一种基于特征融合的复杂烧结矿三维显微矿相的分析方法与流程

本发明涉及复杂烧结矿矿相分析领域，特别是涉及一种基于特征融合的复杂烧结矿三维显微矿相的分析方法。

背景技术：

烧结矿是由多种物料混合经高温部分熔融的人造富矿，内部矿相组织结构十分复杂，是高炉炼铁的主要原料之一，其性能，如还原性、低温还原粉化率、转鼓强度、耐磨指数和熔滴性能等，将直接影响高炉生产；而烧结矿性能的好坏又与其内部矿相的种类和含量密切相关。同时，随着我国钢铁企业的快速发展，高品位铁矿石资源短缺的问题日益突出，为了降低生产成本，提升企业竞争力，大量低品位的铁矿石原料被用于烧结矿的生产。基于铁矿石品位的下降可能会导致烧结矿质量下降的原因，为确保烧结矿的质量，对复杂烧结矿显微矿相的表征和分析对于控制工业中批量生产的烧结矿质量具有重要意义。

目前，通常采用单一方式获得的图像对烧结矿矿相进行分析，根据图像对应组织的灰度、形状及与周边组织的结合状态进行区分识别，主要方法有两种：一种是直接通过光学显微镜进行测试分析，借助网格尺，采取人工数点法进行统计，该方法较为简单，但存在工作量大，效率低下、精确度低等问题；另一种是借助图像分析仪或计算机数字图像处理技术等工具对光学显微镜或电子显微镜所得图片进行统计分析，该方法分析效率较高，但对于灰度相近的矿相仍无法准确区分，例如碱性钒钛烧结矿中的钙钛矿与铁酸钙在光学显微镜下无法区分，而磁铁矿和赤铁矿在电子显微镜下无法区分。

同时，当前对于图像分析的研究主要是针对二维图像进行的，而烧结矿是由多种矿物和气孔通过不同类型的界面连接在一起的三维实体，二维平面图形不能充分显示其复杂的三维细节，难以直观、准确地表达烧结矿内部各矿相的分布和变化特征。

技术实现要素：

基于现有技术中单独使用光学显微镜或单独使用电子显微镜获得二维图像对烧结矿矿相进行分析时存在的无法准确区分灰度相近的矿相和不能直观表达烧结矿内部结构等问题，本发明提供一种基于特征融合的复杂烧结矿三维显微矿相的分析方法，通过采用光学显微分析和电子显微分析融合的方式，将光学显微镜下不能区分的矿相用电子显微镜加以区分，得到复杂烧结矿的二维矿相完全区分图，再进行三维重建得到复杂烧结矿的三维显微矿相图，并通过设置不透明度和进一步剖切得到复杂烧结矿的各矿相透视图和三维显微剖视图，从而准确区分复杂烧结矿的每种矿相，较准确地得到任一矿相或气孔的体积占比，并能够表征各矿相在不同截面上的分布特征，直观地观察各矿相和气孔在复杂烧结矿内部的整体结构和结合状态。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于特征融合的复杂烧结矿三维显微矿相的分析方法，包括如下步骤：

(1)在复杂烧结矿样品表面随机选取一个区域，分别采用光学显微镜和电子显微镜对该区域进行拍摄，对所得光学显微图片和电子显微图片采用多尺度滤波和多阈值分割的方法进行处理，分别得到光学显微镜和电子显微镜的矿相不完全分割图，并将其进行配准融合处理得到二维矿相完全分割图；

(2)确定三维重建的固定层间距和抛磨参数，按照步骤(1)的方式得到每层的矿相完全分割图，并进行三维重建得到三维显微矿相图；

(3)对步骤(2)所得的三维矿相图进行透视处理和剖切处理，得到复杂烧结矿三维显微矿相透视图和剖视图；

(4)对步骤(2)所得的三维矿相图中各矿相的像素点进行统计，得到复杂烧结矿三维矿相或气孔的体积占比。

进一步地，步骤(1)中采用光学显微镜和电子显微镜对复杂烧结矿样品表面同一区域进行拍摄时，要基于待分析区域矿相结构特征和显微镜分辨率，根据人眼能区分最小的光点距离和矿相尺寸，选择合适的的放大倍数，所选放大倍数应不小于最小放大倍数。根据人眼能区分最小的光点距离和矿相尺寸，并利用公式可以计算最小放大倍数，其中：若μ显>0.2mm，μ1指的是单个像素点的尺寸长度；若μ显<0.2mm，μ1指的是人眼极限识别光点点距；μ2为拟观察矿相最小尺寸或最大尺寸，k1为协调常数。

进一步地，步骤(1)中所述对所得光学显微图片和电子显微图片采用多尺度滤波和多阈值分割的方法进行处理，具体步骤是：

a、采用二维离散小波分解去除噪声及高频杂波；

b、利用小波逆变换重塑图像，加强图像的边缘信息；

c、根据灰度差异确定最佳阈值门限进行多阈值分割区别复杂矿相。

进一步地，步骤(1)中所述的融合处理具体步骤是：对所得光学显微镜的矿相不完全分割图中无法区分的矿相，采用改进的边缘检测算法将光学显微镜不完全分割图和电子显微镜不完全分割图进行配准融合，利用电子显微镜的分割图加以补充区分，得到二维矿相完全分割图。

进一步地，所述改进的边缘检测算法是指根据光学显微镜和电子显微镜图像的小波变换域，得到图像边缘离散的局部极大值点，将其作为图像配准的特征点，连成极大值曲线，得到光镜和电镜图像的边缘轮廓，并利用边缘轮廓特征点进行光电镜图像的配准。

进一步地，步骤(2)所述三维重建矿相图的层间距的确定是指利用人眼可识别的最小矿相或最小气孔的尺寸长度的1/2作为三维重建的固定层间距，利用压痕法不断测量来调整抛磨参数，直至得到与最小矿相或最小气孔尺寸长度的1/2符合的层间距δh。由压痕法测量确认层间距δh的公式如下：

其中：x1为测得的初始压痕的宽度；

x2为测得的烧结矿样品抛光一定厚度后压痕的宽度；

α为压痕法所用菱形压头角度。

进一步地，步骤(3)所述的透视处理是指将所要分析的矿物组织不透明度设为1，其余矿物组织不透明度设为0，得到复杂烧结矿中某一矿物或气孔的三维透视图；若分析两种或多种交织矿物，则将待分析的矿物分别设置不同的不透明度进行区分，且待分析矿物的不透明度均不为0，其余不分析的矿物不透明度设为0，得到复杂烧结矿中交织矿物的三维透视图。

进一步地，步骤(3)所述的剖切处理是指将三维显微矿相图分别从x轴、y轴和z轴进行剖切，剖切单位长度根据所需观察的矿相自由确定，得到三维显微矿相剖视图；也可结合透视图对矿物进行剖切，得到矿物的剖切透视图。

进一步地，步骤(4)所述对所得的三维矿相图中各矿相的像素点进行统计，得到复杂烧结矿三维矿相或气孔的体积占比的具体方法为：

假设一种复杂烧结矿的第i层的矿相完全分割图得到a1,a2,a3……an种矿相，基于像素统计得i层矿相总量为ti(i＝1,2……m)，设第i层矿相中的a1矿相含量为xi1，则i层a1矿相的面积分数为可得烧结矿区域内a1矿相的体积分数：

利用上述公式可将二维矿相面积分数转化为三维矿相体积分数，得到复杂烧结矿中任一矿相或气孔的体积占比。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过采用光学显微分析和电子显微分析融合的方式，将灰度差异小而在光学显微镜下难以区分的矿相用电子显微镜加以识别区分，从而准确区分复杂烧结矿的每种矿相；

2、本发明通过三维重建的方法获得复杂烧结矿的三维显微矿相图，直观地展示了复杂烧结矿的整体结构；

3、本发明通过对三维显微矿相图进行透视和剖切加工，能够表征各矿相在不同截面上的分布特征，直观地观察各矿相和气孔在复杂烧结矿内部的整体结构和结合状态，并通过统计像素点个数，可以较准确地得到任一矿相或气孔的体积占比。

附图说明

图1是本发明实施例中的碱性钒钛烧结矿光学显微镜图(左)和电子显微镜图(右)；

图2是本发明实施例中的光学(左)和电子(右)显微矿相不完全分割图；

图3是本发明实施例中铁酸钙和钙钛矿的矿相完全分割图；

图4是本发明实施例中碱性钒钛烧结矿局部三维显微矿相图；

图5是本发明实施例中钙钛矿(左)、气孔(中)和赤磁铁矿交织矿物(右)的局部三维透视图。

图6是本发明实施例中赤铁矿矿相的三维显微矿相剖视图和赤磁铁矿交织矿物的剖切透视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1

本发明实施例以碱性钒钛烧结矿为例，提供了一种基于特征融合的复杂烧结矿三维显微矿相的分析方法，包括如下步骤：

(1)在制好的烧结矿样品表面随机选取一个区域作为待分析面，基于待分析区域矿相结构特征和显微镜分辨率选择合适的放大倍数，所选放大倍数应不小于最小放大倍数。根据人眼能区分最小的光点距离和矿相尺寸，并利用公式对最小放大倍数进行计算，其中：若μ显>0.2mm，μ1指的是单个像素点的尺寸长度；若μ显<0.2mm，μ1指的是人眼极限识别光点点距；μ2为拟观察最小矿相尺寸，k1为协调常数。经计算最小放大倍数为200x，因此，光学显微镜选择693x拍摄所述待分析面，电子显微镜选择200x拍摄所述待分析面，可得到同尺度的烧结矿光学显微镜和电子显微镜显微图片，如图1所示，其中左图为光学显微镜所拍图片，右图为电子显微镜所拍图片，由图1可以看出，相同矿相在两种拍摄方式中呈现出的灰度不同，可以将两种显微镜所得图片进行融合分析。

(2)对步骤(1)中所拍摄的光学显微镜图片和电子显微镜图片进行多尺度滤波处理，基于矿相的灰度特征采用多阈值分割的方式，将光学显微镜图片和电子显微镜图片进行矿相分割，具体步骤是：

a.采用二维离散小波分解去除噪声及高频杂波；

b.利用小波逆变换重塑图像，加强图像的边缘信息；

c.根据灰度差异确定最佳阈值门限进行多阈值分割区别复杂矿相；

矿相分割所得的矿相不完全分割图，如图2所示，其中左图为光学显微矿相不完全分割图，右图为电子显微矿相不完全分割图，图中标记处为钙钛矿和铁酸钙相，由图2可以看出，在光学显微矿相分割图中均表现为深蓝色而无法识别分割的钙钛矿和铁酸钙在电子显微图片中能够被识别分割。

(3)采用改进的边缘检测算法将光学显微镜不完全分割图和电子显微镜不完全分割图进行配准融合，对步骤(2)得到的矿相不完全分割图中光学显微镜无法区分的钙钛矿和铁酸钙相，利用电子显微镜分割图加以补充区分，得到钙钛矿和铁酸钙的矿相完全分割图，如图3所示，其中左图为光学显微图片，中间图为电子显微图片，右图为融合后图片，右图中深蓝色部分表示铁酸钙，粉色部分表示钙钛矿，由图3可以看出，融合了电子显微镜图片后，原本在光学显微镜中因灰度相近无法区分的钙钛矿和铁酸钙可以被准确识别分割。

其中，所述改进的边缘检测算法是指根据光学显微镜和电子显微镜图像的小波变换域，得到图像边缘离散的局部极大值点，将其作为图像配准的特征点，连成极大值曲线，得到光镜和电镜图片的边缘轮廓，并利用边缘轮廓特征点进行光电镜图片的配准。

(4)利用人眼可识别的最小矿相或最小气孔的尺寸长度的1/2作为三维重建的固定层间距，所用钒钛烧结矿的最小气孔为5.3μm，则固定层间距取2.5μm。利用维氏硬度计不断测量来检测层间距是否满足要求，并以此确认合适的抛磨参数，使用自动抛光机按抛磨时间5min、压力3pa、抛光剂粒度为1.5μm进行逐层抛磨，并按照步骤(1)～(3)获得每层的矿相完全分割图，共获取50层，进行三维重建得到三维显微矿相图，如图4所示，图中浅蓝色部分代表赤铁矿，黄色部分代表磁铁矿，深蓝色部分代表铁酸钙，粉色部分代表钙钛矿，绿色部分代表硅酸盐，红色部分代表气孔。

其中，由维氏硬度计测量确认层间距δh的公式如下：

式中：x1为测得的维氏硬度计初始压痕的宽度；

x2为测得的烧结矿样品抛光一定厚度后压痕的宽度；

α为维氏硬度计压头角度。

(5)将步骤(4)得到的三维显微矿相图中局部的钙钛矿、气孔的不透明度依次设为1，对应其他矿物组织不透明度设为0，得到碱性钒钛烧结矿中钙钛矿和气孔的局部三维透视图；将三维显微矿相图中局部的赤铁矿和磁铁矿分别设置不透明度为0.5和1进行区分，其余矿物不透明度设为0，得到复杂烧结矿中赤磁铁矿交织矿物的三维透视图，如图5所示，图中从左至右依次为钙钛矿、气孔和赤磁铁矿交织矿物的局部三维透视图，由图5可以看出钙钛矿、气孔在复杂烧结矿内部的整体结构和结合状态以及赤磁铁矿交织矿物的交织结构。

(6)对步骤(4)得到的三维显微矿相图中的赤铁矿相建立坐标原点，从x轴、y轴、z轴以400、200、100像素点进行剖切处理，得到赤铁矿矿相的三维显微矿相剖视图，如图6(a)所示，由图可以清楚地观察到赤铁矿在各剖面的分布特征；对赤磁铁矿透视图中赤铁矿物进行半剖切处理，得到赤磁铁矿的剖切透视图，如图6(b)所示，由图可以观察到赤铁矿和磁铁矿的交织结构变化。

(7)对步骤(4)得到的三维显微矿相图中各矿相所占的像素点进行统计，得到复杂烧结矿中各三维矿相或气孔的体积占比，具体方法为：

假设一种复杂烧结矿的第i层的矿相完全分割图得到a1,a2,a3……an种矿相，基于像素统计得i层矿相总量为ti(i＝1,2……m)，设第i层矿相中的a1矿相含量为xi1，则i层a1矿相的面积分数为可得烧结矿区域内a1矿相的体积分数：

利用上述公式可将二维矿相面积分数转化为三维矿相体积分数，得到复杂烧结矿中任一矿相或气孔的体积占比。本实施例碱性钒钛烧结矿的各主要矿相(赤铁矿、磁铁矿、铁酸钙、硅酸盐、钙钛矿、气孔)在某界面的二维面积分数及三维矿相体积分数如表1所示：

表1碱性钒钛烧结矿的各主要矿相的二维面积分数及三维矿相体积分数

由表1可以看出，采用本发明提供的一种基于特征融合的复杂烧结矿三维显微矿相的分析方法可以准确区分并定量计算出烧结矿中各矿相及气孔的二维面积分数和三维体积分数。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。