三維ct巖心圖像超分辨率重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及CT超分辨率圖像重建技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種三維CT巖心圖像超分 辨率重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在石油地質(zhì)科學(xué)中，具有儲(chǔ)存和滲濾流體能力的巖石稱為儲(chǔ)集巖。儲(chǔ)集巖孔隙性 的好壞直接決定巖層儲(chǔ)存油氣的數(shù)量，滲透性的好壞控制了儲(chǔ)集巖層內(nèi)所含油氣的產(chǎn)能。 因此，在孔隙級(jí)別上研究巖石的滲流特性，對(duì)油氣開采具有重要意義。而建立數(shù)字巖心則 是開展上述研究工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。在開展石油地質(zhì)分析研究工作中，CT掃描成像技術(shù) (Computed Tomography，電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)）得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，為了 分析演示巖石孔隙和顆粒結(jié)構(gòu)，得到巖層連通性、滲透率和形狀等微觀信息，通常采用對(duì)巖 石進(jìn)行CT掃描得到二維序列圖，再根據(jù)二維序列圖進(jìn)行相應(yīng)目標(biāo)（孔隙和顆粒）分割提 取，然后重建巖石的三維立體模型，對(duì)石油地質(zhì)進(jìn)行分析。
[0003] 采用電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描成像技術(shù)對(duì)石油地質(zhì)進(jìn)行分析，為了得到準(zhǔn)確的 石油地質(zhì)情況，需要獲取高分辨率的巖心試樣的孔隙結(jié)構(gòu)圖像。在采用CT掃描巖心試樣 時(shí)，為了使得到的電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描成像具有更高的分辨率，通常需要縮小CT掃 描視場(chǎng)，甚至在原有巖心上取小樣進(jìn)行CT掃描。但這種以犧牲掃描式樣尺寸獲取到的高 分辨率三維巖心圖像，由于其尺寸的限制，只能得到小尺寸巖心試樣的CT掃描三維圖像， 圖像所顯示的巖心試樣孔隙結(jié)構(gòu)，只能是巖心試樣局部的孔隙結(jié)構(gòu)，所獲得的巖心特性不 能表明巖心試樣的整體特性，缺乏全局代表性，很難由此對(duì)石油地質(zhì)情況作出準(zhǔn)確分析。因 此，為了得到巖心試樣全面的孔隙結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確地分析石油地質(zhì)情況，需要獲取大尺寸巖心試 樣的整體結(jié)構(gòu)圖像。要獲取大尺寸巖心試樣的整體結(jié)構(gòu)的圖像，則需要對(duì)大尺寸的巖心試 樣進(jìn)行掃描，但基于CT掃描原理和現(xiàn)有技術(shù)的圖像掃描設(shè)備自身的限制，對(duì)大尺寸巖心試 樣掃描的三維CT圖像分辨率會(huì)相應(yīng)的降低。因此，現(xiàn)有技術(shù)的巖心試樣CT三維圖像存在圖 像分辨率與巖心試樣尺寸相矛盾的問題，即小尺寸巖心試樣的CT掃描三維圖像分辨率高， 但缺乏全局代表性；大尺寸巖心試樣三維CT圖像整體性好，但三維圖像分辨率低。因此，如 何解決這一問題，是所屬領(lǐng)域科技工作者面臨急待解決的問題。為此，國(guó)家設(shè)立專門的基 金項(xiàng)目，以求解決該問題。本發(fā)明正是受國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《巖石微觀非均質(zhì)結(jié)構(gòu)三維 圖像重建及分辨率提升技術(shù)研究》(61372174)資助完成的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的巖心試樣CT三維圖像重建技術(shù)不足，本發(fā)明的目的旨在提供一 種新的三維CT巖心圖像超分辨率重建方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的巖心試樣CT三維圖像重建 存在的圖像分辨率與巖心試樣尺寸相矛盾的問題，提升巖心試樣CT三維圖像的分辨率。
[0005] 本發(fā)明為了解決分辨率和試樣尺寸之間的矛盾，提出了利用超分辨率算法對(duì)三維 CT圖像進(jìn)行超分辨率重建的方法，在不縮小巖石試樣尺寸的情況下，利用現(xiàn)有CT圖像進(jìn)行 超分辨率重建，達(dá)到分辨率提升的效果，得到更清晰的巖心結(jié)構(gòu)。
[0006] 本發(fā)明的上述目的可通過下述三維CT巖心圖像超分辨率重建方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其技 術(shù)方案的構(gòu)成主要包括以下步驟：
[0007] (1)對(duì)輸入計(jì)算機(jī)的CT掃描巖心試樣三維圖像進(jìn)行下采樣，并對(duì)下采樣后的三維 圖像進(jìn)行高斯模糊，得到退化后三維圖像；
[0008] (2)對(duì)退化后的三維圖像進(jìn)行分解，提取分解后小區(qū)塊特征，得到特征塊2 ;
[0009] (3)根據(jù)稀疏表示原理，對(duì)提取到的特征塊2應(yīng)用正交匹配跟蹤算法及KSVD算法 進(jìn)行字典訓(xùn)練得到低分辨字典D 1及稀疏系數(shù)α ;
[0010] (4)對(duì)輸入的CT掃描巖心試樣三維圖像進(jìn)行分解，提取分解后的小區(qū)塊特征，得 到特征塊1 ;
[0011] (5)根據(jù)所述特征塊1及所述稀疏系數(shù)α，求得輸入的CT掃描巖心試樣三維圖像 的高分辨率字典Dh;
[0012] (6)根據(jù)所述特征塊1及所述低分辨率字典D1，求得新稀疏系數(shù)β ;
[0013] (7)根據(jù)所述高分辨率字典Dh及所述新稀疏系數(shù)β，求得高分辨率三維圖像塊；
[0014] (8)用插值算法將CT掃描巖心試樣的三維圖像進(jìn)行上采樣，得到放大的三維圖 像；
[0015] (9)將求得的高分辨率三維圖像塊填充到放大的三維圖像中，以恢復(fù)重建結(jié)構(gòu)中 缺失的特征信息，得到放大后的巖心試樣三維模型。
[0016] 本發(fā)明進(jìn)一步的三維CT巖心圖像超分辨率重建方法，與上述方法的不同之處在 于：用小尺寸巖樣的高分辨率三維圖像來(lái)獲取超分辨率重建的先驗(yàn)知識(shí)，建立相應(yīng)的高分 辨率字典和低分辨率字典，將該高低分辨率字典應(yīng)用于同類型巖心的大尺寸巖樣的低分辨 率三維巖心圖像，以提高大尺寸巖樣低分辨率三維巖心圖像的分辨率，其具體技術(shù)方案的 構(gòu)成主要包括以下步驟：
[0017] (1)對(duì)輸入計(jì)算機(jī)的CT掃描小尺寸巖心試樣三維圖像進(jìn)行下采樣，并對(duì)下采樣后 的三維圖像進(jìn)行高斯模糊，得到退化后三維圖像；
[0018] (2)對(duì)退化后的三維圖像進(jìn)行分解，提取分解后小區(qū)塊特征，得到特征塊2，
[0019] (3)根據(jù)稀疏表示原理，對(duì)步驟（2)提取到的特征應(yīng)用正交匹配跟蹤算法及KSVD 算法進(jìn)行字典訓(xùn)練得到低分辨字典D1及稀疏系數(shù)α ;
[0020] (4)對(duì)輸入的小尺寸巖心試樣CT掃描三維圖像進(jìn)行分解，提取分解后的小區(qū)塊特 征，得到特征塊1 ;
[0021] (5)根據(jù)所述特征塊1及所述稀疏系數(shù)α，求得CT掃描的小尺寸巖心試樣三維圖 像的高分辨率字典D h;
[0022] (6)對(duì)輸入的與小尺寸巖心試樣同類型的大尺寸巖心試樣的CT掃描三維圖像進(jìn) 行分解，提取分解后的小區(qū)塊特征，得到大尺寸巖心試樣的特征塊1 ;
[0023] (7)根據(jù)所述大尺寸巖心試樣的特征塊1及所述低分辨率字典D1，求得新稀疏系 數(shù)β ;
[0024] (8)根據(jù)所述高分辨率字典Dh及所述新稀疏系數(shù)β，求得大尺寸巖心試樣的高分 辨率三維圖像塊；
[0025] (9)用插值算法將大尺寸巖心試樣的CT掃描三維圖像進(jìn)行上采樣，得到其放大的 三維圖像；
[0026] (10)將所述高分辨率三維圖像塊填充到所謂放大的三維圖像中，以恢復(fù)重建結(jié)構(gòu) 中缺失的特征信息，得到大尺寸巖心試樣放大后的三維模型。
[0027] 在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，為了取得更好的效果，最好在所述高分辨率三維圖 像塊填充到放大的三維圖像中后，使用反向投影算法，對(duì)恢復(fù)后的重建結(jié)構(gòu)進(jìn)行灰度修正， 得到放大后的三維模型。
[0028] 在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，三維圖像的分解優(yōu)先選用按照2x2x2或3x3x3或 4x4x4像素大小進(jìn)行分解。
[0029] 在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，提取分解后的小區(qū)塊特征，包括小區(qū)塊的邊緣信息 和高頻分量信息等特征。所述特征塊2的特征提取，最好采用一階、二階梯度濾波、聯(lián)合拉 普拉斯模板和三維拉普拉斯高斯濾波器進(jìn)行提取。所述特征塊1的特征提取，最好先將模 型下采樣，然后進(jìn)行三次插值放大得到低頻分量模型，再用原始結(jié)構(gòu)信息減去低頻分量信 息，得到特征塊1。
[0030] 在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，最好采用三次插值算法將CT掃描巖心試樣的三維 圖像進(jìn)行下采樣和上采樣，得到縮小和放大的三維圖像。
[0031] 本發(fā)明提出的三維CT巖心圖像超分辨率重建方法的原理：
[0032] 根據(jù)通用的成像模型，觀測(cè)的低分辨率圖像序列是理想清晰圖像的變形、模