一种岩土体材料数字图像的分割阈值确定方法技术

本发明专利技术公开了一种岩土体材料数字图像的分割阈值确定方法，所述方法包括如下步骤：S1：获取岩土体材料的SEM图像的灰度直方图曲线；S2：根据所述灰度直方图曲线，确定分割阈值T的取值范围；S3：获取所述灰度直方图曲线的二阶导数；S4：根据所述灰度直方图曲线的二阶导数和分割阈值T的取值范围，确定所述分割阈值T的大小。本发明专利技术能够快速准确的确定岩土体材料的数字图像的分割阈值，准确地从数字图像中将岩土体材料孔隙或裂缝结构与表面土骨架结构区分开来，为后续基于数字图像的岩土体材料的深入研究提供了准确的分割阈值，为准确的提取孔隙或裂缝结构，提供了有效的技术支持。

A Method for Determining the Segmentation Threshold of Digital Image of Geotechnical Material

【技术实现步骤摘要】
一种岩土体材料数字图像的分割阈值确定方法
本专利技术涉及图像分割
，尤其涉及一种岩土体材料数字图像的分割阈值确定方法。
技术介绍
随着微、细观成像技术的发展，研究人员可以利用该技术对岩土体的孔隙结构形态特征进行直接观测。对于SEM扫描电镜技术，由于其较低的测试成本和良好的成像效果，被逐渐应用于各个领域。使用SEM扫描电镜技术对各种岩土体材料的表面微观孔隙结构进行直接观测，通过定量化的分析，对岩土体材料渗透率进行预测。在对SEM图像定量化分析的过程中，最关键的一步就是对图像进行二值化。二值化的主要目的是将SEM图像中的岩土体材料的孔隙结构与表面土骨架结构区分开来，提取出其中的孔隙结构，而孔隙结构是决定岩土体材料渗透率大小的主要因素，因此如何准确的提取孔隙结构就是数字图像法中二值化过程最为关键的技术。而二值化处理过程中，图像的分割阈值确定决定着孔隙结构提取二值化的准确性，因此，确定图像的分割阈值确定显得极为重要。近几十年来，国内外众多学者已经提出了大量的图像二值化分割阈值确定计算方法。但由于数字图像的复杂性，以及图像分割问题依赖于具体应用领域的具体情况，因此，直到现在为止没有一种通用的二值化分割阈值确定算法。中国专利公布号：CN102841220A；公布日：2012年12月26日，公开了一种基于孔隙率的黏土扫描电镜照片图像分割方法，包括步骤有：采用土力学常规实验方法测得黏土试样的干密度，算出干密度的三分之二次幂；实验室制备黏土试样的微结构样品；采用ZD-A3冻干仪将制作的样品冻干并抽真空，真空度达到到10-6Pa时进行扫描电镜，观察样品的微结构并获得扫描照片；采用图像分析软件提取两个阈值对应的二值化数据；对比两个阈值条件下抽取到颗粒体和孔隙率的参数特征，算出孔隙体面积比；当孔隙体面积比等于干密度的三分之二次幂时，停止逼近，此时的阈值即为与所测干密度相对应的图像分割阈值确定。有益效果是采用该方法实现了三维参数向二维化的科学转变，排除了人为主观因数的干扰，使得土体微结构的研究更加准确。但是该专利技术的不足之处在于：该专利技术中LeicaQWin图像分析软件对SEM照片提取出的阈值，虽然进行了人为确认，但是在进行人为确认的过程中，涉及多次运算，过程繁琐的同时还易出错，从而不利于长期使用。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有岩土体材料数字图像二值化中分割阈值的确定过程复杂易出错的问题，本专利技术提出一种岩土体材料数字图像的分割阈值确定方法。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种岩土体材料数字图像的分割阈值确定方法，所述方法包括如下步骤：S1：获取岩土体材料的SEM图像的灰度直方图曲线；S2：根据所述灰度直方图曲线，确定分割阈值T的取值范围；S3：获取所述灰度直方图曲线的二阶导数；S4：根据所述灰度直方图曲线的二阶导数和分割阈值T的取值范围，确定所述分割阈值T的大小。更进一步地，所述步骤S1获取图像的灰度直方图曲线之前还包括：读取所述岩土体材料的SEM图像，获取所述SEM图像中每个像素的灰度级i、所述每个像素的灰度级i所对应的总像素数量ni。更进一步地，所述步骤S1获取图像的灰度直方图曲线具体如下：S1.1：确定所述岩土体材料灰度图像中每个像素的灰度级i；S1.2：根据如下公式，获取所述岩土体材料灰度图像的灰度直方图曲线上各个点：其中，i表示灰度级，N表示图像像素总数，ni表示图像中所有灰度级为i的像素的总像素个数，L表示灰度级的种类数；S1.3：根据所述P(i)，拟合获取岩土体材料灰度图像的灰度直方图曲线。更进一步地，所述步骤S2确定分割阈值T的取值范围具体如下：步骤S2.1：根据所述灰度直方图曲线，确定所述灰度直方图曲线中的峰值数目；步骤S2.2：根据所述峰值数目，确定所述岩土体材料的结构；步骤S2.3：获取所述峰值对应像素的灰度级imax；步骤S2.4：根据所述岩土体材料的结构和峰值对应像素的灰度级imax，确定所述分割阈值T的取值范围。更进一步地，步骤S2.2确定所述岩土体材料的结构具体如下：如果所述灰度直方图曲线只有一个峰值，所述岩土体材料的结构为含孔隙结构；如果所述灰度直方图曲线有两个峰值，所述岩土体材料的结构为含裂缝结构。更进一步地，步骤S3获取所述灰度直方图曲线的二阶导数之前包括：获取所述灰度直方图曲线的一阶导数，所述一阶导数为:其中，i表示灰度级，ni表示图像中每个像素的灰度级i所对应的总像素数量。更进一步地，确定所述孔隙结构的分割阈值T具体如下：SA4.1：所述灰度直方图曲线只有一个峰值，所述分割阈值T的取值范围为：T＜imax其中，imax为峰值对应像素的灰度级；SA4.2：获取所述灰度直方图曲线的二阶导数，所述二阶导数为：其中，i表示灰度级，ni表示图像中每个像素的灰度级i所对应的总像素数量；SA4.3：根据所述二阶导数，确定在分割阈值T的取值范围内二阶导数的最大值aimax；SA4.4：确定所述二阶导数最大值aimax所对应像素的灰度级iT,所述分割阈值T为：T＝iT其中，iT为二阶导数最大值aimax所对应像素的灰度级。更进一步地，确定所述裂缝结构的分割阈值T具体如下：SB4.1：所述灰度直方图曲线有两个峰值，所述分割阈值T的取值范围为：imax1＜T＜imax2其中，imax1为第一个峰值对应像素的灰度级，imax2为第二个峰值对应像素的灰度级；SB4.2：获取所述灰度直方图曲线的二阶导数，所述二阶导数为：其中，ni表示图像中所有灰度级为i的像素的总像素个数，i表示灰度级；SB4.3：根据所述二阶导数，确定在分割阈值T的取值范围内二阶导数的最大值aimax；SB4.4：确定所述二阶导数最大值aimax所对应像素的灰度级iT,所述分割阈值T为：T＝iT其中，iT为二阶导数最大值aimax所对应像素的灰度级。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益技术效果：(1)本专利技术先是通过待测岩土体材料的SEM图像的灰度直方图曲线，确定分割阈值的取值范围，再通过灰度直方图曲线的二阶导数确定分割阈值的具体大小，通过不断的缩小范围直至精确取值，能够更进一步地保证分割阈值取值的准确性；(2)本专利技术根据待测岩土体材料自身的SEM图像进行分析，能够确保分割阈值更加满足待测岩土体材料数字图像二值化的需求，从而准确的从数字图像中将岩土体材料的孔隙或裂缝结构与表面土骨架结构区分开来；(3)本专利技术为后续基于数字图像的岩土体材料的深入研究提供了准确的分割阈值，为准确的提取岩土体材料的孔隙或裂缝结构，提供了有效的技术支持。附图说明图1是本专利技术的流程示意图；图2是膨润土SEM图像；图3是膨润土颗粒基本单元的示意图；图4是SEM扫描岩土体材料原理剖面示意图；图5是灰度直方图曲线对应岩土体结构示意图；图6是不同分割阈值压实膨润土二值图；图7是SEM图像随分割阈值增大的二值化提取过程；图8是压裂后煤样SEM图像；图9是压裂后煤样灰度直方图曲线；图10是膨润土的灰度直方图曲线；图11是膨润土的灰度直方图曲线二阶导数曲线；图12是膨润土的最终二值化图像；图13是压裂后的煤样的灰度直方图曲线二阶导数曲线；图14是压裂后的煤样的最终二值化图像。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩土体材料数字图像的分割阈值确定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1：获取岩土体材料的SEM图像的灰度直方图曲线；S2：根据所述灰度直方图曲线，确定分割阈值T的取值范围；S3：获取所述灰度直方图曲线的二阶导数；S4：根据所述灰度直方图曲线的二阶导数和分割阈值T的取值范围，确定所述分割阈值T的大小。

【技术特征摘要】
1.一种岩土体材料数字图像的分割阈值确定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1：获取岩土体材料的SEM图像的灰度直方图曲线；S2：根据所述灰度直方图曲线，确定分割阈值T的取值范围；S3：获取所述灰度直方图曲线的二阶导数；S4：根据所述灰度直方图曲线的二阶导数和分割阈值T的取值范围，确定所述分割阈值T的大小。2.根据权利要求1所述的一种岩土体材料数字图像的分割阈值确定方法，其特征在于，所述步骤S1获取图像的灰度直方图曲线之前还包括：读取所述岩土体材料的SEM图像，获取所述SEM图像中每个像素的灰度级i、所述每个像素的灰度级i所对应的总像素数量ni。3.根据权利要求1或2所述一种岩土体材料数字图像的分割阈值确定方法，其特征在于，所述步骤S1获取图像的灰度直方图曲线具体如下：S1.1：确定所述岩土体材料灰度图像中每个像素的灰度级i；S1.2：根据如下公式，获取所述岩土体材料灰度图像的灰度直方图曲线上各个点：其中，i表示灰度级，N表示图像像素总数，ni表示图像中所有灰度级为i的像素的总像素个数，L表示灰度级的种类数；S1.3：根据所述P(i)，拟合获取岩土体材料灰度图像的灰度直方图曲线。4.根据权利要求3所述的一种岩土体材料数字图像的分割阈值确定方法，其特征在于，所述步骤S2确定分割阈值T的取值范围具体如下：步骤S2.1：根据所述灰度直方图曲线，确定所述灰度直方图曲线中的峰值数目；步骤S2.2：根据所述峰值数目，确定所述岩土体材料的结构；步骤S2.3：获取所述峰值对应像素的灰度级imax；步骤S2.4：根据所述岩土体材料的结构和峰值对应像素的灰度级imax，确定所述分割阈值T的取值范围。5.根据权利要求4所述的一种岩土体材料数字图像的分割阈值确定方法，其特征在于，步骤S2.2确定所述岩土体材料的结构具体如下：如果所述灰度直方图曲线只有一个峰值，所述岩土体材料的结构为含孔隙...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘江峰，曹栩楼，邵建富，黄炳香，胡大伟，陈亮，陈树亮，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32