一种高纯石英砂颗粒内包裹体识别与面积占比计算方法

本发明涉及矿物显微图像分析，尤其涉及一种高纯石英砂颗粒内包裹体识别与面积占比计算方法。

背景技术：

1、高纯石英砂是半导体、光伏、光纤通信、特种玻璃和高端光学器件等领域的重要基础材料。高纯石英砂的品质不仅与二氧化硅纯度有关，还与石英砂颗粒内部包裹体的数量、面积、粒径和空间分布密切相关。包裹体面积及其占颗粒完整投影面积的比例，能够体现包裹体在颗粒二维显微图像中的占据程度。在包裹体数量相同的情况下，包裹体面积或面积占比的差异意味着包裹体对颗粒内部空间的占据程度不同。因此，包裹体面积及其面积占比可作为以单个石英颗粒为对象的包裹体定量评价的重要指标，用于比较不同颗粒或不同样品的包裹体分布情况。从工业应用角度看，对于含流体的包裹体，在高温熔化等受热条件下，其内部流体可能发生膨胀，进而可能使石英制品内部产生气泡或细小裂纹，对石英玻璃的机械强度和光学均匀性造成不利影响。

2、现有高纯石英砂颗粒内包裹体检测方式主要依赖人工显微镜观察或传统图像处理方法。人工观察方法主观性强、效率低，检测结果受操作人员经验影响较大；传统图像处理方法通常依赖阈值分割、边缘检测或简单形态学处理，在石英砂颗粒纹理复杂、包裹体尺寸极小、对比度较低的情况下，容易出现漏检和误检。现有评价通常侧重于包裹体是否存在或包裹体数量，难以区分数量相同但包裹体面积明显不同的颗粒，也难以通过颗粒面积归一化获得可比较的面积占比，因而难以满足以单个石英颗粒为对象的定量质量评价需求。

3、近年来，深度学习方法逐渐用于矿物图像识别和分割。例如，部分方法采用目标检测、语义分割或实例分割等方式对石英区域或包裹体区域进行识别。然而，现有方法仍存在以下不足：

4、第一，包裹体在显微图像中尺寸极小，部分包裹体仅占几十个像素，经过网络多次下采样后容易退化甚至消失，导致包裹体检测召回率不足。

5、第二，现有方法多采用整图直接推理，未充分利用包裹体通常位于石英砂颗粒内部这一先验关系，无法在石英砂颗粒局部区域内对包裹体进行尺度增强检测。

6、第三，现有方法多关注整张图像层面的包裹体总面积或包裹体指数，难以将包裹体实例唯一关联至对应石英砂颗粒，因而难以进一步获得单个石英砂颗粒内部的包裹体数量、面积和面积占比，无法满足针对单个石英砂颗粒的质量评价需求。

7、因此，需要一种面向显微图像中微小包裹体的识别方法，在检测包裹体实例的同时，给出单个石英砂颗粒及整张图像层面的包裹体面积占比。

8、本文所述微小包裹体，主要是指在输入显微图像中尺寸较小、经实例分割网络多次下采样后有效表征像素明显减少、从而容易发生漏检或边界分割不完整的包裹体目标。

技术实现思路

1、针对背景技术的不足，本发明提供了一种高纯石英砂颗粒内包裹体识别与面积占比计算方法，所述方法解决了如何在高纯石英砂显微图像中准确识别尺寸极小且易漏检的包裹体，并将包裹体实例唯一关联至对应石英颗粒的技术问题，从而实现单个石英颗粒及整图石英区域层面的包裹体数量、面积和面积占比的定量计算。

2、为了实现上述技术目的，本发明提供了如下的技术方案：

3、一种高纯石英砂颗粒内包裹体识别与面积占比计算方法，包括：

4、s1：获取原始高纯石英砂显微图像；

5、s2：通过全图实例分割分支对原始显微图像进行处理，获得石英颗粒实例掩膜；

6、s3：依据石英颗粒实例掩膜，从原始显微图像中离散裁剪局部区域，并将裁剪得到的局部区域放大，得到局部放大图像；

7、s4：局部放大图像经共用特征提取主干网络和像素解码器独立编码后，由局部实例分割分支输出包裹体实例；其中，局部实例分割分支与全图实例分割分支共用特征提取主干网络和像素解码器；

8、s5：将包裹体实例映射回原始显微图像的坐标系，并根据包裹体实例与石英颗粒实例掩膜的空间关系，确定包裹体实例所属的石英颗粒实例，对归属于同一石英颗粒实例的重复包裹体实例进行去重；

9、s6：基于去重后的包裹体实例，统计每个石英颗粒实例的包裹体数量、包裹体面积和包裹体面积占比，以及整图石英区域内的包裹体面积占比；

10、其中，在训练阶段，全图实例分割分支的全图实例分割损失和局部实例分割分支的局部包裹体实例分割损失共同更新共用特征提取主干网络和像素解码器的参数。

11、进一步地，共用特征提取主干网络包括层级视觉transformer、卷积神经网络或二者的组合；像素解码器采用多尺度特征融合结构；全图实例分割分支和局部实例分割分支采用基于查询的掩膜分类结构。

12、进一步地，在全图实例分割分支和局部实例分割分支的训练阶段：局部实例分割损失包括局部包裹体类别损失、局部包裹体二值掩膜损失和局部包裹体掩膜相似度损失；全图实例分割损失与局部实例分割损失按照预设权重组合，联合训练损失为：

13、；

14、；

15、其中，为联合训练损失，为全图实例分割损失，为局部实例分割损失，为局部包裹体实例分割损失的权重；为局部包裹体类别损失，为局部包裹体二值掩膜损失，为局部包裹体掩膜相似度损失，、和为对应损失权重。

16、进一步地，所述s3中，依据石英颗粒实例掩膜或石英颗粒实例的外接边界框，按照预设边界扩展比例进行边界扩展，并依据原始图像边界实施约束后，从原始显微图像中离散裁剪局部区域；将裁剪得到的局部区域采用双线性插值放大至局部识别输入尺寸，得到局部放大图像。

17、更进一步地，若局部区域的放大倍率小于预设倍率阈值，则将局部区域划分为具有预设重叠比例的多个局部子区域；相邻局部子区域的滑动步长，其中 为子区域边长，为相邻子区域的重叠比例。

18、进一步地，所述s4中，局部实例分割分支输出局部包裹体的类别预测值和连续掩膜预测值；将连续掩膜预测值映射至对应原始局部区域并进行阈值化后，包裹体实例得分由类别概率和正掩膜区域平均概率相乘得到；包裹体实例得分用于候选筛选、重复结果去重及候选合并的排序。

19、进一步地，所述s5中，记录每个局部区域在原始图像坐标系中的左上角位置、裁剪尺寸和放大倍率；根据左上角位置和放大倍率，将局部包裹体实例的连续掩膜预测值映射回原始图像坐标系，再进行阈值化得到原始坐标系下的包裹体实例掩膜。

20、进一步地，所述s5中包裹体实例所属的石英颗粒实例的确定过程包括：计算包裹体实例掩膜与石英颗粒实例掩膜对的包含度；将包含度最大的石英颗粒实例作为候选所属石英颗粒实例；当最大包含度不小于预设包含度阈值时，完成包裹体实例归属。

21、进一步地，所述s5中，对归属于同一石英颗粒实例的包裹体实例掩膜计算交并比；当交并比超过预设重叠阈值时，保留置信度较高的包裹体实例或合并对应掩膜，以完成去重。

22、进一步地，所述s6中，整图石英区域内的包裹体面积占比的获取过程包括：

23、基于得到的归属于第个石英颗粒且已去重的包裹体实例掩膜集合以及第个石英颗粒实例掩膜，统计第个石英颗粒的包裹体数量，并计算包裹体面积：

24、；

25、其中，表示集合中包裹体实例掩膜的数量；为归属于第个石英颗粒的第个包裹体实例掩膜；表示包裹体实例掩膜与所属石英颗粒实例掩膜的交集；表示对集合中所有包裹体实例掩膜与的交集取并集；表示取像素面积；

26、计算第个石英颗粒的包裹体面积占比：

27、；

28、其中，为第个石英颗粒实例掩膜与的像素面积；

29、计算整图石英区域内的包裹体面积占比：

30、。

31、本发明提供了一种高纯石英砂颗粒内包裹体识别与面积占比计算方法，所述方法通过全图实例分割获得石英颗粒实例，再依据石英颗粒从原始高分辨率显微图像中裁剪并放大局部区域，利用与全图分支共用特征提取主干网络和像素解码器的局部分支识别包裹体，有效解决了微小包裹体经多次下采样后易漏检、边界分割不完整的问题；同时，通过将局部包裹体实例映射回原图并依据包含度归属、按交并比去重，建立了包裹体与石英颗粒的唯一对应关系，从而能够输出单个石英颗粒的包裹体数量、面积和面积占比以及整图石英区域内的包裹体面积占比，为高纯石英砂以单个颗粒为对象的定量质量评价提供了可靠依据。