王浩 張立海 姜愛玲 田榮軍
(國土資源部實物地質資料中心，北京 101149)
摘要 巖心圖像采集是指利用線陣CCD采集技術和圖像處理技術采集巖心外表面圖像信息。本文論述了機電壹體化圖像采集儀工作原理、圖像采集處理及巖心圖像采集實踐應用情況。
關鍵詞 巖心；圖像；采集；應用
壹、前言
巖心蘊含著地質勘探開發工作中最關鍵、最直觀的地質信息，也是地質分析數據和地球物理勘探的物理參數的最重要來源。但在地質工作中，對巖心的觀察和采樣會造成巖心的破碎或缺失；另外在巖心的保存過程中，由於日深年久也不可避免地會造成巖心的風化和破損。這些都可造成巖心地質信息的丟失，給以後的巖心再利用和地質研究工作帶來不良影響。
基於上述問題，利用光學技術和圖像處理技術進行巖心圖像數字化采集，實現巖心圖像資料的永久保存是實物資料保管的重要任務。實物地質資料中心利用巖心圖像采集設備實現了巖心圖像平動掃描和滾動掃描，形成巖心數字化掃描圖像，提高了實物保護能力，並使巖心等實物的服務範圍更加廣泛。
二、巖心圖像采集工作原理及系統介紹
巖心圖像數字化工作是通過機電壹體化的圖像采集控制系統由線陣CCD構成的數字圖像采集系統和巖心掃描機械裝置對巖心進行連續的掃描，數字圖像采集系統將模擬的巖心表面圖像信息轉化為數字圖像信息通過高速USB接口傳送並存儲在計算機中(圖1)。
巖心圖像掃描控制系統和線陣CCD數字圖像采集系統是巖心圖像數字掃描儀最重要的兩個核心模塊。
圖1 系統基本結構圖
1.巖心圖像采集控制系統
巖心圖像采集控制系統采用嵌入式機電控制系統設計。使用多單片機集成電路板來分別控制平動、滾動、光檢測及照明等相關功能。它包括平動掃描控制部分和滾動掃描控制部分。
由於巖心圖像采集具有實時性高、多電機聯合工作等特點。巖心圖像采集控制系統采用多單片機系統分別使用三片單片機對平動電機、滾動電機和光檢測擋板電機進行控制。單片機控制系統屬於從機設備，采用中斷控制方式通過UART串行口與PC 主機進行通信。通過PC主機對單片機的控制實現對多個電機的分別控制。單片機程序使用匯編語言編寫，具有代碼簡潔、可控制性高、程序穩定等優點。
單片機程序在通電啟動後立即進入初始化程序，在初始化程序中清空程序存儲單元內容，並設定波特率等固定參數，最後開啟串口並進入循環等待PC主機通過串口下達指令。在接收到所有PC機輸入的控制信息後，如果檢驗信息正確，則開始根據控制信息設定片內定時器的參數並開啟片內定時器，通過片內定時器產生步進電機的控制波形，達到機電壹體化控制的目的。在所有程序運行過程中還實時檢測行程開關信號來保證電機的正常運行。
(1)巖心滾動掃描控制
滾動掃描采集巖心表面圖像時，步進電機經皮帶驅動A輥和B輥同步轉動，兩輥的轉動通過摩擦力帶動巖心同步轉動(圖2)。A、B 兩根輥與巖心之間沒有相對滑動，所以采集頭在給定分辨率的情況下所要求的巖心表面轉動速度是壹定的，它和膠輥表面的轉動速度相等，由輥的直徑和減速器的傳動比可算出步進電機所需的轉速。長距離滾動掃描圖像由多幅滾動掃描圖像拼接而成，滾動掃描控制過程見圖3。
圖2 巖心滾動掃描時A、B膠輥與巖心放置位置示意圖
圖3 滾動掃描控制框圖
值得註意的是：①巖心的直徑不同並不影響步進電機的轉速，因為輥與巖心之間沒有相對滑動，采集頭所要求的速度實際上就是輥表面的速度，當巖心直徑變化時需要做的只是適當調整A、B輥的中心距；②因為巖心的直徑有多種規格，所以要精確控制電機的步數也就是控制巖心轉過的角度比較困難，用戶通過采集預覽窗口觀察所采集到的圖像，只要圖像有重復部分就說明巖心已轉過了360°，巖心圖像錄入軟件，可以自動裁剪掉多余的部分。
(2)巖心平動掃描控制
平動掃描采集巖心圖像時，輥不轉動，巖心也就不動，而此時采集頭沿著巖心軸線方向以與當前分辨率相匹配的速度移動，自然也就實現了圖像的采集過程。采集頭通過壹系列保障機構安裝在滑道上，然後由絲桿驅動著左右移動，絲桿則是由另外壹個步進電機控制運動。
2.線陣CCD數字圖像采集系統
CCD器件的主要功能是把二維光學圖像信號轉變成壹維視頻信號輸出，它的突出特點是以電荷作為信號，而不同於其他大多數器件是以電流或者電壓為信號。壹般分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。CCD的基本功能是信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測。其中光電荷的產生是CCD的首要功能，其作用是當光入射到CCD的光敏面時，產生與入射的光譜輻量度成線性關系的光電荷，入射光越強，通過電荷積分所得到的光電荷量越大。產生的光電荷被儲存在構成CCD的基本單元MOS(金屬—氧化物—半導體)結構中。當完成對光敏元陣列的掃描後，CCD將光電荷從光敏區域轉移至屏蔽存儲區域，而後，光電荷被按順序轉移至讀出寄存器。在光電荷轉移通道的末端，CCD再將電荷信號轉換為電壓或電流信號輸出，也稱為光電荷的檢測。目前CCD的輸出方式主要有電流輸出、浮置擴散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。巖心圖像采集系統應用的是線陣CCD，48位彩色，1200dpi USB圖像掃描芯片。
線陣CCD數字圖像采集系統最後將處理後的圖像信息通過符合USB2.0協議接口芯片，使用USB數據線傳輸給PC機。
三、巖心圖像采集實踐應用
國土資源部實物地質資料中心承擔國家級實物地質資料收集、保管、利用服務等工作。2005年7月開始使用CISS巖心圖像采集儀進行巖心圖像采集工作。該巖心掃描成像系統主要具備如下功能：①采集150dpi～1200dpi分辨率的巖心外表面白光平動掃描圖像和360°外表面滾動掃描圖像，破碎巖心在巖心盒中掃描整盒巖心；②進行圖像拼接校正，對平動掃描圖像、滾動掃描圖像以及掃描的各種不規則的圖像進行無縫拼接，並對掃描的圖像進行增強、旋轉、色彩校正、近大遠小桶形校正、矩形校正、對齊拼接；③巖心圖像錄入數據庫，實現圖文數據的數據庫管理，並可按井號、層位、深度、巖心盒號等條件查詢圖像；④裂縫分析系統能夠定量地統計裂縫的各種參數，並做出相應的玫瑰圖、直方圖等；⑤沈積巖知識庫系統，以數據字典的形式把各種典型的沈積巖的信息以圖文的形式存儲起來，以供科研技術人員參考。
通過巖心圖像采集數字化改變了以前用戶只能看到人工純文字描述巖心地質特征的狀況，通過互聯網用戶可方便快捷地***享巖心圖像顯示的地質信息，並可同時對照文字描述的地質特征。利用巖心圖像采集系統已經掃描5個鉆孔2600余米巖心，並將在近期內提供社會***享與服務。
四、結語
今後壹段時期，實物地質資料中心將通過對實物地質資料管理和地質礦產勘查等部門的進壹步廣泛調研，提出實物地質資料管理和地質礦產勘查工作對巖心圖像采集和圖像管理系統的最新需求，開發研制壹套具有地質調查、礦產勘查特點的、適合實物地質資料管理的巖心圖像采集和圖像管理系統，並進行巖心圖像信息庫建設示範，為全面開展巖心圖像采集和圖像管理工作提供技術保障和工作平臺，為實現實物地質資料信息***享提供基礎。並通過國土資源等部門的深入研究與應用以及和圖像信息研究單位的技術溝通與合作，使巖心圖像采集和圖像管理系統更加突出適合地質調查工作應用，而且功能將更加強大、優良。
Rock Core Image Processing Principles ＆ Application in Practice
Hao Wang，Lihai Zhang，Ailing Jiang，Rongjun Tian
(National Geologicalsample Center，ministry of Land and Resources，Beijing 101149)
Abstract Rock core image collection is a process of using linear CCD image collectiontechniques and image processing techniques to collect the image information of the rocksurface.This paper introduces the operation principles of electromechanical integration image acquisition apparatus，and the practical applicationsituation of coresurface image collection and process.
Key words core；image；acquisition process；application