一种改进型多孔介质三维重建方法技术

本发明专利技术适用于多孔介质三维随机重建领域，提供了一种改进型多孔介质三维重建方法，所述方法包括：选择需要重建的多孔介质材料二维切片图像，进行孔隙分割和提取，生成仅含有孔隙和基质两相是二值图像，并以此作为三维重建时的参考图像；基于参考图像中的孔隙像素数量，计算孔隙率；基于孔隙率，生成随机分布的孔隙与基质两相的多孔介质初始重建岩心；采用随机方向的抽样统计法进行相关函数统计。本发明专利技术重建效率相比于传统的重建算法有较大的改善，相关函数、孔隙的连通性、孔径分布与真实样品具有很好的一致性，重建质量优于传统的模拟退火三维重建算法。三维重建算法。三维重建算法。

【技术实现步骤摘要】
一种改进型多孔介质三维重建方法


[0001]本专利技术属于计算机
，尤其涉及一种改进型多孔介质三维重建方法。

技术介绍

[0002]根据有限张多孔介质图像的统计信息，基于数学理论的随机重建法，是多孔介质的三维数字岩心重建最有吸引力的选择之一。模拟退火算法作为随机重建法的主流技术，因其可以根据材料特性采用不同类型的统计函数来重建多孔介质数字岩心而被广泛应用。传统的模拟退火重建中，重建的孔隙结构模型对比表明，它们在相关函数、几何结构和拓扑结构与参考模型具有高度的一致性，限制传统模拟退火算法(SAA)应用的主要障碍仍然是耗时问题。在传统SAA重建过程中，通过交换系统中的像素进行扰动更新，需要相当多的时间才能形成孔隙的基本结构。每一次像素交换后，相关函数统计值的更新也耗费了大量的时间。像素体的交换方式以及相关函数的统计值是导致SAA重建效率低下的主要因素。近年来，一些学者在这两个环节做出了重要的贡献，Tang、Zhao等采用不同相邻(DPNS)像素选择方案，降低重建时像素的冗余运算来提高像素交换的效率[6,7]；Ju等采用多线程的并行运算方案，充分调动计算机的性能，提高相关函数值的统计效率来改善SAA的重建效率[8]；Song等提出了基于增量的模拟退火算法[9]，计算像素交换前后的变化量作为贡献值，替代传统线性路径函数和两点概率函数的统计值，提高了相关函数值的更新效率，使得SAA重建大规模多孔介质的成为可能，可以说是目前SAA孔结构数字岩心重建最高效的算法之一。尽管如此，正如Song，Ju等人研究所指出的，单一环节的改善效果有限，重建大尺寸模型仍然存在困难，耗时长的问题依然需要被解决。

技术实现思路

[0003]本专利技术实施例的目的在于提供一种改进型多孔介质三维重建方法，旨在解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0004]本专利技术实施例是这样实现的，一种改进型多孔介质三维重建方法，所述方法包括以下步骤：
[0005]包括以下步骤：
[0006]步骤1，选择需要重建的多孔介质材料二维切片图像，进行孔隙分割和提取，生成仅含有孔隙和基质两相是二值图像，并以此作为三维重建时的参考图像。
[0007]步骤2，基于参考图像中的孔隙像素数量，计算孔隙率。基于孔隙率，生成随机分布的孔隙与基质两相的多孔介质初始重建岩心。
[0008]步骤3，采用随机方向的抽样统计法进行相关函数(两点概率函数，线性路径函数)的统计计算。两点概率函数和线性路径函数的计算形式如下：
[0009][0010][0011]其中，S(r)，L(r)分别表示两点概率函数和线性路径函数，N(I(x
i
)I(x
j
))为标量线段两端像素点都为孔隙像素的线段数量，为标量线段上所有像素点都为孔隙像素的线段数量，N为总统计次数，r为统计距离。
[0012]统计时，随机选择重建系统中的孔隙像素点N个，并以这些点为起始点，产生[0,180
°
]范围内与水平方向(三维时为水平面)的夹角，随后在系统内的生成统计距离r的线段，线段两端的像素点都为孔隙相的数量，并计算频率值作为两点概率函数的统计值。线段上的所有像素点都为孔隙相的频率值作为线性路径函数的统计值。
[0013]分别统计参考图像和初始重建岩心的相关函数统计值，根据下列计算式，得到模拟退火系统的初始能量。
[0014][0015]其中，E0表示重建系统的初始能量，S0(r)，L0(r)，S1(r)，L1(r)表示参考图像与初始重建岩心的相关函数统计值。
[0016]步骤4，搭建元胞自动机的像素演化模块，来进行三维重建时的系统扰动。其中元胞自动机详细过程见下文具体实施步骤4.
[0017]步骤5，设定算法基础参数，运行步骤3像素交换模块，系统进入迭代环节，像素交换后的重建系统的能量将被重新计算，系统第k次扰动时的能量根据下式所确定：
[0018][0019]重复进行系统的循环扰动，根据模拟退火判定准则以确保元胞自动机的演化是否符合重建要求，直至模拟退火三维重建系统达到能量降温条件，终止循环迭代，输出重建的三维模型。
[0020]本专利技术实施例提供的一种改进型多孔介质三维重建方法，其相比于现有技术，具有以下有益效果：重建效率相比于传统的重建算法有较大的改善。相关函数、孔隙的连通性、孔径分布与真实样品具有很好的一致性，重建质量优于传统的模拟退火三维重建算法。
附图说明
[0021]图1是一种改进型多孔介质三维重建方法的流程图；
[0022]图2是一种改进型多孔介质三维重建方法中对参考图像的预处理示意图；
[0023]图3是一种改进型多孔介质三维重建方法中随机生成的初始重建岩心；
[0024]图4是一种改进型多孔介质三维重建方法中两点概率函数和线性路径函数的统计示意图；
[0025]图5是一种改进型多孔介质三维重建方法中元胞自动机的像素邻域；
[0026]图6是一种改进型多孔介质三维重建方法中像素演化规则示意图；
[0027]图7是一种改进型多孔介质三维重建方法中元胞自动机模块示意图；
[0028]图8是一种改进型多孔介质三维重建方法中重建的数字岩心是重建的数字岩心示
意图。
具体实施方式
[0029]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0030]以下结合具体实施例对本专利技术的具体实现进行详细描述。
[0031]本专利技术提供的一种改进型多孔介质三维重建方法，解决了
技术介绍
中的技术问题。
[0032]如图1所示，为本专利技术的一个实施例提供的一种改进型多孔介质三维重建方法的主流程图，所述一种改进型多孔介质三维重建方法包括：
[0033]包括5个步骤：
①
确定参考图像以及图像的预处理；
②
初始重建岩心生成；
③
相关函数的统计方法确定以及初始能量的计算；
④
元胞自动机像素扰动模型搭建；
⑤
重建系统扰动更新，温度冷却及重建结束。其具体流程如图1所示。
[0034]步骤1，参考图像的确定以及图像预处理，为了获取更准确的孔隙结构，对二维图像进行重建前的预处理。如图2所示，基于Micro
‑
CT二维切片图像，采用Retinx图像增强技术，突出图像中的孔隙像素，利用阈值分割法获得三维重建的二值图片，以此作为三维重建时的参考系统。其中孔隙为白色，基质为黑色。
[0035]步骤2，生成初始重建岩心，根据参考系统中的孔隙率，随机生成孔隙与基质像素随机分布的三维数据体，作为初始重建系统。如图3所示，基质为灰色，孔隙为透明色。其中孔隙率比例17.73％
[0036]步骤3，两点概率函数和线性路径函数的计算形式如下：
[0037][0038][00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改进型多孔介质三维重建方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1，选择需要重建的多孔介质材料二维切片图像，进行孔隙分割和提取，生成仅含有孔隙和基质两相是二值图像，并以此作为三维重建时的参考图像；步骤2，基于参考图像中的孔隙像素数量，计算孔隙率；基于孔隙率，生成随机分布的孔隙与基质两相的多孔介质初始重建岩心；步骤3，采用随机方向的抽样统计法进行相关函数的统计计算；步骤4，搭建元胞自动机的像素演化模块，来进行三维重建时的系统扰动；步骤5，设定算法基础参数，根据步骤3，分别统计参考函数和初始重建岩心的相关函数统计值，计算模拟退火系统的初始能量，随后，进入迭代环节，像素交换后的重建系统的能量将被重新计算，第k次扰动时的能量根据下式所确定：重复进行系统的循环扰动，根据模拟退火判定准则以确保元胞自动机的演化是否符合重建要求，直至模拟退火三维重建系统达到能量降温条件，终止循环迭代，输出重建的三维模型。2.根据权利要求1所述的改进型多孔介质三维重建方法，其特征在于，在步骤3中，采用随机方向的抽样统计方案，统计两点概率函数和线性路径函数的值。3.根据权利要求1所述的改进型多孔介质三维重建方法，其特征在于，在步骤4中，通过搭建元胞自动机模型来进行像素的交换，提高了系统扰动更新的效率。4.根据权利要求1所述的改进型多孔介质三维重建方法，其特征在于，将步骤3和步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘江峰，林远健，张耀晖，张子灏，王志鹏，李晓昭，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：