[发明专利]多模态矿物分割系统和方法

说明书

公开一种用于矿物分割的多模态成像系统和方法。针对一种或多种模态，包括X射线和聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB‑SEM)模态，生成样品的图像数据集。然后使用能量分散X射线光谱(EDX)从图像数据集所覆盖的样品的至少一部分创建矿物图。将EDX矿物图作为掩模应用于图像数据集以识别和标记样品内的矿物区域。然后通过诸如Gabor滤波器的特征生成器从所标记的区域提取特征向量。最后，将机器学习训练和分类算法(如随机森林)应用于所提取的特征向量，以构建对样品内的矿物进行分类的样品的分割图像表示。

背景技术

二维(2D)和三维(3D)的各种成像模态已被用来识别和可视化岩石矿物含量。例如，这些成像模态可以从油和气的提取操作来分析岩石样品，以确定孔隙度和矿物质，从而模拟在勘探和生产操作期间获得的样品的流动和机械特性。通常，这些成像模态的特征在于破坏性和非破坏性技术。此外，一些模态仅分析表面特征，而其它模态可分析三维结构。

在典型的操作中，这些成像模态创建诸如3D体积或2D图像的图像数据集。然后，采用图像分析技术来从由不同成像模态创建的体积和图像推断矿物含量。

非破坏性成像系统包括X射线计算机断层摄影(CT)显微镜和扫描电子显微镜(SEM)系统。这些系统提供可视化样品中的诸如孔隙、有机物和矿物质的特征的能力。

X射线CT显微镜系统用X射线(通常在1至几百keV的范围内)照射样品。以多个角度收集2D投影图像，并从投影重建样品的3D体积。尽管CT强度与矿物密度相关，但在X射线CT显微镜系统上没有直接的矿物识别方法。

SEM系统反而用通常在500eV和30keV之间的高能电子束照射样品表面。由电子-样品相互作用得到的信号用于构建样品表面的高分辨率2D图像。这使得SEM能够以诸如背散射电子(BSE)、二次电子(SE)、能量分散X射线(EDX)和阴极发光(CL)模式的多种模式同时操作。EDX通常是SEM上的主要系统，其提供能够实现样品表面的2D矿物测绘的定量矿物信息。

破坏性成像系统包括聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)系统。FIB-SEM是集成离子束和电子束系统的多束系统。FIB系统用诸如镓的源材料的聚焦大电流离子束照射样品，以高精度研磨样品表面。然后使用集成的SEM系统以高分辨率成像研磨的表面。重复FIB研磨和SEM成像过程，直到采样到期望的体积。堆叠来自每个切片的SEM图像以构建样品的研磨区域的3D体积。

目前的一种成像分析技术通过分析从X射线成像系统创建的样品的体积图像数据集来创建样品的3D矿物图。然后定义样品的总矿物含量，并且针对所定义的矿物计算X射线衰减系数。然后，该技术通过识别与计算的X射线衰减系数相对应的图像中的特征灰度级来分割灰度3D图像。

另一种成像分析技术采用3D X-射线断层摄影体积图像数据集的多相位分割。处理3D X-射线断层摄影体积以获得标准化的强度灰度图像，然后将其分割成至少3个相位。分割步骤包括计算标准化强度图像的中值/均值滤波梯度图像，根据中值/均值滤波梯度图像和标准化的强度图像创建强度-梯度图，将强度-梯度图划分成至少3个区域，以及使用阈值定义区域以分割标准化的灰度图像，从而创建分割的图像。然后，计算分割的相位的体积分数和空间分布，并与目标值进行比较。

发明内容

目前的成像和矿物分配技术具有局限性。例如，与3D矿物图的创建相关联的技术不能区分具有重叠CT值的矿物。当颗粒群包含平均原子序数非常接近的矿物时，就会发生这种情况。此外，该技术可以将错误的矿物质分配给位于图像内的区域的边缘或边界上的体素/像素。另一方面，多相位分割方法可能是复杂的、计算密集的，并且存在与3D矿物图成像分析技术相同的问题。