有所差别，例如颜色变化、颗粒大小等，但是由于不同砂 层的砂体密度变化比较小，因此砂层对x 射线的吸收系数不像人体不同组织器官那样 吸收系数有明显变化。这就造成了砂箱中的不同砂层经c t 设备x 射线断层扫描后得到 的灰度图象模糊、质量差，砂体层与层之间的界限非常不明显，因此对砂箱c t 断层序 列图象的预处理要比人体组织器官的c t 断层图象预处理困难得多。在接下来的研究中， 我们不能仅仅使用一些常规的图像预处理的方法对其进行处理应该找到适台本文砂箱 砂体c t 断层图像的预处理过程。 2 常用三维重构方法不适合于砂体c t 断层图象的三维建模 如果使用用于医学c t 断层图像三维重构方法中较常使用的表面模型法( 首先在三 维空间数据场中构造出中间几何圈元，然后再由传统的图形处理手段来实现三维画面的 绘制) 来重构本文中的砂箱砂体c t 断层图像时，面临的困难是如果砂层的几何变形形 状复杂时，没有一个比较可靠的确定轮廓对应的方法，尤其是当有分叉情况出现时，即 某一层上的一个轮廓与其邻层两个或两个以上的轮廓相对应，可能无法做到真实有效的 反映砂层的内部变形情况m 。 图1 - 2 人头骨和砸部模型( 表面模型法) f 噜1 - 2 t h e m o d e lo fh u m a ns k u l la n d f a c e ( s u r f a c er e n d e r i n g ) 如果采用用于医学c t 断层图像三维重构方法中的体绘制法( 将三维空间的离散数 d 胡 a 中国石油大学( 华东) 顿士学位论文 据直接转换为二维图像而不必生成中间几何图元) 来绘制本文中的砂箱砂体c t 断层图 像的三维重构时，存在的一个突出的问题就是三维图像的生成速度较慢。因为体绘制的 算法原理决定了只要观测位置等因素发生变化，在绘制三维图像时就需要重新对输入数 据进行整个的重新遍历，计算每一点处点的光强、反射强度等，这样就根本无法做到实 时显示。这一缺陷也是多少年来制约该技术应用的重要因素懈。 固 图1 0 人头骨和面部模型( 伴绘制 去) f i g l 3 t h e m o d e l o f h u m a ns k u l la n d f a e e ( v o l u m e n n d e r i n g ) 3 目前医学c t 断层三维重构软件不适合砂体c t 断层图象的三维建模 目前对于医学c t 扫描剖面图片的三维模型重构，有许多比较成熟的商业化软件可 供选用，但是因为这些软件是专为医学c t 扫描图像处理而研制的，并不是专门用来处 理砂箱砂体c t 断层图象的，因此，如果直接把那些软件拿过来就直接应用来处理砂体 c t 断层图象，对其处理的效果肯定不好，并且还会不可避免地出现很多功能用不上， 而需要的功能不见得有的问题甚至可能出现软件的功能非常全面，而处理砂体c t 断 层图象却使用到了其中非常少的一些功能的问题，这样就造成了很大的资源浪费。因此 我们需要建立一个适用于构造物理模拟实验的三维重构系统。 14 本文采取的方法流程 通过上面几节的介绍，我们借鉴医学c t 图像三维重构流程，结合本课题中的砂箱 砂体c t 断层图像资料本身的特点，以及我们能够获得的实验工具，我们提出适合于本 文图像资料的方法流程图，并且由于本文围像资料不可回避的圈片质量差等问题，我们 必须在某些步骤中的具体处理方法中要有所改进和创新，这样才能更好的满足本文中图 像的处理要求，进行三维重构。本文的方法流程图如下图图1 4 所示。 第1 章绪论 图l - 4 砂箱砂体c t 图像三维重构流程图 f 蟾1 - 4 t h ef l o wc h a r to fs a n d b o xc ti m a g e s3 dr e c o n s t r u c t i o n 1 5 本文的研究内容及结构安排 本文结合c t 设备所提供的实测二维投影数据，将所得到的二维断层扫描数据以 m a t l a b 编程实现被测物体的三维重建。主要研究了砂箱砂体c t 断层图像的图像预 处理、图像特征提取及三维重建三个方面，解决了一些技术难题。 本文结构安排和章节安排如下： 第一章：对构造物理模拟实验的背景、发展现状以及c t 图像三维重建技术的研究 背景、方法进行了简述。通过比较本文砂箱砂体c t 断层图像与医用c t 图像，进行技 术论证，确定一个大致的适用于本文的三维模型的研究方向及其方法。 第二章：实现砂箱砂体连续断层c t 图像预处理，其中包括对原始图像的灰度变换 调整，滤波以及模板匹配等处理。 第三章：实现砂箱砂体连续断层c t 图像的图像特征提取，对一些图像分割技术以 及数学形态法进行比较研究。 第四章：在m a t l a b 环境下，用基于等值面的间接体三维重建技术( m c 算法) 实 现了对3 0 层等间隔连续砂箱砂体c t 断层图像实现了三维重建。并对用m a t l a b 重建 后的三维图像进行了不同视点的观察，获得了更加全面的被测物体的空间结构信息。 第五章：工作总结与展望，提出了对论文工作中有待改进的一些问题。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章构造物理模拟实验砂箱砂体c t 图像的预处理研究 在本文中，实验砂箱中的各个砂层虽然颜色有变化并且颗粒大小等物理特性不同， 但是由于条件的限制，在实验中用到的不同砂层的砂体密度变化很小，而c t 成像的原 理就是通过不同密度的物质对x 射线的吸收率不同来得到灰度图像，因此这就造成了 砂箱中的不同砂层经c t 设备x 射线断层扫描后得到的灰度图象很模糊、质量差，砂体 层与层之间的界限非常不明显，并且我们在获得图像的过程中又会不可避免的引入一些 噪声，因此在对砂箱砂体c t 断层图像进行三维重构的首要问题就是需要对其进行预处 理。图像的预处理是一种前期处理，它的目的是使图像的质量更好，更有利于后面的图 像分割等处理，这是c t 断层序列图像三维重建不可或缺的一个环节。由于本文中的的 砂箱砂体c t 图像的质量比一般的人体器官c t 图像差很多，因此除了用一些比较常规 的图像预处理技术，比如灰度调整，图像的锐化及其滤波等，本章节还运用了一种改进 的模板匹配算法对其进行处理。为了便于对本章内容的了解，下面给出本章砂箱砂体 c t 图像预处理过程的大概的流程，如图2 1 所示。 砂箱砂体c t 图像预处理 图 像 的 显 不 与 剪 切 晷介 霾鸳 壅裴 的 图 像介 滤绍 波与 方比 法较 的 改 进 驻 匹 配 图2 - 1 砂箱砂体c t 断层图像的预处理流程 f i 9 2 - 1 t h ef l o wc h a r to fs a n d b o xc ti m a g e sp r e p r o c e s s i n g 在对砂箱砂体连续断层c t 图像进行三维重建过程中，无论是最开始要进行的图像 预处理还是接下来的图像分割，抑或是最后的三维重建，对于非专业的计算机编程人员 而言，直接独立编程实现这项工作是非常困难的，因此我们就需要借助一种功能非常强 大的图像处理工具，在本文中选用的是m a t l a b ，它是一种专业而且方便操作的图像 软件，利用m a t l a b 编程对c t 图像进行三维重建工作，灵活、方便，更便于掌握。 在用m a t l a b 对c t 断层图像进行处理之前，必须先把c t 图像读入到m a t l a b 中，接下来本文要先对c t 图像及其格式做简单了解，以便对其进行处理操作。 第2 章构造物理模拟实验砂箱砂体c t 图像的预处理研究 2 1c t 图像的读入和显示 构造物理模拟实验砂箱平移到c t 设备的床体上，经过c t 设备扫描后，得到的是 一系列的灰度图像，并且c t 图像资料格式是d i c o m 格式，不是一般常见的图片格式。 我们要将这些图像资料读入到m a t l a b 中进行处理，在这之前首先要对这种图像格式 有所了解才能对其进行读入操作。 2 1 1d i c o m 文件简介 d i c o m ( d i g i t a li m a g ea n dc o m m u n i c a t i o no nm e d i c i n e ) 文件是一种医学影像专用的传 输和存储格式，d i c o m 文件一般由d i c o m 文件头和d i c o m 数据集合组成。文件头 包含标志数据集合的相关信息。数据集合由一系列按照特定顺序排列的d i c o m 文件最 基本的构成单元咖i c o m 数据元素组成的。d i c o m 数据元素由四个部分组合而成： 标签、数据描述、数据长度v l 和数据域。其中标签是由组号( 高位2b y t e ) 矛l l 元素号( 低 位2b y t e ) 两部分组成。数据描述为2b y t e ，包含了该数据元素中的数据类型信息，并且 它是可选的，取决于我们的图片文件的传输格式是显式或隐式，如果是显式传输格式， 那么v r 必须存在，如果传输格式是隐式，那么v r 必须省略。数据长度则是用来指明 该数据元的数据域中数据的长度( 字节数) 。数据域v a l u e 中包含了该数据元的数值。 在了解了m a t l a b 图像处理工具的特点以及d i c o m 图像格式信息后，接下来就 要运用m a t l a b 图像处理工具来实现对构造物理模拟实验砂箱砂体c t 断层图像的处 j 里 9 1 。 2 1 2 砂箱砂体c t 断层图像的读入与显示 在一般的研究中，进行这步工作的时候，都会采用把d i c o m 格式的图片资料转化 成其他比较通用的图片格式的方法，比如先转换成b m p 以及j p g 等能轻易与其他图片 格式想转换的图片格式，以防一些图像处理工具不能准确读取d i c o m 格式，这的确为 对这些图片进行处理操作提供了便利，但这无形中增加了工作量。由于在本文中，我们 只是在m a t l a b 中对这些c t 断层扫描图像进行处理，所以我们可以直接运用 m a t l 惦中固有的函数d i c o m r e a d ，这样可以节省一些时间。 当通过m a t l a b 函数d i c o m r e a d 读入c t 图像之后，图像的数据信息会以一种特 定的序列形式储存在矩阵数组之中，我们并不能直观的看到图像，因此需要把这些数据 转换成为可以被计算机或人眼识别的图像。在图像序列显示成图像方面m a t l a b 的图 十国石油大学( 华东) 碰学位论文 像处理工具箱提供了多种方式，对于本文中的灰度图像而言，i m s h o w 是常用的函数， 其语法格式为： i m s h o 州a ， 1 0 w ，h i 曲 ) ，其中 1 0 w ，h i g h 为图像数据的值域。 本文一共选取了靠近前视面的3 0 张连续的c t 断层扫描图片来做三维重构操作， 由于这些图片特性差不多，所以在本文中只是选取其中一张作为示例。下图2 2 即为读 入的其中一张原始图片。 r l 一 图2 - 2 原始图片 r i g z - 2 t h eo r i g i n a lc ts c a n n i n gi m a g e 从上图可以看出，由于是把整个实验砂箱平移到c t 设备进行扫描。所以除了进行 实验的各个砂层信息被扫描到外，还有许多对于我们来说无用的图片信息，比如说砂箱 箱体等实验设备。在对c t 图像进行增强等预处理时，最先要进行剪切处理，去掉我们 不感兴趣的区域，只保留受力变形的各个砂层的图像信息。 22 砂箱砂体c t 断层图像的预处理研究 2 21 砂箱砂体c t 断层图像的剪切 在进行图像剪切处理时，使用m a t l a b 中的i m u - r o p 函数，从原始图像中抽取一块 矩形区域。其调用格式为：1 1 - - i m c r o p o ) 。 剪切的结果如下图2 - 3 所示。 图2 - 3 剪切后得到的感兴趣区域 f i 9 2 3 t h e 比s u l to f c r o p p i n g 一 第2 章构造物理模拟实验砂箱砂体c t 图像的预处理研究 值得注意的时在进行剪切处理时，每幅c t 图像都要选取相同位置的区域进行剪切， 以便于最终的三维重建处理。 从上图2 3 中可以看出，本文中的砂箱砂体c t 断层扫描图像的质量很差，感兴趣 的用不同砂层隔出的标志线与周围的背景之间的界限模糊，其灰度值接近。接下来就需 要进行图像增强，来强化感兴趣区域的图像特征。 2 2 2 砂箱砂体c t 断层图像的增强研究 图像增强是图像处理的主要任务之一，它的目的是改善所要处理图像的视觉效果， 或者把图像转化成另一种形式。我们可以针对给定图像的应用场合以及应用用途，分析 给定图像的特性，具体情况具体分析，有目的地选择某些图像增强的方法来有针对性的 强调我们所需处理的图像的某些局部特性，扩大图像中不同物体特征之间的差别，满足 一些具体的特殊分析要求，为后续的其他的图像处理提供方便。值得注意的是在对图像 进行增强处理时，我们处理的原则并不是以图像保真度的高低，而是通过一定技术手段 和图像处理方法对原图像附加或删减一些图像信息，有时甚至需要把图像的数据变换成 其他数据，从而有选择地、人为地去重点突出图像中我们感兴趣的特征或者抑制( 掩盖) 图像中某些不需要的特征，提高图像的使用价值。图像增强的方法多种多样，但按其处 理的方法可大致分成两类：一类是空域处理方法，另一类是频域处理方法。总体上而言， 图像增强的方法主要包括有直方图修改、灰度变换方法以及图像滤波等方法【l 们。下面具 体介绍一些常用的图像增强的方法。 1 基于直方图的图像增强方法 图像的直方图是一种灰度级的函数，它概括了一幅图像的灰度级内容，表现了图像 的灰度分布概况，直观显现了图像中具有某个灰度级的像素的个数。当一幅图像的直方 图均匀分布时，说明图片所具有的灰度级非常多，那么图片看起来就会很清晰，并且图 像也更能表示出更多的细节。而相反，如果图像中的灰度值集中在某一个较小的范围内 时，图像往往会不清晰，没法很好的展示图像的细节特征。利用直方图来进行图像增强 处理正是通过人为地修改给定图像直方图的方法来达到增强图像特征的目的。它的实质 就是通过设定一个变换函数来人为控制图像像素灰度级的概率密度函数从而改变图像 信息，有目的地强化图像的某些特征【1 1 】。下面具体介绍其中的两种基于直方图的方法： ( 1 ) 直方图均衡化 直方图均衡化是一种最常用的通过直方图修正来进行图像增强的方法。它是将一幅 l o 中国石油大学( 毕东) 碗士学位论主 已知灰度分布情况的图像，经过一定的变换，使这幅图像的直方图分布变为均匀概率分 布的形式，使输出像素灰度的概率密度均匀分布，以求得最大的信息熵。这种方法的优 点是可以增强整个图像的灰度范围和对比度，使图像细节的层次更加清晰，更加丰富。 但是直方图均衡化有很大的局限性，因为它只是通过简单的均匀直方图分布来实现图像 增强的目的，并且它的增强效果没法人为控制，不够灵活，不能具体的考虑处理图片的 信息及其特征来决定如何处理。而在实际应用中，人们总是希望能够人为控制其具体的 增强效果，自主地修正直方图的形状，使之与期望的形状相匹配而不仅仅是使之平均分 布，直方图规定化方法满足了这一需求旧。 ( 2 ) 直方图规定化 直方图规定化是通过运用均衡化原理建立起原始图像和期望图像之间的关系，有选 择的增强图像的某个获度值范围的对比度，使原始图像的直方图变成预先规定的形状， 从而弥补了直方图均衡不具备交互的弊端，提高了利用直方图增强图像的实用性和灵活 性。 2 基于灰度变换的图像增强方法 基于灰度变换的图像增强方法是另外一种简单有效的图像处理方法。它是通过将图 像上各个像素点的灰度值按菜个函数变换成另一个灰度值以此来达到加大图像灰度动 态范围、扩展图像对比度的目的，使图像以显示出图像的细节，变的更清晰( ”】。我们可 以根据变换函数的形式，将基于灰度变换的图像增强方法分为线性变换、分段线性变换 和非线性变换三种方法，这三种方法不一一介绍了。 3 基于砂箱砂体c t 断层图像的图像增强方法的比较 可用于砂箱砂体c t 断层图像的图像增强方法很多，具体用哪种，需要我们针对一 些图像增强的方法进行实际的处理操作对处理结果进行比较，最后才能选定最适合砂 箱砂体c t 断层序列图像的图像增强方法。接下来我们分别采用上面所提到的图像增强 的方法对砂箱砂体c t 图像进行处理，处理结果如下图所示。 图2 一直方图均衡化后的砂箱砂体c t 断层图像 f i 9 2 - 4 t h er e s u l t o f h i s t o g r a me q u a l i z a t i o n 第2 自构造物理模拟实验秒箱砂体c t 幽像的项理研裳 图2 - 5 直方图规定化后的砂箱砂体c t 断层图像 f i 9 2 5t h er e s u l t o f h i s t o g r a ms p e c i f i c a t i o n 圈2 石分段线性变换后的砂箱砂体c t 断层图像 f 2 6 t h e r s u l to f p w i l i n e a r t r a n s f o r m a t i o n 图2 7 线性变化对比度增强后的砂箱砂体c t 断层图像 f i 9 2 - 7 t h er e s u l to fc o n t r a s tr e i n f o r c e 从上图得到的图像处理结果，可以分析表明：直方图均衡化的方法具体增强效果不 能人为控制，并且处理的结果是对全局均衡化的整体均匀分布的直方图，而不是我们所 希望的能够有目的地增强标志线的那个灰度级分布范围内的图像。直方图规定化方法虽 然比直方图均衡化方法更加灵活，改善效果更好，但是由于选择恰当的直方图比较困难， 所以实用性不是很好。而分段线性变换方法处理效果也不好，标志线模糊，与周围的背 景界限不明显。采用线性变换对比度增强的方法增强图像后。线性变换方法简单有效， 可获得较满意的清晰度，且保留了图像标志线的细节信息，从上图中可以清楚地看出图 片效果比之前有了很大的改善，感兴趣的标志线也清晰了许多，强化了感兴趣区域。但 我们还应注意到，c t 图像在形成、传输或变换过程中，必然会混进一定的噪声，而这 些噪声也会极太地影响图片的质量以及我们后续的处理效果，因此尽量消除砂箱砂体 c t 断层序列图像中的噪声是我们最终的三维重构取得较好效果的必要条件。 4 砂箱砂体c t 断层图像的滤波 数字图像中往往会包含一定的噪声，这些噪声影响图片真实信息的显现，并且不利 于对其进行处理。因此我们在对数字图像进行处理时需要搞清其噪声的来源和类型，然 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 后再具有针对性的对其进行滤波处理。c t 图像在生成的时候会掺杂进很多噪声，这些 噪声受到很多因素的影响，但是主要表现为高斯白噪声和脉冲噪声。我们可以针对噪声 种类的不同，在具体的操作中，根据实际情况采用不同图像滤波方法。并且我们要求在 对图像进行滤波处理时，既能去除噪声，又能保持轮廓边缘尽可能清晰 1 4 】。 图像滤噪算法一般有如下几种方法： ( 1 ) 邻域平均法： 这种方法是在空间域上对图像进行平滑处理，它的实质就是对包含噪声的图像的每 一个像素点取一个邻域，通过运算得出这个邻域中所有像素灰度的平均值，然后用这个 平均值来取代这个邻域中所有像素的灰度值，这种方法操作简单，最终得到的图像效果 也较好，但是这种方法是通过模糊图像来实现对噪声的去除，并且我们选取的邻域大小 也对处理结果有很大的影响，领域面积越大，噪声减少越明显，但是随之图像也会更模 糊。 ( 2 ) 中值滤波 中值滤波是一种非线性的减少图像边缘模糊的图像处理技术，它不但能较好的抑制 图像中的噪声还可以较完整保留图像边缘。其原理是首先确定一个以某个像素为中心点 的邻域，然后将邻域中各个像素的灰度值进行排序，取其中间值来代替原像素点的灰度 值，由于这个中间值不受图像边缘毛刺噪声信息的影响，因此这种方法可以有效的消除 脉冲干扰。我们通常把选择的邻域称为窗口，当窗口在图像中上下左右进行移动后，利 用中值滤波算法可以很好地对图像进行平滑处理【1 5 】。 通常，二维情况下的中值滤波可定义为： g ( m ，n ) = m e d i a n f ( m - k ，刀一耽( k ，) 彳) 、 以 ( 2 一1 ) 式( 2 - 1 ) 中：a 为窗口；g ( m ，n ) 为窗口中心的灰度值；f ( m 一尼，n 一，) 为窗口a 的 像素灰度值。中值滤波不但可以克服邻域平均法中图像细节模糊的问题，还可以很有效 的滤除脉冲干扰及图像扫描中掺杂进的噪声。 ( 3 ) 自适应维纳滤波 自适应维纳滤波根据图像的局部方差来控制滤波器，它的局部方差越大，平滑作用 越强。但是由于它使用的最小均方差准则来实现图像的滤波，所以处理后得到的图像往 往与人的视觉准则不一致。 ( 4 ) 小波变换 第2 章构造物理模拟实验砂箱砂体c t 图像的预处理研究 铲点咩揪 协2 ， 令虬“f ) = h - 1 坨y ( 学) 为函数l f ，( f ) 经伸缩和平移得到的小波函数族。其中口，6 为 彬( 职功= 南e 饨) 沙等渺= e 侧唬。础垆( 八硗) ) 由y ( f ) ( 尺) 知门少( f ) 防 e o 时就停止该点的计算，继续下点的计算 【1 1 【 具体到本课题中，我们在把砂箱的前视面所展示的构造变形结果通过摄像设备拍下 来，然后再经过图像处理，以此来作为本文中所采用的一组有序c t 图像中第一张图像 的模板，由此来对砂箱砂体c t 图像进行模板匹配处理，并且在处理第二张图片时采用 处理后的第二张来作为模板，以此类推，这样采用动态的模扳，更能保证处理后得到的 构造变形图像与事实相符。由于本课题中选取了3 0 张c t 图像来进行三维重构，图片 资料比较少，可能把所有的图像都与前视面图像进行匹配误差也不大，但是如果用来进 行三维重构的图像资料较多时，每一张内部的c t 构造变形标志线肯定会有差别，如果 还是和同一张进行匹配，那肯定会和真实情况产生较大偏差。下图是经过模板匹配后得 到的某张图像。 图2 1 4 一次模板匹配后的砂箱砂体c t 图像 f i 9 2 - 1 4 t h ef i r s tt e m p l a t e dm a t c h i n g 由上图2 1 4 可看出，按照上面所说的方法，经过一次模板匹配后，构造变形标志 线有一定程度的增强，但是效果还不是明显，因此我们要采用一种改进的模板匹配算法。 本文中采用的改进的模板匹配方法的原理是将一次的模板匹配过程更改为两次匹 配。其中第一次的匹配为粗略匹配。它是把楼板的隔行隔列数据，即1 ，4 的模板数据提 取出来，在被搜索图上进行隔行隔列匹配，也就是说在原图的i 4 范围内匹配。这种方 法由于提取的数据量经过了人为的大幅减少，所以匹配速度显著提高。在匹配的过程中 我们需要设计一个台理的误差阀值昂： 岛= 龟学孚 ( 2 - 8 ) 式( 2 - 8 ) 中：矗为各点平均的最大误差，一般取4 0 - - 5 0 即可；m ，n 为模板的长宽； 第2 章构墙物理模拟实验砂箱秒体c r 图像的预n 理研究 第二次匹配是精确匹配。在经过第一次粗略模板匹配后的误差最小点a 。i 。j 。i ) 的邻域 内，即在对角点为0 。i 。一l j 皿i ，1 ) ，( i j 。+ l j 。i 。+ 1 ) 的矩形内，对目标图像进行搜索匹配， 找寻到匹配点最终得到结果。 图2 1 5 二次模板匹配后的砂箱砂体c t 图像 f i 9 2 - 1 5 t h er e s u l to f s e c o n dt e m p l a t e dm a t c h i n g 由上图图2 1 5 可咀看出，经过二次模板匹配，很有效的强化了图像中的标志线信 息增强了图像的对比度，使图像的轮廓更加清晰明了。并且在实验中我们证明被搜索 的图像越大。匹配的速度越慢：模板越小，匹配的速度越快；闯值的大小对匹配速度以 及匹配结果影响比较大，因此在处理过程中我们要尝试选择适合本图片韵闽值，以求得 良好的匹配结果。 2 3 本章小结 本章主要介绍了砂箱砂体c t 图像预处理的过程。通过剪切处理减少了数据的处理 量，通过图像增强及其滤波处理减少了背景因素和噪声对后面三维重建处理的影响。在 本章中介绍了一些图像增强的方法，包括有直方图均衡化、直方图规定化、分段线性变 换、线性对比度增强、中值滤波以及小波变换等方法，并对它们对本文所采用图像的处 理结果傲了比较了它们的优缺点，通过对处理结果的观察，我们可以得出这样的结论， 本课题中所需处理的砂箱砂体c t 断层图像适合采用线性对比度增强和中值滤波与小波 阈值去噪相结合的方法来对图像进行处理。最后还采用了一种改进的模板匹配算法对图 像进行进一步增强处理，最终得到较理想的图像处理结果。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第3 章基于构造物理模拟实验砂箱砂体c t 图像特征提取研究 经过砂箱砂体c t 图像的预处理过程后，构造物理模拟实验中砂箱砂体c t 断层图 像的标志线特征已