本發(fā)明涉及圖像數(shù)據(jù)處理，屬于“圖像的增強(qiáng)或復(fù)原”，具體涉及一種基于人工智能的多物理場監(jiān)測ct金屬偽影壓制方法。

背景技術(shù)：

1、水力壓裂技術(shù)是將高壓流體注入頁巖儲層產(chǎn)生復(fù)雜的人工裂縫，可以增加儲層的連通性并提高單井產(chǎn)量。對水力壓裂儲層改造的不同階段進(jìn)行監(jiān)測和評估，是實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)、安全生產(chǎn)的前提。然而，水力壓裂現(xiàn)場監(jiān)測中，野外井場條件復(fù)雜，觀測系統(tǒng)布置范圍有限，并且無法獲得準(zhǔn)確的實(shí)際工區(qū)背景資料（速度結(jié)構(gòu)、巖石力學(xué)參數(shù)等），同時(shí)實(shí)際操作存在較多的不可控因素，因而很難通過現(xiàn)場的監(jiān)測來驗(yàn)證水力壓裂過程中裂縫反演結(jié)果的正確性。

2、實(shí)驗(yàn)室的巖石物理水力壓裂實(shí)驗(yàn)可以提供穩(wěn)定可控的應(yīng)力加載條件和信號測量條件，能夠較準(zhǔn)確的獲得巖樣的各種屬性參數(shù)，進(jìn)而可以對水力壓裂中巖石的變化過程進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，進(jìn)一步為實(shí)際水力壓裂提供指導(dǎo)和幫助。

3、室內(nèi)巖石物理水力壓裂實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行多物理場監(jiān)測（超聲、聲發(fā)射、ct）。在實(shí)驗(yàn)室?guī)r石物理試驗(yàn)中，可以同時(shí)進(jìn)行ct、超聲和聲發(fā)射等多物理場監(jiān)測。電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed?tomography，ct）是通過無損方式獲取被測物體信息的一種影像技術(shù)；ct成像使用激發(fā)的x射線束對巖樣進(jìn)行層析掃描，可獲得巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的介質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。主動源超聲使用壓電陶瓷傳感器（pzt）激發(fā)地震波，地震波在巖石樣品內(nèi)傳播，通過反演接收的地震波可以獲得巖樣內(nèi)部的速度等介質(zhì)信息。被動源聲發(fā)射使用壓電陶瓷傳感器連續(xù)被動采集巖石內(nèi)部破壞產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，通過聲發(fā)射信號分析可以獲得巖石內(nèi)部破裂相關(guān)的震源參數(shù)信息。這些監(jiān)測中，壓電陶瓷傳感器安裝在巖石表面，按照一定方式組成檢波器陣列。這些pzt傳感器通過快速自動開關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)pzt接收與發(fā)射功能的切換，既可以被動采集聲發(fā)射信號，也可以主動激發(fā)超聲信號。

4、然而，在多物理場監(jiān)測時(shí)存在ct偽影問題，ct設(shè)備的成像過程如下：x射線球管繞著物體（待測物體）做圓周運(yùn)動，運(yùn)動到不同角度時(shí)進(jìn)行曝光，x光球管發(fā)出x射線，x射線經(jīng)過物體吸收后衰減，剩余的x射線到達(dá)探測器，探測器將接收的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)化為電信號。探測器上所有單元接收到的信號組成投影數(shù)據(jù)（投影圖像）。投影數(shù)據(jù)通過圖像重建算法生成最終的ct圖像。業(yè)界最常用的重建算法為濾波反投影算法，該算法的特點(diǎn)是在反投影前將每一個采集投影角度下的投影進(jìn)行卷積處理、濾波處理，補(bǔ)償高頻分量，從而改善直接反投影之后重建圖像模糊的問題，重建的圖像質(zhì)量較好。

5、當(dāng)ct成像視野范圍內(nèi)存在高密度的物體（例如金屬）時(shí)，重建圖像內(nèi)會出現(xiàn)條紋狀和帶狀的黑白相間的偽影。金屬偽影的成因主要是：x射束硬化、散射效應(yīng)、光子完全衰減和金屬的部分容積效應(yīng)。其中射束硬化是金屬偽影的最主要成因。x光球管產(chǎn)生的x射線具有一定頻譜寬度，即包含不同能量高低的x射線。當(dāng)多能的x射線穿過物體后，低能量射線易被吸收，高能量射線較易穿過，接收到的射線的平均能量會變高，射線逐漸變硬，稱之為射束硬化效應(yīng)。當(dāng)x射線遇到密度非常高的物質(zhì)（金屬）時(shí)，射束硬化的現(xiàn)象會加劇，采集到的投影數(shù)據(jù)在金屬區(qū)域和非金屬區(qū)域劇烈變化，重建后的ct圖像出現(xiàn)金屬偽影。

6、相比于巖石樣品，pzt傳感器的密度較高，接近于金屬，因而在ct采集過程中，會產(chǎn)生較強(qiáng)的“金屬偽影”。這種偽影嚴(yán)重干擾了對巖樣內(nèi)部圖像的判斷，降低了多物理場監(jiān)測的研究價(jià)值。

7、目前相關(guān)金屬偽影壓制技術(shù)主要有下面幾種方法：（1）投影域插值算法。投影域線性插值法基于人體（以人體為例）相鄰組織的線性衰減系數(shù)相似提出，即用金屬軌跡附近的值線性插值來填補(bǔ)金屬軌跡。投影域插值法通過填充金屬投影軌跡，能夠有效地糾正大多數(shù)金屬偽影。然而，由于金屬分割精度的不穩(wěn)定性以及在金屬植入物軌跡邊緣處數(shù)據(jù)的突變，容易引發(fā)二次偽影的問題，這同樣降低了重建圖像的質(zhì)量。（2）迭代重建算法。該方法從一張初始圖像開始，通過不斷縮小實(shí)際投影值與理論投影值之間的誤差，以迭代更新重建圖像。迭代重建法主要使用正弦圖中未缺失的投影數(shù)據(jù)來重建圖像，在足夠多次的迭代更新后重建出無偽影ct圖像。由于其算法步驟繁雜和計(jì)算量繁巨，迭代算法計(jì)算時(shí)間通常很長。（3）深度學(xué)習(xí)算法。深度學(xué)習(xí)算法主要包括特征學(xué)習(xí)、映射關(guān)系建立和模型訓(xùn)練等關(guān)鍵步驟。該方法通過自動從數(shù)據(jù)庫中學(xué)習(xí)潛在的特征模式，并通過訓(xùn)練建立從含偽影圖像到不含偽影圖像的映射關(guān)系，進(jìn)而去除偽影?？梢苑譃橛斜O(jiān)督、無監(jiān)督和半監(jiān)督方法?；谏疃葘W(xué)習(xí)的mar（metal?artifact?reduction，金屬偽影抑制）方法主要分為三類：弦圖增強(qiáng)，ct圖像增強(qiáng)，以及弦圖-ct圖像聯(lián)合對偶增強(qiáng)。其中，基于弦圖和ct圖像的聯(lián)合對偶增強(qiáng)方法，如基于展開（unfolding）思想的去偽影方法，雖然取得了性能提升，但由于其采用的優(yōu)化算法及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，去偽影效果仍然不理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于至少部分地克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于人工智能的多物理場監(jiān)測ct金屬偽影壓制方法。

2、本發(fā)明的目的還在于提供一種基于人工智能的多物理場監(jiān)測ct金屬偽影壓制方法，有效解決室內(nèi)巖石物理水力壓裂實(shí)驗(yàn)中、在多物理場監(jiān)測時(shí)存在的ct偽影問題。

3、本發(fā)明的目的還在于提供一種基于人工智能的多物理場監(jiān)測ct金屬偽影壓制方法，提高圖像質(zhì)量。

4、為達(dá)到上述目的或目的之一，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

5、一種基于人工智能的多物理場監(jiān)測ct金屬偽影壓制方法，所述方法包括：

6、進(jìn)行室內(nèi)巖石物理水力壓裂實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行多物理場監(jiān)測；

7、構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)集：數(shù)據(jù)集包括不含壓電陶瓷傳感器金屬偽影的ct數(shù)據(jù)、包含壓電陶瓷傳感器金屬偽影的ct數(shù)據(jù)、壓電陶瓷傳感器位置圖，三者匹配對應(yīng)，形成一個數(shù)據(jù)體，所有數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)體形式存在；數(shù)據(jù)集由真實(shí)巖樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及模擬合成數(shù)據(jù)構(gòu)成；對數(shù)據(jù)進(jìn)行增廣，以提升數(shù)據(jù)集的普適性；對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行相同步驟的預(yù)處理；

8、構(gòu)建基于雙域三通道的偽影壓制模塊，所述偽影壓制模塊使用圖像域和弦圖域兩種域信息，第一通道構(gòu)建為基于圖像域的unet型子模塊，用于獲得壓電陶瓷傳感器的位置信息，同時(shí)為偽影壓制提供約束，第二通道為圖像域和弦圖域聯(lián)合對偶增強(qiáng)的unet型子模塊，用于壓制壓電陶瓷傳感器帶來的金屬偽影影響，第三通道為弦圖域通道；第一通道的unet型子模塊使用跳層連接，第一通道的unet型子模塊與第二通道的unet型子模塊通過交叉的空間注意力機(jī)制進(jìn)行壓電陶瓷傳感器信息共享以為偽影壓制過程提供信息約束；

9、使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集訓(xùn)練檢測網(wǎng)絡(luò)；

10、對所有實(shí)際監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相同步驟的預(yù)處理，將預(yù)處理后的包含壓電陶瓷傳感器金屬偽影的ct數(shù)據(jù)輸入偽影壓制模塊，獲得相對應(yīng)的去除壓電陶瓷傳感器金屬偽影的ct數(shù)據(jù)和壓電陶瓷傳感器位置圖；

11、更新數(shù)據(jù)集和偽影壓制模塊。

12、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述“進(jìn)行室內(nèi)巖石物理水力壓裂實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行多物理場監(jiān)測”包括：

13、根據(jù)研究目的采樣不同規(guī)格的巖石樣品，使用預(yù)制的橡膠套覆蓋巖石樣品，橡膠套上設(shè)置有多個探頭孔，孔內(nèi)未粘貼壓電陶瓷傳感器；

14、使用室內(nèi)水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置對未粘貼壓電陶瓷傳感器的巖石樣品采集一次ct數(shù)據(jù)，該ct數(shù)據(jù)不包含壓電陶瓷傳感器金屬偽影，作為第一階段ct數(shù)據(jù)；

15、將壓電陶瓷傳感器置于探頭孔中，并將壓電陶瓷傳感器粘合到巖石樣品的表面；

16、使用室內(nèi)水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置對粘貼有壓電陶瓷傳感器的巖石樣品采集一次ct數(shù)據(jù)，并利用ct數(shù)據(jù)標(biāo)定壓電陶瓷傳感器的空間位置，該ct數(shù)據(jù)包含壓電陶瓷傳感器金屬偽影，作為第二階段ct數(shù)據(jù)；

17、采用不同的加載策略對巖石樣品進(jìn)行加壓，加壓階段包括各向同性加載階段、增加軸壓階段、注水增加孔隙壓力階段、壓力卸載階段；在注水增加孔隙壓力階段，按照設(shè)定時(shí)間采集若干次ct數(shù)據(jù)，該ct數(shù)據(jù)包含壓電陶瓷傳感器金屬偽影，作為第三階段ct數(shù)據(jù)；在壓力卸載階段，采集一次ct數(shù)據(jù)，該ct數(shù)據(jù)包含壓電陶瓷傳感器金屬偽影，作為第四階段ct數(shù)據(jù)；然后，摘除巖石樣品外的壓電陶瓷傳感器，再次采集一次ct數(shù)據(jù)，該ct數(shù)據(jù)不包含壓電陶瓷傳感器金屬偽影，作為第五階段ct數(shù)據(jù)；

18、對所有采集的ct數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

19、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，巖石樣品的規(guī)格為：直徑為50mm，長度為125mm，圓柱體；

20、巖石樣品包括普通巖樣和干擾巖樣兩種類型；

21、其中，普通巖樣類型包括：砂巖、頁巖兩類巖石；按是否含有層理以及層理方向分為5類，分別為層理方向?yàn)?±20°、45±20°、90±20°、135±20°、均勻介質(zhì)不含層理；按軸壓強(qiáng)度分為2類，分別為50±10mpa、90±10mpa；每一類分別選取5個巖樣，共100個巖樣；

22、其中，干擾巖樣類型包括砂巖、頁巖兩類巖石，為均勻介質(zhì)不含層理，并且?guī)r樣中包括沉積物，每一類選取5個巖樣，共10個巖樣。

23、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，真實(shí)巖樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的生成包括：

24、使用普通巖樣和干擾巖樣，采集所述第一階段ct數(shù)據(jù)、第二階段ct數(shù)據(jù)、第四階段ct數(shù)據(jù)和第五階段ct數(shù)據(jù)，構(gòu)成總數(shù)據(jù)集。

25、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在“使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集訓(xùn)練檢測網(wǎng)絡(luò)”步驟中，將數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集與測試集，比例為8：2；偽影壓制模塊采用隨機(jī)梯度下降優(yōu)化方法，設(shè)置動態(tài)學(xué)習(xí)率，初始值設(shè)置為0.0001，每50次降低一半，批處理量設(shè)置為40，迭代次數(shù)為200；偽影壓制模塊的訓(xùn)練是在gpu圖像處理單元上進(jìn)行的。

26、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，當(dāng)觸發(fā)下述任意條件時(shí)，將包含壓電陶瓷傳感器金屬偽影的ct數(shù)據(jù)、不含壓電陶瓷傳感器金屬偽影的ct數(shù)據(jù)、以及提取的壓電陶瓷傳感器位置圖作為數(shù)據(jù)體更新到訓(xùn)練數(shù)據(jù)集：

27、當(dāng)前第n次含偽影圖像與第n-1次含偽影圖像進(jìn)行圖像相似度分析，獲得相鄰兩次含偽影圖像的圖像相似度，該值大于5%時(shí)；或

28、當(dāng)前第n次去除偽影圖像與第n-1次去除偽影圖像進(jìn)行圖像相似度分析，獲得相鄰兩次去除偽影圖像的圖像相似度，該值大于5%時(shí)；或

29、當(dāng)前第n次壓電陶瓷傳感器位置圖與第n-1次壓電陶瓷傳感器位置圖進(jìn)行圖像相似度分析，獲得相鄰兩次電陶瓷傳感器位置的圖像相似度，該值大于3%時(shí)。

30、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，當(dāng)滿足下述條件時(shí)，觸發(fā)偽影壓制模塊的更新：

31、實(shí)驗(yàn)開始后，累積的更新數(shù)據(jù)體數(shù)量大于5；或

32、第和圖的相似度差異值大于10%。

33、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，橡膠套上的探頭孔的位置為：沿巖石樣品周向的0°、90°、180°和270°布設(shè)四列，每列上均勻設(shè)置多個探頭孔，四列探頭孔中的每兩列探頭孔內(nèi)的壓電陶瓷傳感器的高度不同，使得四列壓電陶瓷傳感器不同時(shí)出現(xiàn)在同一高度。

34、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，室內(nèi)水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置包括壓力容器、加載系統(tǒng)、聲發(fā)射記數(shù)及波形采集系統(tǒng)、和ct監(jiān)測系統(tǒng)。

35、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在采用不同的加載策略對巖石樣品進(jìn)行加壓的過程中，按照設(shè)定時(shí)間采集主動源超聲數(shù)據(jù)，在進(jìn)行主動源超聲監(jiān)測時(shí)，部分壓電陶瓷傳感器作為發(fā)射探頭，激發(fā)超聲信號，剩余壓電陶瓷傳感器作為接收探頭，接收超聲信號；

36、在采用不同的加載策略對巖石樣品進(jìn)行加壓的過程中，壓電陶瓷傳感器除主動源超聲采集時(shí)作為發(fā)射探頭和接收探頭使用外，其余時(shí)間均作為接收探頭接收巖石樣品變化產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。

37、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，ct數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理包括：ct成像、壓電陶瓷傳感器金屬偽影壓制、與聲發(fā)射結(jié)果聯(lián)合分析。

38、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，聲發(fā)射數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理包括：有效事件拾取，初至拾取，震源定位，震源機(jī)制分析，震級計(jì)算，應(yīng)力場分析。

39、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，超聲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理包括：超聲事件的識別，超聲初至拾取，速度反演分析。

40、本發(fā)明的基于人工智能的多物理場監(jiān)測ct金屬偽影壓制方法利用自適應(yīng)的ai網(wǎng)絡(luò)更新機(jī)制，動態(tài)壓制ct圖像含有的pzt金屬偽影，提升ct圖像分析的準(zhǔn)確性。