張發(fā)光　王國(guó)基　蔣海軍　康維嵐

摘要：巖心外表面圖像在石油、地質(zhì)等部門(mén)被廣泛用于綜合柱狀圖分析。但是觀看巖心外表面圖像并不直觀，因此需要對(duì)其進(jìn)行三維重建[1]。傳統(tǒng)單機(jī)版巖心三維重建系統(tǒng)，使用及升級(jí)極為不便，同時(shí)通過(guò)滾動(dòng)掃描技術(shù)采集的巖心外表面圖像常常伴有黑邊，使巖心三維重建后不夠逼真。因此該文提出了一種基于Asp.net框架，結(jié)合GDI+，WebService以及Activex控件技術(shù)的在線巖心三維重建技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了巖心在線三維重建和旋轉(zhuǎn)。該文還設(shè)計(jì)了一種巖心外表面圖像自動(dòng)去除黑邊的算法，將其應(yīng)用于三維重建中，使重建后的柱狀圖像更加逼近巖心實(shí)物。

關(guān)鍵詞：巖心；去除黑邊；三維重建

中國(guó)分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）30-7186-04

來(lái)自鉆井采集的巖心是油氣縫隙的重要數(shù)據(jù)來(lái)源，是石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)研究的基礎(chǔ)，所以存儲(chǔ)和管理巖心信息至關(guān)重要。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，巖心掃描和巖心分析通常不在同一個(gè)場(chǎng)所進(jìn)行，故不在相同的局域網(wǎng)段，那么基于web巖心圖像信息的查詢、瀏覽、分析和處理就顯得十分必要。為此，該文提出了一種基于Asp.net框架，結(jié)合GDI+、WebService以及Activex控件技術(shù)的Web巖心三維重建技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于Web的巖心三維重建和旋轉(zhuǎn)，方便科研人員通過(guò)Web瀏覽器直接觀察分析樣本，免去了研究室和現(xiàn)場(chǎng)的來(lái)回奔波，實(shí)現(xiàn)巖心圖像信息整合和資源共享。

基于Web的巖心三維重建工作可以采用GDI+繪圖或者三維紋理貼圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)。后者速度慢、圖像容易失真，難以實(shí)現(xiàn)基于Web的實(shí)時(shí)三維重建。而前者是微軟.net framework類庫(kù)，構(gòu)建windows forms和web圖像應(yīng)用程序相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。因此本文采用GDI+繪圖技術(shù)進(jìn)行巖心外表面三維重建系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，并將三維重建以及相關(guān)的圖像處理算法封裝成ActiveX控件嵌入web頁(yè)面。

目前，國(guó)內(nèi)在巖心外表面圖像在線三維重建技術(shù)的研究還很少，已有的文獻(xiàn)中幾乎沒(méi)有涉及到巖心外表面圖像自動(dòng)去除黑邊，為此，該文通過(guò)研究巖心外表面圖像黑邊去除，提出了一種自動(dòng)去除黑邊的算法，并將其應(yīng)用于三維重建中，使重建后的柱狀圖像更加逼近巖心實(shí)物。

1 巖心外表面圖像自動(dòng)去除黑邊

通過(guò)滾動(dòng)掃描技術(shù)采集到的巖心外表面圖像由于受到光照、儀器自身的限制常常帶有黑邊。在這里，黑邊是指除巖心外表面之外的圖像部分，去除黑邊即用黑色填充這部分圖像。巖心外表面圖像若不去除黑邊，三維重建后的柱狀圖像不夠逼真，影響視覺(jué)效果。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)巖心外表面三維重建的文獻(xiàn)都未涉及圖像去除黑邊的研究，因而本文提出了一種自動(dòng)去除黑邊的算法，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)去除巖心外表面圖像上的黑邊。在巖心外表面三維重建之前，通過(guò)本文算法先去除黑邊，之后再進(jìn)行三維重建，使得重建后的柱狀圖像更加逼近巖心實(shí)物。

本文首先利用圖像差分和二值化算法對(duì)巖心外表面圖像進(jìn)行處理，如圖1所示。而后通過(guò)垂直積分計(jì)算黑邊與巖心圖像接觸點(diǎn)最小橫坐標(biāo)leftx、rightx，通過(guò)在圖中l(wèi)eftx至width/4以及3*width/4至rightx區(qū)域內(nèi)水平掃描計(jì)算出巖心外表面圖像的邊緣，最后對(duì)邊緣進(jìn)行擬合處理。通過(guò)圖像邊緣橫坐坐標(biāo)，我們將原始的巖心外表面之外的圖像部分填充為黑色。

2 基于Web的巖心三維重建

基于Web的巖心三維重建工作是根據(jù)數(shù)字圖像處理技術(shù)和人眼視覺(jué)特點(diǎn)，對(duì)巖心圖像進(jìn)行圖像處理，動(dòng)態(tài)復(fù)原巖心圖像。巖心在線三維旋轉(zhuǎn)是通過(guò)不斷重建三維圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)的。若采用傳統(tǒng)的asp.net等web開(kāi)發(fā)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，無(wú)法滿足用戶交互的需求。而Activex控件具有很好的實(shí)時(shí)交互能力，能夠很好的解決這一問(wèn)題。因此本文將三維重建以及相關(guān)的圖像處理算法封裝成ActiveX控件并嵌入web頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)基于瀏覽器的巖心三維重建和旋轉(zhuǎn)。

基于Web的巖心圖像三維重建主要包含三部分內(nèi)容：1）巖心外表面圖像數(shù)據(jù)的獲取。2）巖心外表面圖像形狀復(fù)原。3）亮度立體化處理。

2.1 巖心外表面圖像數(shù)據(jù)的獲取

巖心外表面圖像數(shù)據(jù)的獲取包括服務(wù)器的數(shù)據(jù)的發(fā)布和客戶端圖像數(shù)據(jù)的還原。在服務(wù)器的通過(guò)WebService實(shí)現(xiàn)巖心外表面圖像數(shù)據(jù)發(fā)布，查詢結(jié)果以http二進(jìn)制流的形式返回，返回結(jié)果由客戶端的Activex控件解析生成巖心外表面圖像數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶。

2.2 巖心圖像外表面復(fù)原

巖心圖像和三維重建正面投影圖像如圖2，A為起始掃描點(diǎn)，B為圖像中點(diǎn)，巖心圖像寬度為Width，即復(fù)原圖像的周長(zhǎng)，直接為D：

[D=Width/π] （1）

所謂圖像復(fù)原就是不管像素起始點(diǎn)在哪里，始終展現(xiàn)Width/2寬度的圖像，通過(guò)圖像抽取，映射到高度不變，直徑為D（2r，r為巖心半徑）的投影柱面圖像上。

實(shí)物巖心的切面是如圖3所示的圓，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)于巖心圖像的第A列像素，點(diǎn)S對(duì)應(yīng)于巖心圖像的另一列像素，改點(diǎn)在投影面上的投影點(diǎn)記為[S']（在此假設(shè)為第i列投影像素），圓心與A點(diǎn)、S點(diǎn)組成的夾角為a。通過(guò)角度與弧度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以求出夾角a的弧度值，建立投影像素模型[Array3D[i]] [（i∈[0，2r]）]：

[cosα=（r-i）/r?α=cos-1（r-i）/i] （2）

[Array3D[i]=αr（i∈[0，2r]）] （3）

按照這種映射關(guān)系，圖3所示AB之間的圖像像素通過(guò)圖像抽取投影，映射到AB投影柱面上，實(shí)現(xiàn)了巖心復(fù)原。為了實(shí)現(xiàn)任意角度的巖心圖像復(fù)原，我們需要給映射像素模型[Array3D[i]]施加一個(gè)偏移量W：

[Array3D[i]=αr+W（i∈[0，2r]）] （4）

其中W為起始像素A的右向偏移量，以[A']為基準(zhǔn)選取寬度為Width/2的像素列進(jìn)行圖像復(fù)原。如果W不大于Width/2，那么[Array3D[i]]的投影區(qū)域在巖心圖像的內(nèi)部，可以進(jìn)行圖像三維復(fù)原；如果W超過(guò)Width/2，那么[Array3D[i]]的投影區(qū)域?qū)?huì)部分超出巖心圖像的寬度，超出區(qū)域圖像可以有巖心圖像左側(cè)圖像進(jìn)行拼接補(bǔ)充。投影像素模型可以通過(guò)偏移量W的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)巖心圖像從任意角度去復(fù)原三維圖像。endprint

2.3 亮度視覺(jué)立體化處理

亮度視覺(jué)立體化的模型是以映射像素列i[（i∈[0，2r]）]為參考，周期為4r的亮度數(shù)組模型[BrightArray[i]][（i∈[0，2r]）]，并以此作為對(duì)應(yīng)投影像素列[Array3D[i]]的亮度視覺(jué)立體化的修正參數(shù)：

[BrightArray[i]=sinπi2r] （5）

投影像素列[Array3D[i]]的光強(qiáng)I與相應(yīng)的亮度視覺(jué)立體化修正參數(shù)[BrightArray[i]]之積作為立體化修正后的光強(qiáng)

[I'=13（R+G+B）*BrightArry[i]] （6）

3 巖心外表面三維重建的應(yīng)用

圖4為巖心巖屑信息管理系統(tǒng)中的電子相冊(cè)，其中巖心外表面圖像以縮略圖方式展示，通過(guò)圖上鏈接進(jìn)入圖5三維重建系統(tǒng)。通過(guò)上面的菜單我們可以對(duì)巖心圖像實(shí)現(xiàn)縮放，調(diào)整圖像的方向，巖心圖像三維重建及還原等功能。對(duì)應(yīng)三維重建的圖像如圖6，我們可以進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)旋轉(zhuǎn)觀察。對(duì)應(yīng)巖心外表面圖像，我們可以通過(guò)鼠標(biāo)劃線測(cè)量圖像上任意兩點(diǎn)之間的距離、角度等參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 莊雙勇，何小海，李佳佳，張立海.巖心外表面圖像在線三維重建[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（6） ：806.

[2] Yang Huiping，Liu Jianguo，Chen Hanxun. Journal of Wuhan University of Technology[J]. Journal of Wuhan University of Technology，2001（5）.

[3] ZHAO Gui-ju，WANG Yan-chun，CUI Qi-shan，CUI Shu-hong. THE CONSTRUCTION AND APPLICATION OF DATA WAREHOUSE FOR OIL EXPLORATION AND DEVELOPMENT[J].Geophysical and Geochemical Exploration，2010（1）.

[4] 石油信息和計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).石油工業(yè)應(yīng)用軟件工程規(guī)范項(xiàng)目開(kāi)發(fā)規(guī)劃編寫(xiě)規(guī)定[Z].1999.

[5] Drafting regulations of development planning of petroleum industry application software engineering project[S].National Petroleum information and computer application Standardization Committee，1999.

[6] Min Rui，Xu Hongduan，Wu Chengming. Application of GDI+ to Switches for ActiveX Control Components[J].Journal of University of Hydraulic and Electric Engineering，2005（3）.

[7] 林銳，戴玉宏.圖形用戶界面設(shè)計(jì)與技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1997.

[8] Lin rui，Dai yuhong.Graphical user interface design and technology[M].Xidian University Publishing House，1997.

[9] 徐寶文，周毓明，盧紅敏.UML與軟件建模[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[10] Xu Baowen，Zhou Yuming，Lu Hongmin.UML and software modeling[M].Tsinghua University Press，2006.endprint

2.3 亮度視覺(jué)立體化處理

亮度視覺(jué)立體化的模型是以映射像素列i[（i∈[0，2r]）]為參考，周期為4r的亮度數(shù)組模型[BrightArray[i]][（i∈[0，2r]）]，并以此作為對(duì)應(yīng)投影像素列[Array3D[i]]的亮度視覺(jué)立體化的修正參數(shù)：

[BrightArray[i]=sinπi2r] （5）

投影像素列[Array3D[i]]的光強(qiáng)I與相應(yīng)的亮度視覺(jué)立體化修正參數(shù)[BrightArray[i]]之積作為立體化修正后的光強(qiáng)

[I'=13（R+G+B）*BrightArry[i]] （6）

3 巖心外表面三維重建的應(yīng)用

圖4為巖心巖屑信息管理系統(tǒng)中的電子相冊(cè)，其中巖心外表面圖像以縮略圖方式展示，通過(guò)圖上鏈接進(jìn)入圖5三維重建系統(tǒng)。通過(guò)上面的菜單我們可以對(duì)巖心圖像實(shí)現(xiàn)縮放，調(diào)整圖像的方向，巖心圖像三維重建及還原等功能。對(duì)應(yīng)三維重建的圖像如圖6，我們可以進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)旋轉(zhuǎn)觀察。對(duì)應(yīng)巖心外表面圖像，我們可以通過(guò)鼠標(biāo)劃線測(cè)量圖像上任意兩點(diǎn)之間的距離、角度等參數(shù)。

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[10] Xu Baowen，Zhou Yuming，Lu Hongmin.UML and software modeling[M].Tsinghua University Press，2006.endprint

2.3 亮度視覺(jué)立體化處理

亮度視覺(jué)立體化的模型是以映射像素列i[（i∈[0，2r]）]為參考，周期為4r的亮度數(shù)組模型[BrightArray[i]][（i∈[0，2r]）]，并以此作為對(duì)應(yīng)投影像素列[Array3D[i]]的亮度視覺(jué)立體化的修正參數(shù)：

[BrightArray[i]=sinπi2r] （5）

投影像素列[Array3D[i]]的光強(qiáng)I與相應(yīng)的亮度視覺(jué)立體化修正參數(shù)[BrightArray[i]]之積作為立體化修正后的光強(qiáng)

[I'=13（R+G+B）*BrightArry[i]] （6）

3 巖心外表面三維重建的應(yīng)用

圖4為巖心巖屑信息管理系統(tǒng)中的電子相冊(cè)，其中巖心外表面圖像以縮略圖方式展示，通過(guò)圖上鏈接進(jìn)入圖5三維重建系統(tǒng)。通過(guò)上面的菜單我們可以對(duì)巖心圖像實(shí)現(xiàn)縮放，調(diào)整圖像的方向，巖心圖像三維重建及還原等功能。對(duì)應(yīng)三維重建的圖像如圖6，我們可以進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)旋轉(zhuǎn)觀察。對(duì)應(yīng)巖心外表面圖像，我們可以通過(guò)鼠標(biāo)劃線測(cè)量圖像上任意兩點(diǎn)之間的距離、角度等參數(shù)。

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[9] 徐寶文，周毓明，盧紅敏.UML與軟件建模[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[10] Xu Baowen，Zhou Yuming，Lu Hongmin.UML and software modeling[M].Tsinghua University Press，2006.endprint