煤的显微组分组含量自动测定 图像分析法-编制说明

《煤的显微组分组含量自动测定

图像分析法》国家标准

编制说明

标准编制组

二〇二三年五月

1标准编制的意义和必要性

煤的镜质体反射率与镜质组、惰质组和壳质组三大显微组分组的组成决定了煤的物

理化学性质、工艺性质及工业用途。在商品煤质量检测与煤炭焦化、气化、液化、油气

勘探等工业领域，这些煤岩参数指标已被广泛的应用。然而多年来，煤岩参数指标的测

定，是在显微镜下主要依靠人工肉眼识别来测定的。人工煤岩测定，不仅劳动强度大、

费时长，而且受观测人员主观认识上的差异影响，实验室之间的鉴定数据可比性差，制

约了煤岩参数指标在煤炭分类和炼焦配煤等工业中的应用。

传统的人工肉眼在显微镜下测量镜质组反射率和鉴定煤岩显微组分，煤岩鉴定人员

需要长期的专业知识和显微镜下实践，才能准确的判识出显微组分，进行检测。目前，

老一辈经验丰富的煤岩专业人员多已经退离工作岗位，新一代煤岩检测人员接受专业知

识培训的时间普遍较短，培训周期一般为1~3周。在如此短的培训时间内要很好的掌握

煤岩鉴定技能是不现实的。从近几年全国煤岩检测能力验证开展的情况看，2014年、2016

年分别有17家和15家全国煤田地质、冶金、高校实验室参加了煤岩检测能力验证。从

显微组分组和矿物的含量测定数据（图1-1、1-2）可以看出，各检测实验室的数据离散

度大，两家检测机构对同一显微组分组的检测数据极差最大可达47.7%，各实验室检测

数据的标准差S最大达19.9，远远超出国家标准中精密度要求。煤岩自动化技术开发有

着国内煤岩检测的现实需求及意义，同时，随着AI和自动化在国内工业化领域的快速

发展，煤岩自动化检测技术是未来煤岩检测的发展趋势和迫切需要。

图1-12014年全国煤岩统检图1-22016年全国煤岩统检

煤岩显微图像自动识别技术，即运用图像分析技术，在油浸反光条件下自动采集煤

岩显微图像，自动进行图像识别，获得煤岩显微组分组含量，亦可称为图像法显微组分

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测定。鉴于图像法自动测定具有简单、明晰、可视化、可追溯性等优点，而且随着高精

度数字化图像采集及计算机图像处理技术的快速发展，图像法在煤岩显微组分自动识别

的优势日益显著。图像法在煤岩自动化测定中的应用，随着摄像技术及计算机的快速发

展而越来越广泛被应用。

EnglandB.M.等（1979年）对澳大利亚必和必拓中央研究实验室使用的Quantimet720

图像分析仪进行了详细的介绍。Quantimet720系统主要包括显示板、光导摄像管扫描

仪、标准探测器、功能计算机、分类器-收集器等部件。通过建立的标样在不同光照条

件下白电平检测信号与反射率的线性模型，对试样进行反射率检测。并对采用图像分析

仪进行煤岩反射率和显微组分定量的新方法进行了初步评价，证明了图像分析仪在煤岩

学中的潜在应用。

ChaoE.C.T.等（1982年）介绍了美国地质调查国家中心实验室的自动图像分析系统

（AIAS），主要结合了一台电视（TV）摄像机，该摄像机在反射率小于5%的范围内具

有最佳响应特性。对来自电视摄像机的数字化信号的分析由微处理器控制，该微处理器

的分辨率在全照明和暗电流之间为64个灰度级。处理后的图像被重新转换显示在电视

监视器屏幕上，操作员可以通过光笔控制和编辑需要分析的显微组分和反射率信息。

RiepeW.等（1984年）介绍了德国Leitz研制的图像分析仪TAS，是对煤层煤样的显

微组分以及煤的混合物组成进行显微测定的分析方法。TAS包括安装在反射光显微镜上

的电视摄像机、分辨率为100灰度的灰度计和微型计算机。它由一个终端、一台打印机

和一个显示单元来补充，每幅显微图像扫描512×512点。对每个点进行灰度-反射率评

估，并将其存储在图像存储器中，进行煤的反射率和显微组分分析。将所有测量字段相

加，得到一个整体的反射率频率分布图，通常观察到的三个峰，分别对应于壳质组、镜

质组和惰质组三类显微组分组。

GoodarziF.等（1986年）介绍了加拿大沉积与石油地质研究所使用的德国卡尔蔡司

IBAS图像分析系统。该系统配备有博世电视Chalnikon相机、256级灰度密度计、自动

扫描和自动调焦装置。该自动化系统可识别给定微观领域内的256个灰度，使用已知标

样的反射率值可以将灰度转换为反射率数据，自动生成煤的显微组分、矿物和黏结剂的

连续反射率图，根据连续反射率图进行反射率及显微组分的分析。

金奎励（1986年）分析比对了自动数字煤岩反射仪（ADPR）、显微镜光度计、图

像分析系统（IAS）三种分析方法下的煤岩反射率及显微组分组的测定特征，提出了一种

基于人工干预的反射率直方图显微组分过渡区间优选法。在样品全片有代表性自动扫描

反射率直方图（即指纹图）上，在各显微组分组分布的波谷区间截去当中一段干扰值（包

括反映测点落在各显微成分交界处等因素的影响），将区间值反映的成分在镜下进行人

工修正后，根据修正数据，即可再次扫描得出三大显微组分组的定量。并利用该方法在

显微光度计和图像分析系统上做了验证，对于单种煤的测定效果较好。

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PrattK.C.（1993年）利用采集到的样品的显微组分所有显微图像像素点灰度数据，绘制

出灰度频率分布曲线，应用PeakfitTM程序对该曲线进行拟合和分解，分离出一系列呈

正态分布的分段频谱曲线，以代表过渡物质频谱曲线的峰值作为镜质组与惰质组及镜质

组与壳质组边界分割阈值，获得镜质组、惰质组和壳质组三大显微组分组的百分含量。

PearsonD.E.（1991年）和O’BrienG.等（2003年）提出了反射率累积频率FMR方

法。将采集到的样品的所有显微组分显微图像像素点灰度转换为反射率值，绘制显微组

分组和矿物反射率累积频率曲线图；然后绘出曲线图中镜质组、壳质组段和惰质组段的

切线；再由切线交叉点求得镜质组、惰质组、壳质组+暗色矿物三大部分的百分含量。

胡德生、王文韬等（2003年）开发了数字化自动煤岩分析技术，该技术采用主分量

分析法（PCA）实现煤岩成分识别及反射率测定。煤岩成分识别主要是识别和分割出镜

质组、非镜质组和黏结剂3种成分，黏结剂是采用阈值方法直接分割，采用主分量分析

方法对镜质组和非镜质组进行分割，已应用于煤的炼焦配煤中。

中煤科工西安研究院（2020年）开发了基于K均值聚类的煤岩显微组分组图像自

动分割和识别技术；开发出煤岩显微图像去噪预处理技术，有效解决了壳质组与黏结剂

灰度重叠的有效分割问题，消除了抛光面下方煤颗粒反射对黏结剂区域灰度影响；开发

了基于Prewitt算子的煤岩显微组分假边界图像处理技术，剔除了占比10-18%假边界区

像素对显微组分组自动识别结果的影响；形成了烟煤的煤岩显微组分组图像自动识别系

统，自动识别结果与资深煤岩专家人工鉴定结果重复性好、准确性高。

鉴于煤岩图像分析法进行显微组分自动识别结果可随时进行人工验证、可追溯性

好，可降低操作者的劳动强度，并很大程度地减少人为测试的主观性；而且随着高精度

数字化图像采集及计算机图像处理技术的快速发展，图像分析技术的发展日益趋于成

熟。中国在该领域总体上处于技术领先地位，在图像采集、图像分析、误差溯源消除方

法设计等方面，都位于国际同类技术前列。但尚未制定统一的测试方法国家标准，使得

该技术主要在煤炭基础研究、企业内控等过程中应用。本标准的出台，将进一步规范利

用图像分析技术进行显微组分组自动测试的仪器条件、过程优化和误差控制，使得不同

厂家、不同仪器获得的测试结果之间更具有可比性，便于图像分析和显微组分组自动测

试技术的推广应用。

2工作简况

2.1任务来源

2020年12月24日，根据国家标准化管理委员会《关于下达2020年第四批推荐性

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国家标准计划的通知（国标委发【2020】53号）》，国家标准《煤的显微组分组含量自

动测定图像分析法》制定项目立项，项目计划号为20204680-T-603。该标准由全国煤

炭标准化技术委员会归口管理，由中煤科工西安研究院（集团）有限公司负责起草。

2.2主要工作过程

（1）标准研制

2020年至2023年4月，标准起草组调研了国内外煤岩显微组分组自动测试技术发

展现状以及相关仪器开发推广进展。主要调研内容包括：

（1）“配套煤岩显微图像自动采集平台硬件系统相关技术要求”内容，主要包括

①偏反光显微镜技术要求，②自动扫描装置技术要求，③自动聚焦装置技术要求，④图

像采集系统技术要求。

（2）“图像法煤岩显微组分组自动识别技术研究”内容，完成60个单种煤图像法

显微组分组自动识别方法、原理的测试验证工作，完成了显微组分组自动测定步骤流程

和测定结果表述及检测报告输出内容。

（3）开展了利用图像分析法进行显微组分组自动测定的比对试验，与传统人工坚

定结果进行了比对，进行了可替代性研究，对测试精密度进行了评估，分析了可能对测

试结果产生影响的各种因素，提出了相应的控制技术要求，完成了标准的初步征求意见

稿和编制说明。

在项目执行过程中，起草单位所在地西安市自2021年12月至今受新冠疫情的严重

影响，项目人员于2021年12月至2022年2月份基本采取居家办公的工作方式开展工

作，无法按计划进行实验室内的样品制备、分析测试工作，使得项目的正常进度滞后。

2022年，项目组申请延期一年。

（2）邀请专家讨论

2023年至4月底，标准起草组完成了标准工作组讨论稿及编制说明。起草组5月

16日组织相关煤岩专家于西安对讨论稿及编制说明进行了讨论，并按讨论意见及建议修

改了本标准的讨论稿。起草组于5月19日赴北京与煤炭科学技术研究院有限公司煤化

工分院、煤炭检测中心相关专家讨论了标准工作组讨论稿，并提出了具有建设性的意见

及建议。

（3）征求意见

计划于2023年6月组织开展标准征求意见工作。

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3标准编制原则

（1）本标准主要依据GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的

结构和起草规则》的要求进行编制。

（2）国内外关于显微组分组自动测定技术应用情况的文献调研表明，基于显微图

像分析技术的显微组分组自动测定方法，能够随时进行人工验证、可追溯性好，可以消

除受观测人员主观认识上的差异影响，增强实验室之间的鉴定数据可比性，是传统人工

鉴定方法的有益补充。本标准的编制，是在传统人工煤岩显微组分组测定方法基础上，

开展基于煤岩图像分析技术的显微组分组自动测定方法研究工作。

4标准主要内容

4.1测定方法说明

4.1.1测定方法总述

将粉煤光片置于反光显微镜下，用白光反射。调节显微镜光源强度，能清晰地分辨

出各种组分边界，对样品在选定区域自动逐点扫描、聚焦并采集图像，运用图像分析法

自动识别各显微组分组，并计算出每幅图像中各组分所占像素的比例，统计出各显微组

分组的体积分数。

4.1.2测定方法依据

本测定方法是以国家标准《煤岩术语》（GB/T12937-2008）、《烟煤显微组分分

类》（GB/T15588-2013）为基础，对比参照人工测定方法《煤的显微组分组和矿物测

定方法》（GB/T8899-2013），运用图像处理显微煤岩自动识别技术代替人工识别制定

显微组分组含量自动测定方法。通过显微镜相机采集煤岩显微图像，通过自动载物台及

图像采集控制系统自动控制煤岩样品沿X、Y、Z三轴方向自动移动，基于图像处理方

法的自动聚焦技术控制光学显微镜自动调焦，实现样品测点的自动扫描、自动调焦及测

点图像的自动采集；以自动识别后各种显微组分组的像素面积占总有效测点像素面积的

百分数统计法代替现行国家标准标中的点统计方法，提高了结果统计的精度。

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4.2术语和定义说明

GB/T12937《煤岩术语》中确立的术语和定义适用于本文件。

GB/T20733《数码照相机术语》中确立的术语和定义适用于本文件。重点涉及的

术语有数码照相机、图像传感器、电荷耦合器、互补型金属氧化物半导体器件、位深、

像素、灰阶等。

另外本标准还专门规定了显微镜相机、像素、自动载物台、图像采集控制系统、显

微数字图像、有效图像、无效图像、测点、有效测点9个术语。

显微镜相机：通过专用接口和显微镜连接，具有能输出显微镜成像的数字信号的图

像传感器，并通过数据接口与如计算机相连，将此信号记录在存储媒体（如存储卡或磁

盘）上的照相机。

像素：图像传感器上能单独感光的物理单元。

自动载物台：通过计算机程序控制沿X、Y、Z三轴方向自动移动的显微镜载物台。

图像采集控制系统：同时驱动自动载物台移动和显微镜相机照相的计算机软件。

显微数字图像：利用显微镜相机对显微镜物镜下样品的成像所拍摄的数字图像。

有效图像：指在准焦条件下采集的煤岩样品显微图像，可清晰的分辨出显微组分、

矿物质、胶结物及各种组分边界。

无效图像：煤岩样品在显微镜非准焦条件下拍摄的显微图像，无法清晰地分辨出显

微组分、矿物质、胶结物及各种组分边界。

测点：按照设定的合理点距和行距对煤岩样品拍摄、采集的显微图像区域，均匀布

满全片。

有效测点：每个测点所采集显微图像中适于辨识显微组分和矿物的区域像素集合。

单个测点采集图像中有效测区像素数不应少于整幅图像的10%，否则，该测点图像作为

无效图像处理。

4.3仪器设备与测试系统

仪器设备由反光显微镜、数控调压电源、自动载物台、显微镜相机四部分硬件组成。

软件包括图像采集控制系统和显微组分组图像自动识别测定系统两个模块。上述两个模

块，可以集成在一起，也可以单独运行。

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4.3.1反光显微镜

应配备反光或偏反光显微镜，显微镜光源应采用有足够亮度且输出稳定的光源，宜

采用功率为50W或100W的卤素石英灯或同等效果的LED灯室；油浸物镜应为×25～

×60，目镜应为×8～×12.5。

4.3.2数字程控可调电源

图像分析法需要保证能够采集到稳定光源条件下的煤岩图像，宜采用具有数显可编

程直流稳压/稳流电源，输出电压0-12V，分辨率1mV/0.1mA；在稳压模式下，输出电

压波动应控制在±1mV范围。

4.3.3自动载物台

自动载物台应在X、Y、Z三轴方向均能自动移动，且配有自动控制系统。在X、Y

轴方向能按设定的点距、行距和路线在规定范围内自动、连续移动样品；在Z轴方向配

置自动聚焦装置，具有自动调焦取得清晰图像的功能。采集到准焦且清晰的样品显微图

像是图像法显微组分组自动识别测定的前提和基础。

X-Y轴向自动扫描技术在国内各种行业已经非常成熟，应用于显微镜平台上，主要

考虑X、Y向的行程、步进分辨率及重复定位精度等指标。自动聚焦技术的发展最初是

应用于照相机系统，成像系统聚焦方法有焦点检测法，主要是基于测距原理的测距方法。

随着计算机技术和数字图像处理技术的进步，应用图像处理方法的聚焦技术得到快速发

展。基于图像处理方法的自动聚焦技术应用前景最广阔，是实现光学显微镜自动聚焦的

发展趋势，国内学者在显微镜自动聚焦技术开发及应用方面做了大量的研究工作。

应用于煤岩检测光学显微镜的自动调焦方法，早期，国内开发了跟踪调焦法的显微

镜半自动调焦技术，该方法实际上是一种焦距预设技术，并非真正意义上的自动调焦。

其工作方法是在正式测试之前，先将样品扫描一遍，并选取一定数量的位置，记录这些

位置的准确聚焦工作距离。在正式测试过程中，随扫描的进行在同一方向不断地调焦，

利用之前的各个校准点做参照，使每一测点都在“理想”的焦距上，以保证成像清晰度

和数据的准确性。这种“多点定面”的技术要取得良好效果，前提是煤岩光片平整度要

足够高，但实际上很难做到。在高倍物镜下，样品表面实际上不是严格的平面，而是一

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个不规则的曲面，有许多突起和凹面。

目前，光学显微镜的自动调焦方法以基于图像处理方法的自动聚焦技术为主。图像

处理方法自动聚焦是应用某种图像处理算法来获得图像清晰度评价的函数值，根据函数

值调整显微镜成像系统焦距，直至这一函数值满足某一条件为止。基于图像处理方法的

自动聚焦技术其核心内容是对图像清晰度函数的研究，目前已提出了多种图像清晰度评

价的算法。

煤岩粉煤光片中的模糊亮斑状黏结剂在显微镜下呈现无固定形态、无明显的锐化边

缘，不存在准焦平面，以及由于不同显微组分及矿物的硬度差异，造成抛光面上各种成

分的突起高低差异，使得整幅图像各部位不在同一个聚焦平面上。如黄铁矿，在一定的

景深范围内没有清晰的边缘，加之基本上是超曝光，灰度值基本为灰阶最高值，在不同

焦平面上的灰度变化极小。针对煤岩样品的显微镜自动聚焦技术，起草组在前人研究的

基础上，开展了基于图像处理技术的煤岩粉煤光片显微镜自动聚焦算法开发工作。

（1）煤岩粉煤光片不同焦平面下灰度图像特征分析

粉煤光片中表面平整、边界清晰的显微组分颗粒，在不同焦平面下采集的煤岩显微

图像及其图像的灰度分布曲线如图4-1所示。在准焦平面位置采集的图像显示（图4-1a），

煤颗粒与黏结剂边界清晰，煤颗粒中各显微成分边界清晰易于辨识；随着偏离准焦平面

距离加大，各种边界变得越来越模糊，各显微成分也难于辨认（图4-1b-d）。相应地，

不同焦平面下采集的显微图像的灰度分布曲线如图4-1e所示，可以看出来，随着偏离

显微镜准焦平面距离加大，图像中煤颗粒的灰度曲线峰值呈现规律性的增大，且峰值变

窄、变高。显然这种灰度变化特征利于进行图像清晰度评价。

(a)准焦平面1图像(b)模糊焦平面2图像

(c)模糊焦平面3图像d)模糊焦平面4图像

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(e)不同焦平面图像灰度分布曲线

图4-1边界清晰图像在不同焦平面下灰度分布特征

从粉煤光片中选择带有少量煤颗粒的模糊亮斑状黏结剂视域（图4-2）进行了观察，

显示视域中少量的煤颗粒（图4-2a中右上角框图圈定范围）可以准确定位该视域下的

图像准焦平面。分别采集了不同焦平面下的显微图像并生成了各图像的灰度分布曲线

（图4-2b-g）。可以看出，随着偏离准焦平面距离加大，煤颗粒图像越来越模糊，直至

煤颗粒与黏结剂无法分辨。但黏结剂区域的图像特征基本上无明显变化，一直呈现模糊

状，无清晰的边缘，说明单从黏结剂区域的图像特征变化无法确定该视域下的准焦平面。

从不同焦平面下采集各图像的灰度分布曲线（图4-2g）来看，模糊黏结剂区域灰度变化

特征不明显，也难于根据其灰度变化进行图像清晰度评价。

(a)焦平面1图像(b)焦平面2图像

(c)焦平面3图像(d)焦平面4图像

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(e)焦平面5图像(f)焦平面6图像

(g)不同焦平面图像灰度分布曲线

图4-2模糊亮斑区黏结剂在不同焦平面的灰度分布特征

从粉煤光片中选择带有少量煤颗粒的高突起高亮矿物黄铁矿视域（图4-3）进行了观察。

显示视域中少量的煤颗粒（图4-3a中左上角框图圈定范围）可以准确定位该视域下的

图像准焦平面。分别采集了不同焦平面下的显微图像并生成了各图像的灰度分布曲线

（图4-3b-g）。由图可以看出，随着偏离准焦平面距离加大，黄铁矿颗粒内部图像特征

基本上无明显变化，都呈现为过饱和灰度值；但是煤颗粒图像越来越模糊，直至煤颗粒

被黄铁矿完全覆盖。说明单从黄铁矿区域的图像特征变化无法确定该视域下的准焦平

面。从不同焦平面下采集各图像的灰度分段分布曲线来看，煤颗粒的不同焦平面下灰度

分布曲线（图4-3g），呈现为远离准焦平面特征，即随距准焦平面位置越远，煤颗粒主

体成分的灰度曲线峰值越来越小、峰值的宽度逐渐变宽，呈现规律性变化；而黄铁矿颗

粒的图像灰度分布曲线（图4-3h）无明显的规律性变化，煤颗粒内部像素点灰度基本无

变化，为最高灰阶255，难于根据其灰度变化进行图像清晰度评价。

通过上述对粉煤光片中不同显微组成的图像特征分析，以及对典型成分在显微镜下

不同焦平面下图像的灰度分布曲线的特征来看，表面平整、边界清晰的煤颗粒及黏结剂

区域在准焦平面和离焦平面上的图像灰度曲线呈现出一定的变化规律，而模糊亮斑状黏

结剂及高亮矿物在准焦平面和离焦平面上的图像灰度曲线特征变化不明显。模糊亮斑状

黏结剂及高亮矿物的边缘变化不明显，在一定景深范围内不存在准焦平面，难于进行图

像清晰度的判识，是煤岩样品显微镜下自动聚焦技术开发的难点，对聚焦图像质量以及

聚焦搜索效率影响很大。

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(a)焦平面1图像(b)焦平面2图像

(c)焦平面3图像(d)焦平面4图像

(e)焦平面5图像(f)焦平面6图像

(g)不同焦平面煤颗粒图像灰度分布曲线(h)不同焦平面黄铁矿颗粒图像灰度分布曲线

图4-3高突起光亮成分在不同焦平面的灰度分布特征

（2）基于灰度方差函数的煤岩图像清晰度评价算法

目前图像清晰度评价算法都是依照图像的有关信息来判断图像聚焦与否，即图像清

晰度评价函数是否达到最大值。常见图像清晰度评价函数有基于灰度梯度、基于频域和

基于图像统计信息的聚焦函数。本文先后采用基于灰度方差、灰度差分绝对值之和

（SMD）、基于Robert算子的差分绝对值和以及基于Sobel算子等图像清晰度评价方法，

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对煤岩显微图像进行了自动聚焦尝试分析。综合比较结果表明，采用基于灰度方差算法

更适合于煤岩显微图像的清晰度评价。

灰度方差是基于图像统计信息及自相关的聚焦函数，清晰图像一般比模糊图像具有

更大的灰度级差异，可以用灰度方差的大小来反映图像的清晰程度。灰度方差函数公式

如4-1式所示：

(4-1)

式中，为图像中第像素点的灰度值，为图像中所有像素点灰度的平均

值，灰度方差为每个像素点的灰度值减去图像所有像素点平均灰度值的平方和除以

总的像素个数。

（3）自动聚焦搜索算法开发

通过研究认为，根据显微镜下煤岩图像聚焦对象不同，提出了三种不同的聚焦搜索

方法。在对煤岩粉煤光片单点进行聚焦搜索时，采用粗调与微调结合的聚焦搜索方法；

对煤岩粉煤光片各扫描点连续进行聚焦搜索时，采用微调优先聚焦搜索方法；针对粉煤

光片中存在的模糊亮斑区黏结剂和高突起高亮成分图像，采用图像分区搜索评价方法。

1）单点粗调与微调结合的聚焦搜索方法

在对煤岩粉煤光片单点进行聚焦搜索时，显微镜聚焦调节是图像由模糊到清晰再到

模糊，然后往回调，调回清晰的过程。因此，图像自动搜索算法目的就是控制电机，结

合清晰度评价算法，直到找到聚焦点。聚焦过程一般要求较高的精确度，因此步长的选

择至关重要。太大步长会使电机运动越过聚焦位置，导致错过聚焦点；太小步长虽然可

以精确找到聚焦点，但是运算量太大，所用时间需要太长，效率低下。从兼顾聚焦图像

的精度和速度两方面考虑，使用了粗调加微调的搜索方法，即在聚焦搜索过程中通过对

电机步长的改变实现快速、精准聚焦。粗调与微调结合搜索方法，粗调是为了加快对焦

速度，微调是为了提高聚焦的精准度。

粗调与微调结合搜索方法的具体流程如图4-4，对焦过程中，先大步长移动电机进

行调焦，在得到粗略的准焦函数值后，切换为小步长调焦。聚焦搜索初始阶段，以一个

较大步长，从聚焦起始位置开始上下移动扫描台，计算出各步距下焦平面的图像清晰度

评价函数值，选择出粗略的准焦平面并记录所在位置。搜索第二阶段，以记录的粗略准

焦平面位置为中心，减小步长以更高精度进行第二遍聚焦搜索，直至找到聚焦评价函数

最大值所在位置即为最佳准焦平面。

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图4-4粗调-微调结合对焦流程图

2）多点微调优先聚焦搜索方法

对煤岩粉煤光片各扫描点连续进行聚焦搜索时，显微镜下粉煤光片扫描点移动方式

如图4-5所示，设定左上角为起始扫描点，从左侧开始沿X轴方向向右进行第一行扫描，

扫描至第一行结束，沿Y轴向下移动至第2行从右向左扫描，按S型路线扫描全片。

粗调与微调结合搜索方法的特点是每一个扫描点都要进行第一阶段的大步距粗调

和第二阶段的小步距微调，没有考虑到相邻扫描点准焦平面的关联特征。而煤岩样品的

制备工艺，使得抛光面上相邻的扫描点的平整度较为接近，相邻扫描点的准焦平面变化

较小。结合相邻扫描点的准焦平面变化较小特征，在粗调与微调结合搜索方法基础上，

设计了微调优先聚焦搜索方法。

微调优先聚焦搜索方法主体思路：起始扫描点按单点粗调与微调结合搜索方法聚

焦，并记录起始点焦平面位置，移动样品至相邻第二个扫描点后，以起始扫描点准焦平

面位置为基准，直接进行第二阶段小步距微调搜索。同粗调与微调结合搜索方法相比较，

微调优先搜索方法只需进行少量扫描点的第一阶段粗调搜索，而以小步距微调搜索为

主，理论上可以节省大量重复的粗调搜索时间，提高聚焦效率。

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图4-5煤岩粉煤光片自动扫描点运行轨迹图

微调优先聚焦搜索方法的流程如图4-6所示。

图4-6微调优先搜索对焦流程图

3）图像多窗口聚焦评价搜索方法

采用基于灰度方差算法进行煤岩图像清晰度评价时，对于粉煤光片中表面平整、边

界清晰的煤颗粒和黏结剂，其在准焦平面和离焦平面上的图像灰度曲线呈现出规律性变

化，图像清晰度判识效果较好；对于粉煤光片中包含的模糊亮斑状黏结剂及高突起的高

亮成分，其本身在一定的景深范围内没有清晰的边缘，不存在明晰的准焦平面，且与同

幅图像中其他成分不在同一准焦平面上，基于灰度方差算法的图像清晰度评价函数无法

对这类图像进行准焦判识。粉煤光片中的这类扫描点，如果对整幅图像区域采用该聚焦

评价函数来计算的话，除了会影响整幅图像的聚焦效果，还会占用较多的判识时间。

针对这一问题，设计了图像多窗口聚焦评价搜索方法。即将同一扫描点显微镜视域

下的图像分割成多个聚焦窗口，优选具有尖锐和清晰成分边缘的窗口作为聚焦评价区，

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同时将包含模糊亮斑状黏结剂和高突起的高亮成分窗口剔除，仅对整幅图像中优选窗口

区域进行聚焦评价。

4）自动聚焦成像效果

在显微镜放大500倍下对粉煤光片按0.5mm移动步距自动扫描自动聚焦10×10个

测点，获取100幅显微图像的平均单点扫描时间及百幅成像清晰度合格率数据见表4-1。

由数据可以看出，所测试的5个样品平均单点扫描成像时间均小于等于3秒，百幅成像

清晰度合格率平均大于95%。

表4-1百幅成像清晰度合格率试验数据

平均单点百幅成像

扫描步距扫描点数

样品号聚焦时间合格率

/um/行×列

/秒/%

150010×102.995

250010×103.098

350010×102.894

450010×102.998

550010×102.697

基于图像处理技术的光学显微镜自动聚焦方法，是对采集的图像进行实时处理，设

定清晰度指标阈值来自动监控判识聚焦情况，在图像采集过程中，对于超过一定阈值的

图像，认为其清晰度不够，聚焦不准确，系统自动控制物台上移或下移，重新分析其清

晰度指标，直到该指标满足阈值要求，再正式采集图像；是一种真正意义上的自动调焦

技术，其实时调焦精确度高。所采集的图像，完全可满足显微组分组自动测定技术要求。

鉴于市场上两种技术均在采用，甚至一些厂家的设备难以实现自动调焦，但最终测

试结果能够满足要求，本标准未限定必须采用何种自动调焦技术，但规定了准焦图像的

比例，以引导用户积极选择技术先进的自动聚焦技术，以提高测试效率及精确度。

自动载物台的技术参数的规定：

——X、Y行程：大于40mm；

——X、Y最小步进分辨率：不大于10μm；

——X、Y重复定位精度：不大于10μm；

——Z轴分辨率：以能获取样品清晰图像为宜。

以上参数的必要性分析：

1）X、Y行程为大于40mm：煤岩光片的尺寸一般都小于这个尺寸，40mm可以保

证覆盖整个煤岩光片。

2）X、Y最小步进分辨率为不大于10μm：即行走一步最小的距离可以在10μm以

15

下，一般的煤岩分析过程，测试点距、行距控制为0.3mm~0.6mm，本标准的规定明显

较严格，主要是为了即使在极端要求条件下也能够使采集的图像覆盖整个光片中任何位

置，而且，目前市场上的自动物台产品，实现该指标没有技术上的难度。

3）X、Y重复定位精度为不大于10μm：即物台在移动过程中可以记忆每个点的坐

标，当物台移动后，使物台回到某个点，偏差不能大于10μm。该规定的主要目的是为

了在极端要求条件下也能够再现图像采集过程，而且，目前市场上的自动物台产品，大

多数能够达到该指标。

4）Z轴分辨率：显微镜Z轴传动结构较为复杂，Z轴分辨率是一个在实验室条件

下极难检测的参数，不易直接检测。据前期调研，目前广泛使用的蔡司显微镜手动调焦

精度为4μm，徕卡显微镜手动调焦精度为1-4μm。自动调焦是在普通光学显微镜的Z轴

加装步进电机实现进一步的精度细分，并没有精准的精度参数。从实验室的现有显微镜

试验表明，调焦精度为1-4μm时，依据加装的Z轴自动调焦电机的精度细分后是可以实

现清晰准焦的。因此，对显微镜的Z轴的调焦精度宜从成像角度做技术要求，Z轴分辨

率以能获取样品清晰图像为宜。

4.3.4图像采集装置

图像采集装置即显微镜相机，和控制系统共同组成图像采集系统。对显微镜相机的

技术要求主要有：

a)图像传感器：电荷耦合阵列检测器（CCD）或互补型金属氧化物半导体器件

（CMOS），试验表明上述两种类型的图像传感器均可用于煤岩测试；

b)图像传感器尺寸：建议采用1/2"或2/3"规格；

c)接口：C-mount接口，符合GB/T22063-2008的技术要求；

d)位深：8bit及以上；

e)图像文件格式：宜为JPG、BMP或TIFF格式；

f)曝光时间：可调且最短能至50ms以下；

g)计算机接口：具有和计算机相连接的接口。

显微镜相机说明：对显微镜相机的要求是以能够连续采集清晰煤岩显微图像为目

的，以上为显微镜相机的基本要求。关于图像传感器尺寸要求，认为在该尺寸规格下，

能够采集到显微镜视域下足够大尺寸的煤岩显微图像；关于相机位深的要求，8bit位深

16

是目前市场上工业相机的最低配置，而且目前电脑系统可以显示的图像即8bit位深图

像。从显微组分组识别检测精度要求方面看，8bit位深图像完全可满足识别测定技术要

求；另外，从电脑图像处理及存储方面看，更高位深图像将对电脑的软硬件要求更高，

会大大增加电脑硬件成本，同时也加大了显微组分组识别算法开发难度及运算量。实际

运行中，建议开发专门的相机自动控制软件，以便和自动载物台驱动软件形成联动，实

现图像自动采集。

4.3.5图像采集控制系统

图像采集宜采用图像采集系统进行自动控制，图像采集自动控制系统主要控制载物

台的移动、显微镜Z轴调焦及采集图像的功能。从能够满足显微组分组自动识别测定的

需求规定了图像采集控制系统应具备的基本功能。

a)自动载物台自动移动（X、Y、Z三轴方向），设定样品移动的点距、行距及路

线并控制试样按照设定值自动移动；

b)自动调焦控制功能；

c)控制显微镜相机自动采集图像，自动采集显微图像的准焦图像采集率应不低于

90%；

d)离焦图像判别、筛选功能，判别、筛选后的准焦图像比例不低于98%；

e)灰阶化：应具有图像灰阶化功能；

f)图像自动传输到计算机，具有显示和存储功能。

准焦图像采集率对显微组分组自动识别和测定结果的准确性非常重要，自动采集后的准

焦图像不低于90%，表明自动调焦技术是有效的，不仅可以提高测试效率，而且可以改善

有效测点的代表性。离焦图像自动判别和筛选功能，则有利于进一步将大部分虚焦图像

筛除，提高后续图像分析的精度。

4.3.6图像质量要求

为保证能够满足显微组分组自动识别测定的技术需求，本标准对显微图像质量做如

下基本要求。

a)图像质量：符合JB/T10362-2010中“4.5影像质量”的技术要求；

b)图像分辨率：1024×768及以上，或80万像素以上；

17

c)图像灰阶化：应能够满足读取256及以上灰阶的需要；

以上规定的目的，一方面是为了保证有足够的分辨能力，保证能够准确识别出各种

显微组分边界信息；另一方面，图像有足够的像素，才能保证显微组分组识别的准确性

及测定结果的代表性。

4.3.7显微组分组图像自动识别测定系统

显微组分组图像自动识别测定系统是对采集样品显微图像进行输入、识别处理、分

析、检测、报告输出的软件分析、检测平台。显微组分组的自动识别测定方式可采取逐

幅单张识别或对所有有效测点整体识别测定，系统应具备以下基本功能：

a)调入图像采集系统采集的显微图像，判别、筛选有效图像；

b)显微图像预处理，包括图像裁剪，图像中的胶结物、空洞、裂隙等噪声去除、

有效测点分析等；

c)显微组分组图像自动识别功能：根据油浸物镜下采集图像显微组分的灰阶、纹理

（结构、形态、突起）等特征，运用数字图像图像处理技术自动识别显微组分组；

d)分析计算显微组分组测定结果和绘制显微组分组体积百分含量直方图；

e)形成、输出显微组分组含量测定报告，且识别结果可追溯。

显微组分组自动识别的准确性是影响显微组分组含量测定的关键。目前，国内外在

显微组分组自动识别方向做了大量的研究工作。其中，基于图像处理技术的代表性显微

组分组自动识别方法有采用基于K均质聚类图像分割算法、灰度累积频率图FMR法及

直方图峰值拟合法，并且实现了一定范围的市场应用。但是，显微组分组识别的准确性

各有差异，如果显微组分组识别误差大，其它干扰因素控制得再好，测试误差也是比较

大的甚至是错误的。因此，各测点显微组分组识别结果可审核、可追溯，是显微组分组

自动测定系统应具备的基本功能，这样使得审核测定结果是否准确时做到有据可依。对

于采用何种显微组分组自动识别技术，本标准不进行具体规定，而是通过识别测定的追

溯功能及与人工鉴定比对来评估自动识别测定的准确性与精准度。

强烈建议煤岩图像分析设备厂家不断改进系统功能，提高显微组分组自动识别和测

定结果的准确性。

18

4.4图像数量及分布

按《煤的显微组分组和矿物测定方法》（GBT8899-2013）国家标准，显微镜下人工

进行煤的显微组分组测定的测点是指显微镜目镜十字丝交点下的显微组分组。剔除掉当

十字丝交点为胶结物、显微组分中的细胞空腔、空洞、裂隙以及无法辨认的微小颗粒时

的无效点，并且应保证不少于500个有效测点均匀布满全片。区别于人工显微镜观测，

图像分析法测点应是指按规定步距采集的单幅图像，以显微镜视域内面采集测定取代点

采集测定。采集图像数量，以及这些图像在煤光片如何分布，是否有代表性的问题阐述

如下：

（1）样品移动的点距和行距要求

GB/T8899规定“应保证不少于500个有效测点均匀布满全片，点距一般以

0.4mm~0.6mm为宜，行距不应小于点距”。人工显微镜观测，在50倍油浸物镜下视域

范围大概相当于直径为300μm圆面积，故点距在0.4mm~0.6mm范围，不会出现对同一

区域重复测定；此外，实验室制备的粉煤光片直径在20mm~25mm之间，也能够保证观

测到足够的测点。

相应地，采用显微镜相机采集煤岩显微图像，在图像传感器尺寸为1/2"或2/3"规格

情况下，在50倍油浸物镜下，能采集到显微镜下全视域的近1/3样品显微图像。即采集

图像的尺寸大概在150μm，采集样品测点的范围远小于显微镜视域面积。为保证能够取

得足够多测点，规定每次测定时点距、行距视样品具体情况在0.3mm~0.6mm之间取一

定值为宜。对于20mm~25mm规格粉煤光片，去除边缘部位，有效检测面积大约为15mm

×15mm，按0.3mm~0.6mm点间距计算，可以获取625~2500幅左右的图像，完全可以

满足规定测点要求。

（2）有效图像数量

有效图像数量直接影响测试结果的准确性和代表性。按《煤的显微组分组和矿物测定

方法》（GBT8899-2013）国家标准，显微镜下人工进行煤的显微组分组测定的测点是

指显微镜目镜十字丝交点下的显微组分组。剔除掉当十字丝交点为胶结物、显微组分中

的细胞空腔、空洞、裂隙以及无法辨认的微小颗粒时的无效点，并且应保证不少于500

个有效测点均匀布满全片。

区别于人工显微镜观测，图像分析法测点应是指按照设定合理的点距和行距对煤岩

样品拍摄、采集显微图像，均匀布满全片。图像分析法测点包括有效图像和无效图像，

19

而有效测点指每个测点所采集显微图像中适于辨识显微组分和矿物的区域像素集合。当

有效图像中完全是胶结物或者适于辨识的显微组分组和矿物占比较少时，是不利于显微

组分组辨识的，即不具有代表性。图像法进行显微组分组测定的有效测点，应是指一副

有效图像中含有足够面积可识别的显微组分组及矿物颗粒，且可识别煤颗粒粒径大于

10um。且规定单个测点采集图像中有效测点区域像素数不应少于整幅图像的10%，否

则，该测点图像作为无效图像处理。

为了确定图像法煤岩样品有效图像数量的代表性，按不同变质阶段及显微组分组含

量变化，选取5个煤岩样品进行测定分析。采用0.3×0.3cm等间距测点布满全片，按300、

500、800、1000幅4种规格采集图像，并进行图像预处理、显微组分组自动识别测定。

人工测定标准数据及不同测点采集规格下自动测定结果极差（d）见表4-2。

表4-2不同规格有效测点下显微组分组含量自动识别测定与人工鉴定结果统计表

测定有效样品1样品2样品3样品4样品5

测点

方式E/%V/%I/%E/%V/%I/%E/%V/%I/%E/%V/%I/%E/%V/%I/%

人工

＞

鉴定5004.579.316.18.968.822.310.760.329.05.070.624.40.179.720.2

300幅5.679.914.410.770.418.98.963.028.13.474.422.20.080.519.5

500幅5.978.715.411.071.217.88.861.729.53.972.123.90.080.619.4

幅

自动8005.478.416.110.270.519.38.063.528.43.871.324.90.081.318.7

测定

1000幅5.379.015.710.470.319.38.163.228.73.871.624.60.080.919.1

平均值5.679.015.410.670.618.88.562.928.73.772.423.90.080.819.2

极差d0.61.51.70.80.91.50.91.81.40.53.12.70.00.80.8

从表4-2测定数据可以看出：4种规格测点下样品自动测定结果的极差都很小（图

4-7），说明4种规格测点下显微组分组测定结果接近。显微组分组体积分数P≤10%的

极差不大于0.9%，体积分数10＜P≤30%的极差不大于2.7%，体积分数60＜P≤90%的极

差不大于3.1%。

4种测点采集规格下自动测定与人工测定结果极差都小于5%。其中，按300幅采集

样本极差≤3%占比87%，500、800、1000幅采集样本极差≤3%占比都为93%。为同人工

测定国标方法（大于500有效测点）进行比对，本次方法验证的所有样本有效图像选取

均设定为500幅。

20

图4-7不同规格测点下样本显微组分组含量极差分布图

从大量的自动采集有效图像测定与人工测定结果表明，当有效图像中有效测点数量

为500幅时，自动识别测定与人工测定结果相符性好，测定结果的准确性能够达到人工

测定的精度要求。此外，有效图像占比总测点是与聚焦技术息息相关的，在提高自动聚

焦技术的基础上，总测点数就可以相应减少。有效测点是与煤岩制样的质量及其煤体结

构相关的，当粉煤光片中煤颗粒不足时即胶结物含量过高时，那么采集图像中的有机组

分占比减少，会影响有效测点的数量；同时，如果煤颗粒粒径小于10um占比较多时，

可识别显微组分组颗粒数量偏少时，也会降低有效测点的数量。本标准规定的实际是有

效测点的数量。

4.5图像采集参数

主要考虑的图像采集参数包括照明条件、曝光时间、是否自动校正、图像尺寸等，

对上述参数的要求及测试情况如下：

4.5.1照明强度和曝光时间

显微镜下人工进行显微组分鉴定时，首先要依据煤岩样品的煤化程度调节显微镜光

源强度，使得镜下显微组分的反射光强度强弱适中，利于显微组分的识别，光线太弱或

太强，会使显微组分间的相对亮度及清晰程度降低，都不利于显微组分的识别。同样，

应用图像采集处理技术进行显微组分图像识别，主要依据图像中不同显微组分相对灰度

差异及清晰的显微组分边界等特征来判识的。一般来说，图像亮显微组分彼此易于区分

识别，但是亮度过大，会使图像的清晰程度降低，使显微图像变得模糊；显微组分彼此

之间灰度差异变小，不易辨认识别。显然选择合适的图像亮度对显微图像的识别至关重

21

要。

显微图像的亮度和清晰程度，内在的受煤自身的煤化程度和显微组分影响，外在受

光源强度、曝光时间等因素影响。因此，针对不同煤化程度煤，需要优选合适的光源强

度和曝光时间，才能获取可辨识、高清晰程度的煤岩显微图像。为此，选取了代表性粉

煤光片，在不同的光源强度和曝光时间条件下进行了煤岩显微图像采集，对煤岩图像中

各种成分的灰度及其相对灰度差异特征进行了研究，对煤岩图像采集关键参数进行了优

选。

（1）显微镜不同光源强度下显微图像灰度特征

在固定CCD相机曝光时间条件下，通过调节显微镜卤钨灯光源强度对不同变质阶段

的10个粉煤光片进行了图像采集。利用0~12V直流稳压调节电源调节输出电压，输出

电压分别按7.5V、8.5V、9.5V、10.2V、10.8V五种参数设置。不同输出电压下采集煤岩

显微图像见图4-8。

(a)7.5V(b)8.5V

(c)9.5V(d)10.2V(e)10.8V

图4-8不同光源强度下采集的煤岩显微图像

选取10个样品粉煤光片按黏结剂、镜质组、惰质组、壳质组四类显微成分选取代

表性像素点，对在不同光源强度下像素点灰度特征数据进行了手动采集，具体采集数据

见表4-3。基于所采集图像及提取数据，在“像素点”尺度下分析组成煤岩显微图像中

不同显微成分在不同光源强度下的灰度特征。

表4-3不同曝光时间下各种组成像素点灰度

样品序号光源强像素点灰度样品序号光源强像素点灰度

（Rmax/%）度/V黏结剂壳质组镜质组惰质组（Rmax/%）度/V黏结剂壳质组镜质组惰质组

17.55123811267.5574180

22

（0.69）8.581858166（1.23）8.59112235

9.51127812179.513159250

10.2153310324610.216197255

10.8184012425010.820223255

7.5513381167.5577115

8.5920581748.58117174

27

9.51329812209.512163224

（0.75）（1.34）

10.2163810024410.215203247

10.8204412024810.819228252

7.5524521417.56109147

8.5937771978.59163206

38

9.513521102449.514216246

（0.88）（1.67）

10.2166513724910.217246251

10.8197716225410.821250255

7.553355997.56113171

8.5850821488.59170223

49

9.512721172029.514222248

（0.94）（1.76）

10.2158814523410.217247255

10.81810617324810.821251255

7.5643691047.55118172

8.59661031578.58177226

510

9.513921482089.512226249

（1.14）（2.02）

10.21611618024210.216247255

10.81913720924910.819252255

显微镜下人工进行煤岩显微组分观测时，为了使镜下显微组分亮度适中、边界清晰，

针对不同变质阶段样品，需要根据人工观测经验对光源强度进行适当的调节。一般情况

下，低煤化程度样品需要调大光源强度，使样品图像更加明亮；高煤化程度样品需要适

当调低光源强度，确保样品图像光线亮度适合，光源强度过高会出现显微组分亮度过饱

和现象，不利于显微组分的辨识。

分别在7.5V、8.5V、9.5V、10.2V、10.8V卤钨灯光源强度调节条件下，10个不同变

质阶段样品各显微组成像素点灰度分布情况见图4-9。由图可以看出：在7.5V、8.5V光

源强度下（图4-9a、图4-9b），样品中各显微组成随煤化程度加深，像素点灰度基本呈

线性递增；在9.5V、10.2V、10.8V光源强度下（图4-9c、图4-9d、图4-9e），随光源强

度加强，镜质组和惰质组在Rmax高于1.3%左右时，像素点灰度变化率变小，煤化程度接

近2.0%时，镜质组和惰质组像素点接近灰度过饱和现象（即指像素点达到最大灰阶值），

说明在较高光源强度情况下，Rmax高于1.3%时，样品中镜质组和惰质组像素点灰度已经

表现为非线性递增，此时显微组分边界清晰度开始变差，不利于显微组分组的识别。对

于低煤化程度样品，随光源强度增加，镜质组、壳质组边界更加清晰，利于显微组分的

辨识。

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(a)光源强度7.5V(b)光源强度8.5V

(c)光源强度9.5V