岩心图像采集原理与实践应用
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发布时间：2022-04-25 15:15
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时间：2023-10-11 19:41
王浩 张立海 姜爱玲 田荣军
(国土资源部实物地质资料中心，北京 101149)
摘要 岩心图像采集是指利用线阵CCD采集技术和图像处理技术采集岩心外表面图像信息。本文论述了机电一体化图像采集仪工作原理、图像采集处理及岩心图像采集实践应用情况。
关键词 岩心；图像；采集；应用
一、前言
岩心蕴含着地质勘探开发工作中最关键、最直观的地质信息，也是地质分析数据和地球物理勘探的物理参数的最重要来源。但在地质工作中，对岩心的观察和采样会造成岩心的破碎或缺失；另外在岩心的保存过程中，由于日深年久也不可避免地会造成岩心的风化和破损。这些都可造成岩心地质信息的丢失，给以后的岩心再利用和地质研究工作带来不良影响。
基于上述问题，利用光学技术和图像处理技术进行岩心图像数字化采集，实现岩心图像资料的永久保存是实物资料保管的重要任务。实物地质资料中心利用岩心图像采集设备实现了岩心图像平动扫描和滚动扫描，形成岩心数字化扫描图像，提高了实物保护能力，并使岩心等实物的服务范围更加广泛。
二、岩心图像采集工作原理及系统介绍
岩心图像数字化工作是通过机电一体化的图像采集控制系统由线阵CCD构成的数字图像采集系统和岩心扫描机械装置对岩心进行连续的扫描，数字图像采集系统将模拟的岩心表面图像信息转化为数字图像信息通过高速USB接口传送并存储在计算机中(图1)。
岩心图像扫描控制系统和线阵CCD数字图像采集系统是岩心图像数字扫描仪最重要的两个核心模块。
图1 系统基本结构图
1.岩心图像采集控制系统
岩心图像采集控制系统采用嵌入式机电控制系统设计。使用多单片机集成电路板来分别控制平动、滚动、光检测及照明等相关功能。它包括平动扫描控制部分和滚动扫描控制部分。
由于岩心图像采集具有实时性高、多电机联合工作等特点。岩心图像采集控制系统采用多单片机系统分别使用三片单片机对平动电机、滚动电机和光检测挡板电机进行控制。单片机控制系统属于从机设备，采用中断控制方式通过UART串行口与PC 主机进行通信。通过PC主机对单片机的控制实现对多个电机的分别控制。单片机程序使用汇编语言编写，具有代码简洁、可控制性高、程序稳定等优点。
单片机程序在通电启动后立即进入初始化程序，在初始化程序中清空程序存储单元内容，并设定波特率等固定参数，最后开启串口并进入循环等待PC主机通过串口下达指令。在接收到所有PC机输入的控制信息后，如果检验信息正确，则开始根据控制信息设定片内定时器的参数并开启片内定时器，通过片内定时器产生步进电机的控制波形，达到机电一体化控制的目的。在所有程序运行过程中还实时检测行程开关信号来保证电机的正常运行。
(1)岩心滚动扫描控制
滚动扫描采集岩心表面图像时，步进电机经皮带驱动A辊和B辊同步转动，两辊的转动通过摩擦力带动岩心同步转动(图2)。A、B 两根辊与岩心之间没有相对滑动，所以采集头在给定分辨率的情况下所要求的岩心表面转动速度是一定的，它和胶辊表面的转动速度相等，由辊的直径和减速器的传动比可算出步进电机所需的转速。长距离滚动扫描图像由多幅滚动扫描图像拼接而成，滚动扫描控制过程见图3。
图2 岩心滚动扫描时A、B胶辊与岩心放置位置示意图
图3 滚动扫描控制框图
值得注意的是：①岩心的直径不同并不影响步进电机的转速，因为辊与岩心之间没有相对滑动，采集头所要求的速度实际上就是辊表面的速度，当岩心直径变化时需要做的只是适当调整A、B辊的中心距；②因为岩心的直径有多种规格，所以要精确控制电机的步数也就是控制岩心转过的角度比较困难，用户通过采集预览窗口观察所采集到的图像，只要图像有重复部分就说明岩心已转过了360°，岩心图像录入软件，可以自动裁剪掉多余的部分。
(2)岩心平动扫描控制
平动扫描采集岩心图像时，辊不转动，岩心也就不动，而此时采集头沿着岩心轴线方向以与当前分辨率相匹配的速度移动，自然也就实现了图像的采集过程。采集头通过一系列保障机构安装在滑道上，然后由丝杆驱动着左右移动，丝杆则是由另外一个步进电机控制运动。
2.线阵CCD数字图像采集系统
CCD器件的主要功能是把二维光学图像信号转变成一维视频信号输出，它的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。一般分为线阵CCD和面阵CCD两大类。CCD的基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。其中光电荷的产生是CCD的首要功能，其作用是当光入射到CCD的光敏面时，产生与入射的光谱辐量度成线性关系的光电荷，入射光越强，通过电荷积分所得到的光电荷量越大。产生的光电荷被储存在构成CCD的基本单元MOS(金属—氧化物—半导体)结构中。当完成对光敏元阵列的扫描后，CCD将光电荷从光敏区域转移至屏蔽存储区域，而后，光电荷被按顺序转移至读出寄存器。在光电荷转移通道的末端，CCD再将电荷信号转换为电压或电流信号输出，也称为光电荷的检测。目前CCD的输出方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出。岩心图像采集系统应用的是线阵CCD，48位彩色，1200dpi USB图像扫描芯片。
线阵CCD数字图像采集系统最后将处理后的图像信息通过符合USB2.0协议接口芯片，使用USB数据线传输给PC机。
三、岩心图像采集实践应用
国土资源部实物地质资料中心承担国家级实物地质资料收集、保管、利用服务等工作。2005年7月开始使用CISS岩心图像采集仪进行岩心图像采集工作。该岩心扫描成像系统主要具备如下功能：①采集150dpi～1200dpi分辨率的岩心外表面白光平动扫描图像和360°外表面滚动扫描图像，破碎岩心在岩心盒中扫描整盒岩心；②进行图像拼接校正，对平动扫描图像、滚动扫描图像以及扫描的各种不规则的图像进行无缝拼接，并对扫描的图像进行增强、旋转、色彩校正、近大远小桶形校正、矩形校正、对齐拼接；③岩心图像录入数据库，实现图文数据的数据库管理，并可按井号、层位、深度、岩心盒号等条件查询图像；④裂缝分析系统能够定量地统计裂缝的各种参数，并做出相应的玫瑰图、直方图等；⑤沉积岩知识库系统，以数据字典的形式把各种典型的沉积岩的信息以图文的形式存储起来，以供科研技术人员参考。
通过岩心图像采集数字化改变了以前用户只能看到人工纯文字描述岩心地质特征的状况，通过互联网用户可方便快捷地共享岩心图像显示的地质信息，并可同时对照文字描述的地质特征。利用岩心图像采集系统已经扫描5个钻孔2600余米岩心，并将在近期内提供社会共享与服务。
四、结语
今后一段时期，实物地质资料中心将通过对实物地质资料管理和地质矿产勘查等部门的进一步广泛调研，提出实物地质资料管理和地质矿产勘查工作对岩心图像采集和图像管理系统的最新需求，开发研制一套具有地质调查、矿产勘查特点的、适合实物地质资料管理的岩心图像采集和图像管理系统，并进行岩心图像信息库建设示范，为全面开展岩心图像采集和图像管理工作提供技术保障和工作平台，为实现实物地质资料信息共享提供基础。并通过国土资源等部门的深入研究与应用以及和图像信息研究单位的技术沟通与合作，使岩心图像采集和图像管理系统更加突出适合地质调查工作应用，而且功能将更加强大、优良。
Rock Core Image Processing Principles ＆ Application in Practice
Hao Wang，Lihai Zhang，Ailing Jiang，Rongjun Tian
(National Geologicalsample Center，ministry of Land and Resources，Beijing 101149)
Abstract Rock core image collection is a process of using linear CCD image collectiontechniques and image processing techniques to collect the image information of the rocksurface.This paper introces the operation principles of electromechanical integration image acquisition apparatus，and the practical applicationsituation of coresurface image collection and process.
Key words core；image；acquisition process；application
