三维ct岩心图像超分辨率重建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及CT超分辨率图像重建技术领域，特别涉及一种三维CT岩心图像超分 辨率重建方法。
【背景技术】
[0002] 在石油地质科学中，具有储存和渗滤流体能力的岩石称为储集岩。储集岩孔隙性 的好坏直接决定岩层储存油气的数量，渗透性的好坏控制了储集岩层内所含油气的产能。 因此，在孔隙级别上研究岩石的渗流特性，对油气开采具有重要意义。而建立数字岩心则 是开展上述研究工作的基础和关键。在开展石油地质分析研究工作中，CT扫描成像技术 (Computed Tomography，电子计算机X射线断层扫描技术）得到了越来越广泛的应用，为了 分析演示岩石孔隙和颗粒结构，得到岩层连通性、渗透率和形状等微观信息，通常采用对岩 石进行CT扫描得到二维序列图，再根据二维序列图进行相应目标（孔隙和颗粒）分割提 取，然后重建岩石的三维立体模型，对石油地质进行分析。
[0003] 采用电子计算机X射线断层扫描成像技术对石油地质进行分析，为了得到准确的 石油地质情况，需要获取高分辨率的岩心试样的孔隙结构图像。在采用CT扫描岩心试样 时，为了使得到的电子计算机X射线断层扫描成像具有更高的分辨率，通常需要缩小CT扫 描视场，甚至在原有岩心上取小样进行CT扫描。但这种以牺牲扫描式样尺寸获取到的高 分辨率三维岩心图像，由于其尺寸的限制，只能得到小尺寸岩心试样的CT扫描三维图像， 图像所显示的岩心试样孔隙结构，只能是岩心试样局部的孔隙结构，所获得的岩心特性不 能表明岩心试样的整体特性，缺乏全局代表性，很难由此对石油地质情况作出准确分析。因 此，为了得到岩心试样全面的孔隙结构，准确地分析石油地质情况，需要获取大尺寸岩心试 样的整体结构图像。要获取大尺寸岩心试样的整体结构的图像，则需要对大尺寸的岩心试 样进行扫描，但基于CT扫描原理和现有技术的图像扫描设备自身的限制，对大尺寸岩心试 样扫描的三维CT图像分辨率会相应的降低。因此，现有技术的岩心试样CT三维图像存在图 像分辨率与岩心试样尺寸相矛盾的问题，即小尺寸岩心试样的CT扫描三维图像分辨率高， 但缺乏全局代表性；大尺寸岩心试样三维CT图像整体性好，但三维图像分辨率低。因此，如 何解决这一问题，是所属领域科技工作者面临急待解决的问题。为此，国家设立专门的基 金项目，以求解决该问题。本发明正是受国家自然科学基金项目《岩石微观非均质结构三维 图像重建及分辨率提升技术研究》(61372174)资助完成的。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的岩心试样CT三维图像重建技术不足，本发明的目的旨在提供一 种新的三维CT岩心图像超分辨率重建方法，以解决现有技术的岩心试样CT三维图像重建 存在的图像分辨率与岩心试样尺寸相矛盾的问题，提升岩心试样CT三维图像的分辨率。
[0005] 本发明为了解决分辨率和试样尺寸之间的矛盾，提出了利用超分辨率算法对三维 CT图像进行超分辨率重建的方法，在不缩小岩石试样尺寸的情况下，利用现有CT图像进行 超分辨率重建，达到分辨率提升的效果，得到更清晰的岩心结构。
[0006] 本发明的上述目的可通过下述三维CT岩心图像超分辨率重建方法来实现，其技 术方案的构成主要包括以下步骤：
[0007] (1)对输入计算机的CT扫描岩心试样三维图像进行下采样，并对下采样后的三维 图像进行高斯模糊，得到退化后三维图像；
[0008] (2)对退化后的三维图像进行分解，提取分解后小区块特征，得到特征块2 ;
[0009] (3)根据稀疏表示原理，对提取到的特征块2应用正交匹配跟踪算法及KSVD算法 进行字典训练得到低分辨字典D 1及稀疏系数α ;
[0010] (4)对输入的CT扫描岩心试样三维图像进行分解，提取分解后的小区块特征，得 到特征块1 ;
[0011] (5)根据所述特征块1及所述稀疏系数α，求得输入的CT扫描岩心试样三维图像 的高分辨率字典Dh;
[0012] (6)根据所述特征块1及所述低分辨率字典D1，求得新稀疏系数β ;
[0013] (7)根据所述高分辨率字典Dh及所述新稀疏系数β，求得高分辨率三维图像块；
[0014] (8)用插值算法将CT扫描岩心试样的三维图像进行上采样，得到放大的三维图 像；
[0015] (9)将求得的高分辨率三维图像块填充到放大的三维图像中，以恢复重建结构中 缺失的特征信息，得到放大后的岩心试样三维模型。
[0016] 本发明进一步的三维CT岩心图像超分辨率重建方法，与上述方法的不同之处在 于：用小尺寸岩样的高分辨率三维图像来获取超分辨率重建的先验知识，建立相应的高分 辨率字典和低分辨率字典，将该高低分辨率字典应用于同类型岩心的大尺寸岩样的低分辨 率三维岩心图像，以提高大尺寸岩样低分辨率三维岩心图像的分辨率，其具体技术方案的 构成主要包括以下步骤：
[0017] (1)对输入计算机的CT扫描小尺寸岩心试样三维图像进行下采样，并对下采样后 的三维图像进行高斯模糊，得到退化后三维图像；
[0018] (2)对退化后的三维图像进行分解，提取分解后小区块特征，得到特征块2，
[0019] (3)根据稀疏表示原理，对步骤（2)提取到的特征应用正交匹配跟踪算法及KSVD 算法进行字典训练得到低分辨字典D1及稀疏系数α ;
[0020] (4)对输入的小尺寸岩心试样CT扫描三维图像进行分解，提取分解后的小区块特 征，得到特征块1 ;
[0021] (5)根据所述特征块1及所述稀疏系数α，求得CT扫描的小尺寸岩心试样三维图 像的高分辨率字典D h;
[0022] (6)对输入的与小尺寸岩心试样同类型的大尺寸岩心试样的CT扫描三维图像进 行分解，提取分解后的小区块特征，得到大尺寸岩心试样的特征块1 ;
[0023] (7)根据所述大尺寸岩心试样的特征块1及所述低分辨率字典D1，求得新稀疏系 数β ;
[0024] (8)根据所述高分辨率字典Dh及所述新稀疏系数β，求得大尺寸岩心试样的高分 辨率三维图像块；
[0025] (9)用插值算法将大尺寸岩心试样的CT扫描三维图像进行上采样，得到其放大的 三维图像；
[0026] (10)将所述高分辨率三维图像块填充到所谓放大的三维图像中，以恢复重建结构 中缺失的特征信息，得到大尺寸岩心试样放大后的三维模型。
[0027] 在本发明的上述技术方案中，为了取得更好的效果，最好在所述高分辨率三维图 像块填充到放大的三维图像中后，使用反向投影算法，对恢复后的重建结构进行灰度修正， 得到放大后的三维模型。
[0028] 在本发明的上述技术方案中，三维图像的分解优先选用按照2x2x2或3x3x3或 4x4x4像素大小进行分解。
[0029] 在本发明的上述技术方案中，提取分解后的小区块特征，包括小区块的边缘信息 和高频分量信息等特征。所述特征块2的特征提取，最好采用一阶、二阶梯度滤波、联合拉 普拉斯模板和三维拉普拉斯高斯滤波器进行提取。所述特征块1的特征提取，最好先将模 型下采样，然后进行三次插值放大得到低频分量模型，再用原始结构信息减去低频分量信 息，得到特征块1。
[0030] 在本发明的上述技术方案中，最好采用三次插值算法将CT扫描岩心试样的三维 图像进行下采样和上采样，得到缩小和放大的三维图像。
[0031] 本发明提出的三维CT岩心图像超分辨率重建方法的原理：
[0032] 根据通用的成像模型，观测的低分辨率图像序列是理想清晰图像的变形、模