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        基于混沌的煤礦視頻圖像清晰化處理方法

        2017-03-27 14:09:50葉群
        電腦知識(shí)與技術(shù) 2017年3期

        摘要: 為了提高煤礦視頻監(jiān)控中圖像的清晰度,同時(shí),結(jié)合混沌信號(hào)的隨機(jī)特性,提出了一種利用混沌信號(hào)的空間域圖像增強(qiáng)方法對(duì)煤礦視頻圖像進(jìn)行清晰化處理。通過(guò)仿真結(jié)果的分析,大大改善了煤礦視頻監(jiān)控圖像的質(zhì)量和效果,為煤礦生產(chǎn)企業(yè)的安全生產(chǎn)提供了有力的保障。

        關(guān)鍵詞:煤礦安全生產(chǎn);混沌信號(hào);視頻監(jiān)控系統(tǒng);圖像增強(qiáng)

        中圖分類(lèi)號(hào):TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2017)03-0187-02

        1 概述

        1)煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)

        在煤礦的安全生產(chǎn)中,國(guó)家安全生產(chǎn)管理部門(mén)已經(jīng)明為規(guī)定,要求每一個(gè)煤礦生產(chǎn)企業(yè)必須安裝好一套完整的視頻監(jiān)控系統(tǒng),這是作為安全生產(chǎn)檢測(cè)中的一項(xiàng)必備的指標(biāo)。到目前為止,煤礦的視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但是,由于煤礦井下的環(huán)境和室外有很大的不同,煤礦井下比較黑暗,光線沒(méi)有井上的條件好,而且還有厚厚的煤塵,井下比較潮濕等等一系列非常不利于獲取清晰圖像的條件,所以,一般情況下,直接從視頻監(jiān)控系統(tǒng)中獲取的圖像比較黑暗、模糊、不清晰,就不能給井上的監(jiān)控工作人員提供非常清晰的畫(huà)面,給安全檢測(cè)部門(mén)的工作帶來(lái)了很多的麻煩[1]。所以,如果能夠找到使煤礦井下的視頻監(jiān)控圖像更加清晰的方法,將是一件非常有價(jià)值和意義的研究項(xiàng)目 [2]。

        2)混沌的定義和性質(zhì)

        混沌現(xiàn)象是自然界非常普遍的一種現(xiàn)象,可以認(rèn)為是無(wú)處不在的。但是,到目前為止,科學(xué)界也沒(méi)有誰(shuí)給出一個(gè)嚴(yán)格而準(zhǔn)確的定義?;煦缋碚摰难芯吭诤芏囝I(lǐng)域都有所應(yīng)用,其中,應(yīng)用最為廣泛的就是,應(yīng)用混沌理論進(jìn)行圖像加密的研究[3]。近些年來(lái),很多的研究者都在不斷地探索著混沌的奧秘和用途。其中,混沌最大的特點(diǎn)就是就是對(duì)于初始條件的敏感性[4],即如果一個(gè)混沌系統(tǒng)當(dāng)初始條件發(fā)生很小的變化時(shí),其混沌系統(tǒng)的特性就會(huì)發(fā)生很大的變化。其次,混沌系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡具有非周期的特性,這一個(gè)特點(diǎn)讓很多的研究者們?cè)诤芏囝I(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和研究。

        眾所周知,混沌具有類(lèi)隨機(jī)性。但是,混沌的隨機(jī)性和一般系統(tǒng)的隨機(jī)性是有所不同的。因?yàn)?,我們一般?duì)于混沌產(chǎn)生的過(guò)程是可以用相應(yīng)的算法和公式來(lái)表示的,但是,一般的隨機(jī)過(guò)程則是不可能用公式和算法來(lái)表示的,是無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)算和估計(jì)的。這就是混沌的隨機(jī)性和一般系統(tǒng)的隨機(jī)性的最重要的差別[5]。所以,通過(guò)大量的研究者們的共同努力,研究發(fā)現(xiàn),混沌是一種自發(fā)混沌,具有確定性的隨機(jī)性等,它重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的就是混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的根源在系統(tǒng)本身,并不關(guān)注外在的作用。所以,就是依據(jù)這個(gè)差別,把混沌的隨機(jī)性定義為一種類(lèi)隨機(jī)性是非常合適的[6]。

        正是基于混沌的偽隨機(jī)特性,所以,在圖像增強(qiáng)的直方圖處理中技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文應(yīng)用Chen系統(tǒng)混沌對(duì)煤礦視頻圖像的直方圖進(jìn)行均衡化處理,取得了良好的清晰化效果。

        2 基于混沌的空間域圖像增強(qiáng)方法

        基于混沌的空間域圖像增強(qiáng)方法的基本思想是:以煤礦視頻圖像中的像素為基礎(chǔ),然后直接處理它的圖像像素,再修改原始圖像中像素點(diǎn)的灰度值,基本原理可以表示為:

        [h(x,y)=F(f(x,y))]

        其中[f(x,y)]是輸入圖像(即原始圖像),[h(x,y)]是輸出圖像,即增強(qiáng)處理后圖像,[F(·)]是一種特定算法算子,在不同的情況下,這個(gè)算法算子是不同的,一般是要根據(jù)具體的系統(tǒng)特性來(lái)確定的。其中,比較常見(jiàn)的算法是灰度變換和直方圖處理以及空間濾波 [7,8]。應(yīng)用仿真軟件的分析,特別是概率統(tǒng)計(jì)特性的分析,一般情況,普通圖像的灰度級(jí)分布都是呈正態(tài)分布規(guī)律,而且,都灰度級(jí)都集中分布在比較窄的范圍內(nèi),這樣我們觀察到的圖像就是比較模糊,尤其是細(xì)節(jié)就不清晰了,這對(duì)于圖像分析來(lái)講就帶來(lái)了很大的麻煩,不能做出科學(xué)和正確的分析和判斷了。但是,如果,我們引入混沌序列,引進(jìn)一定的合適算法,讓煤礦視頻圖像的灰度級(jí)分布非常的均勻,這樣處理以后,圖像的直方圖當(dāng)然就非常平坦了,圖像的細(xì)節(jié)也就看得更清楚了。在此,我們主要是結(jié)合混沌對(duì)直方圖的均衡化處理進(jìn)行深度研究。本文采用混沌S-box對(duì)煤礦視頻圖像的直方圖進(jìn)行處理。Chen系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程一般用以下的三個(gè)不同的方程來(lái)表示:

        [dxdt=a(y-x)dydt=x(c-a)-xz+cydzdt=xy-bz] [] [] (1)

        其中,[a,b,c]這三個(gè)是參數(shù),且都是正數(shù)。對(duì)于此系統(tǒng),當(dāng)參數(shù)取值為[a]=35,[b]=3,[c]=28時(shí),系統(tǒng)有一個(gè)混沌吸引子。

        Chen方程之所以可以應(yīng)用于圖像增強(qiáng)的領(lǐng)域中,是因?yàn)樗泻芏嗟膬?yōu)點(diǎn):

        Chen方程具有一般的微分方程所具有的如下的對(duì)稱性:

        [(x,y,z)→(-x,-y,z)][] (2)

        這種對(duì)稱性對(duì)Chen方程所有的參數(shù)都是適用的。

        其次Chen方程具有恒定性。

        同時(shí),它還具有平衡性。為了求出其平衡點(diǎn),我們令

        [x=f(x)=a(y-x)x(c-a)-xz+cyxy-bz] (3)

        并且求解[f(x)=0],顯而易見(jiàn),其中一個(gè)平衡點(diǎn)就是[x0=(0,0,0)],通過(guò)計(jì)算,求得:

        [xc1=(-b(2c-a),-b(2c-a),2c-a)] (4)

        [xc2=(b(2c-a),b(2c-a),2c-a)] (5)

        這是一些其他的平衡點(diǎn),其中[c>a/2]。從產(chǎn)生的混沌序列來(lái)分析,此類(lèi)混沌信號(hào)具有類(lèi)噪聲的特性,同時(shí)具有寬帶連續(xù)頻譜的性質(zhì),而且還具有高度的偽隨機(jī)特性。再將此混沌信號(hào)經(jīng)過(guò)某種非線性數(shù)字化處理后,就可以滿足圖像灰度值的要求,就可以對(duì)原始輸入圖像進(jìn)行非線性處理。通過(guò)均衡化處理,可以大大改變?cè)紙D像的直方圖的分布情況,使圖像灰度級(jí)趨于均勻分布,大大提高了圖像的對(duì)比度,整幅圖像就會(huì)更清晰。

        下面是混沌S-box對(duì)煤礦視頻圖像的直方圖進(jìn)行處理的結(jié)果。

        在圖1中,主要是對(duì)某一個(gè)煤礦井下的某一個(gè)巷道的源圖像進(jìn)行了處理。主要是應(yīng)用用MATLAB 仿真軟件對(duì)某一個(gè)煤礦巷道的源圖進(jìn)行直方圖均衡化處理后。從下圖中可以看出,煤礦巷道的源圖中的圖像像素點(diǎn)的灰度值的分布是非常集中的,圖像比較模糊,不太清晰;但是,經(jīng)過(guò)直方圖均衡化處理后的圖像的像素點(diǎn)的灰度值分布比較均勻,圖像明顯變得清晰了,所以,從視覺(jué)角度來(lái)觀察,煤礦井下圖像的清晰度大大提高了。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        在煤礦井下,水、火、瓦斯、煤塵、頂板等一系列惡劣的環(huán)境時(shí)刻威脅著礦工的生命安全。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,很多高科技的技術(shù)和手段已經(jīng)應(yīng)用到煤礦井下,其中,煤礦井下的視頻監(jiān)控系統(tǒng)就是一個(gè)非常重要的安全監(jiān)測(cè)和安全防范手段。但是由于煤礦井下,非常惡劣的環(huán)境狀況使得視頻圖像的質(zhì)量大大下降,視頻圖像中的很多細(xì)節(jié)特征都被覆蓋或模糊。本文采用了Chen系統(tǒng)混沌對(duì)煤礦視頻圖像的直方圖進(jìn)行均衡化處理,可以有效地提高了視頻圖像的細(xì)節(jié)部分,提升圖像的清晰度。從仿真分析的直方圖分布效果圖來(lái)看,煤礦井下獲取的實(shí)物圖像的對(duì)比度明顯增強(qiáng)。

        參考文獻(xiàn):

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