一种岩石粘连颗粒分割方法

1.本发明涉及岩石颗粒图像分割技术领域，具体涉及一种岩石粘连颗粒分割方法。

背景技术：

2.岩石颗粒分割是将岩石薄片图像中每个矿物颗粒分割成单个独立区域，为后续的岩矿组分及含量测定、岩性描述、薄片定名等鉴定分析工作提供基础。因此，颗粒分割是一项非常重要的基础性工作。然而，由于地层的复杂性和成岩作用的多样性，岩石薄片图像中经常出现颗粒粘连的现象，若不能准确的进行岩石粘连颗粒分割，将对岩矿组分及含量测定、岩性描述、薄片定名等鉴定分析准确率形成影响。但由于岩石矿物颗粒边缘较模糊、表面有解理，若使用传统方法和基于深度学习的方法，无法直接实现分割。

技术实现要素：

3.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种岩石粘连颗粒分割方法解决了岩石粘连颗粒分割难的问题。
4.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
5.提供一种岩石粘连颗粒分割方法，其包括以下步骤：
6.s1、采集原始图像并进行二值化，得到二值化图像；
7.s2、获取并对二值化图像中的岩石颗粒初始轮廓进行分段平滑，得到平滑后的岩石颗粒轮廓；
8.s3、根据平滑后的岩石颗粒轮廓计算岩石颗粒面积；
9.s4、判断岩石颗粒面积与外接凸包面积之比是否大于面积比值阈值，若是则判定该岩石颗粒为非粘连颗粒；否则进入步骤s5；
10.s5、计算平滑后的岩石颗粒轮廓上每个点的曲率，将曲率小于曲率阈值的点作为凹点；
11.s6、判断同一个平滑后的岩石颗粒轮廓中凹点数是否大于等于数量阈值，若是则判定为粘连颗粒，进入步骤s7；否则判定该岩石颗粒为非粘连颗粒；
12.s7、通过匹配凹点对形成分割线，采用分割线进行岩石粘连颗粒分割。
13.进一步地，步骤s1的具体方法为：
14.采集原始图像并采用自适应阈值法二值化将图像分割为岩石颗粒和背景，得到二值化图像。
15.进一步地，步骤s2的具体方法包括以下子步骤：
16.s2-1、根据二值图像出岩石颗粒的初始轮廓；
17.s2-2、对初始轮廓的点集进行分段，获取每段的坐标点集的最小外接矩形；
18.s2-3、判断当前最小外接矩形的长边是否满足大小阈值，若是则直接进入步骤s2-4；否则将下一段的坐标点集加入当前坐标点集直到最小外接矩形的长边满足大小阈值，进入步骤s2-4；
19.s2-4、将两两相邻的最小外接矩形短边的中点之间连线的中点作为滑后轮廓的顶点，将相邻且距离最近的一对平滑后轮廓的顶点连线，得到平滑后的岩石颗粒轮廓。
20.进一步地，步骤s2-2中对初始轮廓的点集进行分段的具体方法为：
21.以20个连续的坐标点为长度进行分段，使每段的坐标点集包含20个坐标点。
22.进一步地，步骤s2-3中大小阈值为50个像素点。
23.进一步地，步骤s4中面积比值阈值为0.9。
24.进一步地，步骤s5的具体方法包括以下子步骤：
25.s5-1、计算平滑后的岩石颗粒轮廓上每个点的曲率，获取所有点的曲率均值mean和曲率标准差std；
26.s5-2、根据公式：
27.q＝mean-2
×
std
28.获取曲率阈值q；
29.s5-3、将曲率小于曲率阈值q的点作为凹点。
30.进一步地，步骤s6中的数量阈值为2。
31.进一步地，步骤s7的具体方法包括以下子步骤：
32.s7-1、构建岩石颗粒最小外接多边形，计算每个凹点到其所在岩石颗粒的最小外接多边形边缘轮廓的最小值，将该最小值作为对应凹点的凹陷深度；
33.s7-2、根据公式：
[0034][0035]
获取凹陷深度阈值a；其中n为同一个平滑后的岩石颗粒轮廓的凹点个数；di表示同一个平滑后的岩石颗粒轮廓的第i个凹点的凹陷深度；
[0036]
s7-3、将同一个平滑后的岩石颗粒轮廓上凹陷深度小于凹陷深度阈值a的凹点删除；
[0037]
s7-4、判断该平滑后的岩石颗粒轮廓的当前凹点数量是否小于等于1，若是则判定该岩石颗粒为非粘连颗粒；否则判定为粘连颗粒，进入步骤s7-5；
[0038]
s7-5、计算剩余凹点的曲率向量，并计算两两凹点之间的曲率向量的夹角，得到夹角矩阵；
[0039]
s7-6、计算两两凹点之间的距离，得到距离矩阵；
[0040]
s7-7、将夹角矩阵与距离矩阵进行拼接，得到拼接后的矩阵：
[0041][0042]
其中d
jk
为距离矩阵中第j行第k列的元素；a
jk
为夹角矩阵中第j行第k列的元素；n
*
为同一个平滑后的岩石颗粒轮廓上剩余凹点的数量；d
jk
,a
jk
共同构成拼接后的矩阵的一个元素；
[0043]
s7-8、取出拼接后的矩阵中的上三角矩阵，删除上三角矩阵中d
jk
和a
jk
均为0的元素，将剩余元素中按照原属于距离矩阵的元素依次排为第一列，将剩余元素中按照原属于夹角矩阵的元素依次排为第二列，得到矩阵da；
[0044]
s7-9、对矩阵da进行标准化处理，得到标准化矩阵；标准化后的矩阵中第f行的元素对应第f个凹点对；
[0045]
s7-10、计算标准化矩阵的协方差矩阵的特征值和特征向量；
[0046]
s7-11、根据公式：
[0047][0048]
获取协方差矩阵的特征值λ
l
的信息贡献率b
l
；其中λr表示协方差矩阵的第r个特征值；l＝1,2；λ1≥λ2≥0；
[0049]
s7-12、根据公式：
[0050][0051]
通过协方差矩阵的特征向量组成2个与第f个凹点对对应的指标变量和其中u
11
表示协方差矩阵的第1个特征向量中第1个元素；u
12
表示协方差矩阵的第1个特征向量中第2个元素；u
21
表示协方差矩阵的第2个特征向量中第1个元素；u
22
表示协方差矩阵的第2个特征向量中第2个元素；表示标准化后的矩阵中第f行第1列的元素；表示标准化后的矩阵中第f行第2列的元素；
[0052]
s7-13、根据公式：
[0053][0054]
获取第f个凹点对的综合得分zf；
[0055]
s7-14、将综合得分最高的一对凹点进行匹配，将已匹配的凹点删去；
[0056]
s7-15、重复步骤s7-5至步骤s7-14至无法得到可匹配的凹点，将匹配到的凹点进行连接得到分割线，采用分割线进行岩石粘连颗粒分割。
[0057]
进一步地，步骤s7-5中凹点的曲率向量等于凹点的曲率乘以凹点的法线向量。
[0058]
本发明的有益效果为：本方法提出的轮廓平滑方法能够表示出轮廓的基本形状且不会丢失重要的凹点信息。本方法能够有效地克服现有技术对凹点要求严格的缺点，避免对非粘连颗粒的过分割。本方法能实现对粘连岩石颗粒图像的合理有效分割，具有广泛的应用前景。
附图说明
[0059]
图1为本方法的流程示意图；
[0060]
图2为实施例中最小外接矩形生成示例图；
[0061]
图3为实施例中连接平滑后轮廓的顶点的示意图；
[0062]
图4为岩石颗粒初始轮廓图；
[0063]
图5为平滑后的岩石颗粒轮廓图；
[0064]
图6为实施例中平滑后的岩石颗粒轮廓的曲率曲线图；
[0065]
图7为通过曲率到的凹点示意图；
[0066]
图8为曲率向量示意图；
[0067]
图9为分割示例图；其中图9(a)为连接匹配凹点对形成分割线示意图；图9(b)为分割结果示意图。
具体实施方式
[0068]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0069]
如图1所示，该岩石粘连颗粒分割方法包括以下步骤：
[0070]
s1、采集原始图像并进行二值化，得到二值化图像；
[0071]
s2、获取并对二值化图像中的岩石颗粒初始轮廓进行分段平滑，得到平滑后的岩石颗粒轮廓；
[0072]
s3、根据平滑后的岩石颗粒轮廓计算岩石颗粒面积；
[0073]
s4、判断岩石颗粒面积与外接凸包面积之比是否大于面积比值阈值，若是则判定该岩石颗粒为非粘连颗粒；否则进入步骤s5；
[0074]
s5、计算平滑后的岩石颗粒轮廓上每个点的曲率，将曲率小于曲率阈值的点作为凹点；
[0075]
s6、判断同一个平滑后的岩石颗粒轮廓中凹点数是否大于等于数量阈值，若是则判定为粘连颗粒，进入步骤s7；否则判定该岩石颗粒为非粘连颗粒；
[0076]
s7、通过匹配凹点对形成分割线，采用分割线进行岩石粘连颗粒分割。
[0077]
步骤s1的具体方法为：采集原始图像并采用自适应阈值法二值化将图像分割为岩石颗粒和背景，得到二值化图像。
[0078]
步骤s2的具体方法包括以下子步骤：
[0079]
s2-1、根据二值图像出岩石颗粒的初始轮廓；
[0080]
s2-2、对初始轮廓的点集进行分段，获取每段的坐标点集的最小外接矩形；
[0081]
s2-3、判断当前最小外接矩形的长边是否满足大小阈值，若是则直接进入步骤s2-4；否则将下一段的坐标点集加入当前坐标点集直到最小外接矩形的长边满足大小阈值，进入步骤s2-4；
[0082]
s2-4、将两两相邻的最小外接矩形短边的中点之间连线的中点作为滑后轮廓的顶点，将相邻且距离最近的一对平滑后轮廓的顶点连线，得到平滑后的岩石颗粒轮廓。
[0083]
步骤s2-2中对初始轮廓的点集进行分段的具体方法为：以20个连续的坐标点为长度进行分段，使每段的坐标点集包含20个坐标点。
[0084]
步骤s5的具体方法包括以下子步骤：
[0085]
s5-1、计算平滑后的岩石颗粒轮廓上每个点的曲率，获取所有点的曲率均值mean和曲率标准差std；
[0086]
s5-2、根据公式：
[0087]
q＝mean-2
×
std
[0088]
获取曲率阈值q；
[0089]
s5-3、将曲率小于曲率阈值q的点作为凹点。
[0090]
步骤s7的具体方法包括以下子步骤：
[0091]
s7-1、构建岩石颗粒最小外接多边形，计算每个凹点到其所在岩石颗粒的最小外接多边形边缘轮廓的最小值，将该最小值作为对应凹点的凹陷深度；
[0092]
s7-2、根据公式：
[0093][0094]
获取凹陷深度阈值a；其中n为同一个平滑后的岩石颗粒轮廓的凹点个数；di表示同一个平滑后的岩石颗粒轮廓的第i个凹点的凹陷深度；
[0095]
s7-3、将同一个平滑后的岩石颗粒轮廓上凹陷深度小于凹陷深度阈值a的凹点删除；
[0096]
s7-4、判断该平滑后的岩石颗粒轮廓的当前凹点数量是否小于等于1，若是则判定该岩石颗粒为非粘连颗粒；否则判定为粘连颗粒，进入步骤s7-5；
[0097]
s7-5、计算剩余凹点的曲率向量，并计算两两凹点之间的曲率向量的夹角，得到夹角矩阵；
[0098]
s7-6、计算两两凹点之间的距离，得到距离矩阵；
[0099]
s7-7、将夹角矩阵与距离矩阵进行拼接，得到拼接后的矩阵：
[0100][0101]
其中d
jk
为距离矩阵中第j行第k列的元素；a
jk
为夹角矩阵中第j行第k列的元素；n
*
为同一个平滑后的岩石颗粒轮廓上剩余凹点的数量；d
jk
,a
jk
共同构成拼接后的矩阵的一个元素；
[0102]
s7-8、取出拼接后的矩阵中的上三角矩阵，删除上三角矩阵中d
jk
和a
jk
均为0的元素，将剩余元素中按照原属于距离矩阵的元素依次排为第一列，将剩余元素中按照原属于夹角矩阵的元素依次排为第二列，得到矩阵da；
[0103]
s7-9、对矩阵da进行标准化处理，得到标准化矩阵；标准化后的矩阵中第f行的元素对应第f个凹点对；
[0104]
s7-10、计算标准化矩阵的协方差矩阵的特征值和特征向量；
[0105]
s7-11、根据公式：
[0106][0107]
获取协方差矩阵的特征值λ
l
的信息贡献率b
l
；其中λr表示协方差矩阵的第r个特征值；l＝1,2；λ1≥λ2≥0；
[0108]
s7-12、根据公式：
[0109][0110]
通过协方差矩阵的特征向量组成2个与第f个凹点对对应的指标变量和其中u
11
表示协方差矩阵的第1个特征向量中第1个元素；u
12
表示协方差矩阵的第1个特征向量中第2个元素；u
21
表示协方差矩阵的第2个特征向量中第1个元素；u
22
表示协方差矩阵的第2个特征向量中第2个元素；表示标准化后的矩阵中第f行第1列的元素；表示标准化后的矩阵中第f行第2列的元素；
[0111]
s7-13、根据公式：
[0112][0113]
获取第f个凹点对的综合得分zf；
[0114]
s7-14、将综合得分最高的一对凹点进行匹配，将已匹配的凹点删去；
[0115]
s7-15、重复步骤s7-5至步骤s7-14至无法得到可匹配的凹点，将匹配到的凹点进行连接得到分割线，采用分割线进行岩石粘连颗粒分割。
[0116]
在具体实施过程中，步骤s2-3中大小阈值为50个像素点。步骤s4中面积比值阈值为0.9。步骤s6中的数量阈值为2。步骤s7-5中凹点的曲率向量等于凹点的曲率乘以凹点的法线向量。
[0117]
在本发明的一个实施例中，岩石颗粒初始轮廓图像如图4所示，对局部的点集进行最小外接矩形生成结果如图2所示，连接平滑后轮廓的顶点后的图像如图3所示，并得到如图5所示的平滑后的岩石颗粒轮廓图。得到的点集曲率如图6所示，根据曲率到的凹点如图7中小白点所示。获取小白点的曲率向量，得到的示意图如图8所示。连接匹配凹点对形成分割线的示意图如图9(a)所示，根据分割线进行岩石粘连分割的结果如图9(b)所示。
[0118]
本发明基于最小外接矩形的轮廓分段平滑方法，更适用于岩石颗粒图像的轮廓。不同于米粒、细胞等常规颗粒其边缘光滑、形状差异小，岩石颗粒边缘粗糙、不光滑且存在大量小凹点，常用的图像轮廓平滑方法仍能详细描绘出轮廓上的不规整、小突起等，容易造成有多个小凹点的非粘连颗粒的过分割。本发明提出的轮廓平滑方法能够表示出轮廓的基本形状且不会丢失重要的凹点信息。
[0119]
本发明中提出的基于面积比和凹点检测的粘连颗粒判断的方法，有统计知识作支撑，数学解释清晰，充分考虑了岩石矿物粘连颗粒图像中存在明显凹陷这一特征。
[0120]
本发明中提出的凹点匹配方法，将凹点对之间的距离与角度看做特征样本，综合考虑这两项指标，实现凹点之间的有效匹配。本发明能够有效地克服现有技术对凹点要求严格的缺点，避免对非粘连颗粒的过分割。本方法能实现对粘连岩石颗粒图像的合理有效分割，具有广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种岩石粘连颗粒分割方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、采集原始图像并进行二值化，得到二值化图像；s2、获取并对二值化图像中的岩石颗粒初始轮廓进行分段平滑，得到平滑后的岩石颗粒轮廓；s3、根据平滑后的岩石颗粒轮廓计算岩石颗粒面积；s4、判断岩石颗粒面积与外接凸包面积之比是否大于面积比值阈值，若是则判定该岩石颗粒为非粘连颗粒；否则进入步骤s5；s5、计算平滑后的岩石颗粒轮廓上每个点的曲率，将曲率小于曲率阈值的点作为凹点；s6、判断同一个平滑后的岩石颗粒轮廓中凹点数是否大于等于数量阈值，若是则判定为粘连颗粒，进入步骤s7；否则判定该岩石颗粒为非粘连颗粒；s7、通过匹配凹点对形成分割线，采用分割线进行岩石粘连颗粒分割。2.根据权利要求1所述的岩石粘连颗粒分割方法，其特征在于，步骤s1的具体方法为：采集原始图像并采用自适应阈值法二值化将图像分割为岩石颗粒和背景，得到二值化图像。3.根据权利要求1所述的岩石粘连颗粒分割方法，其特征在于，步骤s2的具体方法包括以下子步骤：s2-1、根据二值图像出岩石颗粒的初始轮廓；s2-2、对初始轮廓的点集进行分段，获取每段的坐标点集的最小外接矩形；s2-3、判断当前最小外接矩形的长边是否满足大小阈值，若是则直接进入步骤s2-4；否则将下一段的坐标点集加入当前坐标点集直到最小外接矩形的长边满足大小阈值，进入步骤s2-4；s2-4、将两两相邻的最小外接矩形短边的中点之间连线的中点作为滑后轮廓的顶点，将相邻且距离最近的一对平滑后轮廓的顶点连线，得到平滑后的岩石颗粒轮廓。4.根据权利要求3所述的岩石粘连颗粒分割方法，其特征在于，步骤s2-2中对初始轮廓的点集进行分段的具体方法为：以20个连续的坐标点为长度进行分段，使每段的坐标点集包含20个坐标点。5.根据权利要求3所述的岩石粘连颗粒分割方法，其特征在于，步骤s2-3中大小阈值为50个像素点。6.根据权利要求1所述的岩石粘连颗粒分割方法，其特征在于，步骤s4中面积比值阈值为0.9。7.根据权利要求1所述的岩石粘连颗粒分割方法，其特征在于，步骤s5的具体方法包括以下子步骤：s5-1、计算平滑后的岩石颗粒轮廓上每个点的曲率，获取所有点的曲率均值mean和曲率标准差std；s5-2、根据公式：q＝mean-2
×
std获取曲率阈值q；s5-3、将曲率小于曲率阈值q的点作为凹点。8.根据权利要求1所述的岩石粘连颗粒分割方法，其特征在于，步骤s6中的数量阈值为
2。9.根据权利要求1所述的岩石粘连颗粒分割方法，其特征在于，步骤s7的具体方法包括以下子步骤：s7-1、构建岩石颗粒最小外接多边形，计算每个凹点到其所在岩石颗粒的最小外接多边形边缘轮廓的最小值，将该最小值作为对应凹点的凹陷深度；s7-2、根据公式：获取凹陷深度阈值a；其中n为同一个平滑后的岩石颗粒轮廓的凹点个数；d
i
表示同一个平滑后的岩石颗粒轮廓的第i个凹点的凹陷深度；s7-3、将同一个平滑后的岩石颗粒轮廓上凹陷深度小于凹陷深度阈值a的凹点删除；s7-4、判断该平滑后的岩石颗粒轮廓的当前凹点数量是否小于等于1，若是则判定该岩石颗粒为非粘连颗粒；否则判定为粘连颗粒，进入步骤s7-5；s7-5、计算剩余凹点的曲率向量，并计算两两凹点之间的曲率向量的夹角，得到夹角矩阵；s7-6、计算两两凹点之间的距离，得到距离矩阵；s7-7、将夹角矩阵与距离矩阵进行拼接，得到拼接后的矩阵：其中d
jk
为距离矩阵中第j行第k列的元素；a
jk
为夹角矩阵中第j行第k列的元素；n
*
为同一个平滑后的岩石颗粒轮廓上剩余凹点的数量；d
jk
,a
jk
共同构成拼接后的矩阵的一个元素；s7-8、取出拼接后的矩阵中的上三角矩阵，删除上三角矩阵中d
jk
和a
jk
均为0的元素，将剩余元素中按照原属于距离矩阵的元素依次排为第一列，将剩余元素中按照原属于夹角矩阵的元素依次排为第二列，得到矩阵da；s7-9、对矩阵da进行标准化处理，得到标准化矩阵；标准化后的矩阵中第f行的元素对应第f个凹点对；s7-10、计算标准化矩阵的协方差矩阵的特征值和特征向量；s7-11、根据公式：获取协方差矩阵的特征值λ
l
的信息贡献率b
l
；其中λ
r
表示协方差矩阵的第r个特征值；l＝1,2；λ1≥λ2≥0；
s7-12、根据公式：通过协方差矩阵的特征向量组成2个与第f个凹点对对应的指标变量和其中u
11
表示协方差矩阵的第1个特征向量中第1个元素；u
12
表示协方差矩阵的第1个特征向量中第2个元素；u
21
表示协方差矩阵的第2个特征向量中第1个元素；u
22
表示协方差矩阵的第2个特征向量中第2个元素；表示标准化后的矩阵中第f行第1列的元素；表示标准化后的矩阵中第f行第2列的元素；s7-13、根据公式：获取第f个凹点对的综合得分z
f
；s7-14、将综合得分最高的一对凹点进行匹配，将已匹配的凹点删去；s7-15、重复步骤s7-5至步骤s7-14至无法得到可匹配的凹点，将匹配到的凹点进行连接得到分割线，采用分割线进行岩石粘连颗粒分割。10.根据权利要求9所述的岩石粘连颗粒分割方法，其特征在于，步骤s7-5中凹点的曲率向量等于凹点的曲率乘以凹点的法线向量。

技术总结

本发明公开了一种岩石粘连颗粒分割方法，其包括以下步骤：采集原始图像并进行二值化；进行分段平滑；计算岩石颗粒面积；判断岩石颗粒面积与外接凸包面积之比是否大于面积比值阈值，若是则判定该岩石颗粒为非粘连颗粒；否则计算平滑后的岩石颗粒轮廓上每个点的曲率，将曲率小于曲率阈值的点作为凹点；判断同一个平滑后的岩石颗粒轮廓中凹点数是否大于等于数量阈值，若是则判定为粘连颗粒，通过匹配凹点对形成分割线，采用分割线进行岩石粘连颗粒分割；否则判定该岩石颗粒为非粘连颗粒。本方法能够表示出轮廓的基本形状且不会丢失重要的凹点信息，能够有效地克服现有技术对凹点要求严格的缺点，避免对非粘连颗粒的过分割。避免对非粘连颗粒的过分割。避免对非粘连颗粒的过分割。