一种煤矿井下监控视频图像预处理方法.pdf

第 4 2卷 第 1期 2 0 1 6年 1月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 No ． 1 J a n．2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 1 0 0 3 2 0 3 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 1 0 徐辉 ， 贺耀宜． 一种煤矿井下监控视频图像预处理方法[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 3 2 3 4 ． 一 种煤矿井下监控视频图像预处理方法 徐 辉 ， 贺耀 宜 1 ． 中煤科 工集 团常 州研究 院有 限公 司 ，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 天 地 常州 自动化 股份有 限公 司 ，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘 要 针对 煤矿 井下照 度低 、 粉 尘大 、 强光干扰 多而导致监 控视 频 图像模糊 、 容 易出现 目标检 测 失误 等 问 题， 提 出了一种煤矿井下监控视频 图像预处理方法。引入 直方图均衡化算法将灰度值从集 中在 某段 灰度级 区域 的非 均 匀分布状 态 变换 为均 匀分 布状 态 ， 扩展像 素灰度值 的动 态范 围； 采 用 多特征判 断 法即通 过灰度 阈 值 、 差分 阈值 、 尺 寸 阈值 3个方 面判 断检 测到 的 目标是 否 为光 斑 。 实验 结 果表 明， 该 方 法能 有 效增 强 图像 对 比度 ， 改善 图像 质量 ， 识 别 并滤 除光斑 ， 从 而提 高 目标检 测 的有 效性 。 关键 词 井下监控视 频 ；图像预 处理 ；图像 增 强 ；光斑 滤除 ； 直 方 图均衡 化 ；多特征判 断 中 图分类号 T D6 7 2 文 献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 5 1 2 3 1 1 5 5 6 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 1 2 3 1 ． 1 5 5 6 ． 0 1 0 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 5 1 1 2 4 ； 修 回日期 2 0 1 5 1 2 1 6 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金青年基金项 目 2 0 1 4 QNO 3 0 。 作者简介 徐辉 1 9 8 0 一 ， 女 ， 河北沧州人， 工程师 ， 硕士 ， 从事智能视频分 析、 智能监控系统研发工作， E - ma i l x u h u i t d k j 1 6 3 ． c o rn。 越大， 效果越明显 ， 从而提高了直流链路电容储能利 用 率 。 参考文献 [ 1] 吉 丽萍． 受 电铁影 响 的煤矿 电 网 电能质 量 问题研 究 E J ] ． 煤 炭科 学技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 2 8 0 8 6 ． [ 2] 郭金龙 ， 吕景江 ， 王 以磊． 矿井 电网谐波治理及 无功补 偿 的研 究 与 应 用 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 2 ， 3 8 1 1 6 4 6 6． [ 3] 王彦文 ， 卢丹 ， 高彦． 基于广域同步测量技 术的煤矿高 压电网故障区段定位算法_ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 5 ， 4 0 增 刊 1 2 8 5 2 9 1 ． [4] ANS AR I A Q，S I NGH B ，HAS AN M．Al g o r i t h m f or po we r a n gl e c o nt r ol t O i mpr ov e p owe r qu a l i t y i n d i s t r i b u t i o n s y s t e m u s i n g u n i f i e d p o we r q u a l i t y c o n d i t i o n e r [ J ] ．I E T Ge n e r a t i o n ，T r a n s mi s s i o n a n d Di s t r i b u t i o n ，2 0 1 5 ， ’ 9 1 2 1 4 3 9 1 4 4 7 ． [ 5] 王建伟 ， 胡晓光 ， 陈松松． 动态电压恢 复器 的谐 波补偿 数字控 制 技 术 [ J ] ．电工 技 术 学 报 ， 2 0 1 4 ， 2 9 1 0 2 39 2 45 ． [ 6] 李哲 ， 吴正 国， 夏 立 ， 等． 任 意负载条 件下动 态 电压恢 复器 的复合谐 振 控制 策 略E J ] ． 中国 电机 工程 学 报 ， 2 0 1 3 ， 3 3 2 5 1 3 0 - 1 3 8 ． [ 7] 袁 书波 ， 高庆仙 ， 耿亮 ， 等． 动态 电压恢 复器控制 策 略 研 究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 1 ， 3 7 1 7 5 3 5 6 ． [8 ] 巫付专 ， 侯婷婷 ． 基 于双调谐 滤波 的动 态 电压 恢复 器 设 计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 2 6 8 7 2 ． r 9] NAI DU S R，ANDRADE G V， C OS TA E G D． Vo l t a g e s a g pe r f or ma nc e of a di s t r i b ut i on s ys t e m a n d i t s i mp r o v e me n t [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r y Ap p l i c a t i o n s ，2 0 1 2 ，4 8 1 2 1 8 2 2 4 ． [ 1 0 1 E L S E R 0UG I A，MAS S O UD A，A B D E L - KHAL I K A S， e t a1 ． An i nt e r l i n e d yna m i c vo l t ag e r e s t o r i ng a n d d i s p l a c e me n t f a e mr c o n t r o l l i n g d e v i c e I VD F C [ J ] ． I EEE Tr a n s a c t i on on Powe r El e c t r o ni c s， 2 01 4， 2 9 6 2 7 3 7 2 7 4 9 ． [ 1 1 ] 黄 永红 ， 徐俊俊 ， 孙玉坤． 基于最小能量补偿 控制的微 网动态 电压恢复器 [ J ] ． 电工技术学报 ， 2 0 1 4 ， 2 9 1 2 】 28 一 】3 6 ． 2 0 1 6年 第 1 期 徐辉 等 一种 煤矿 井下监控 视频 图像 预 处理方 法 3 3 An i ma ge pr e p r oc e s s i ng me t ho d f o r u nd e r g r o u nd mo n i t o r i ng v i de o XU H u i 一．HE Ya o yi 1． CCTEG Ch a ng z h ou Re s e a r c h I n s t i t ut e ，Ch a ng z h ou 2 1 3 01 5，Chi na； 2 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co ． ，Lt d ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r u nc l e a r und e r gr o un d mon i t o r i ng v i d e o i m a g e a nd e r r o r t a r ge t d e t e c t i on c a u s e d by l o w i nt e ns i t y of i l l u m i n a t i o n，a l ot o f d us t an d s t r on g l i gh t i nt e r f e r e nc e， a n i ma ge p r e p r oc e s s i n g me t h od f o r u nd e r gr ou nd m o ni t o r i ng v i d e o wa s pr o po s e d．Hi s t og r a m e q ua l i z a t i o n a l g or i t h m i s i nt r o du c e d t o t r a ns f o r m gr a y va l u e f r o m n o n u ni f or m di s t r i bu t i o n s t a t e t o un i f o r m d i s t r i bu t i o n s t a t e a nd e x t e n d d y na mi c r a ng e o f p i x e l g r a y v a l u e ．Mu l t i f e a t u r e s j u d g me n t me t h o d b a s e d o n g r a y t h r e s h o l d，d i f f e r e n c e t h r e s h o l d a n d s i z e t h r e s h o l d i s u s e d t o i d e n t i f y s p o t 。Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e me t h o d c a n e f f e c t i v e l y e n h a n c e i ma g e c o nt r a s t ，i m p r ov e i m a g e q ua l i t y；a n d i d e n t i f y a nd f i l t e r s p o t ，S O a s t o i mpr o ve e f f e c t i v e ne s s of t a r g e t de t e c t i o n． Ke y wor d s u nde r gr ou nd m o ni t or i n g v i d e o；i m a g e pr e pr oc e s s i ng；i m a g e e nha nc e m e nt ；s po t f i l t e r i n g； h i s t o g r a m e q u a l i z a t i o n；mu l t i f e a t u r e s j u d g me n t 0 引言 工业 电视 监 控 系统 为 煤 矿 的 安全 生 产 、 调 度 指 挥 提供 了直 观 、 方 便 、 可 靠 的手 段 ， 在 煤 矿 井 下 得 到 广泛应用 。但受到煤矿井下环境照度低、 光照变化 剧 烈 、 粉尘 大 、 湿度 大等 各 种 条 件 限制 ， 监 控 视 频 图 像往往存在较大的噪声 与干扰 ， 在进行 目标检测时 容易出现虚假检测与错误跟踪[ 1 ] 。因此 ， 有必要对 图像进行预处理。针对煤矿井下工业电视监控视频 的特点 ， 本文提出了一种用于 图像增强和光斑滤 除 的图像预处理方法 ， 以达到改善图像质量、 增强图像 对 比度 、 过滤 干扰 、 提 高 目标检 测 有效性 的 目的 。 1 煤矿 井下 监控 视频 图像预 处理 1 ． 1 图像增 强 煤 矿井 下 光 线 昏暗 ， 采 集 的监 控 视 频 图像 清 晰 度低 ， 且图像 中人员 、 车辆、 带式输送机等有效 目标 具有 与 背景 相似 的表 观 信 息 ， 造 成 目标 和 背 景不 易 区分 。煤矿井下环境 中摄像头采集的图像大多为黑 白图像或黑 白、 彩色图像 自动切换 ， 为了便 于处理 ， 将 监控 视频 图像 统 一 变 换 为 灰 度 图像 ， 采 用 灰 度 变 换 的方法 实 现 图像增 强 。 图像 的灰度 变换 是指 根据 某 种 目标 条 件按 一定 变换关系逐点改变原图像 中每一个像素灰度值的方 法 _ 3 ] ， 可 分为 线 性 变换 和非 线 性 变 换 。煤 矿 井 下 监 控视频图像对 比度低 、 灰度范围窄、 目标图像的灰度 值 与背 景灰 度值 接 近 ， 因此 采 用 非 线 性 灰 度 变换 压 缩像素少的部分 ， 扩展像 素多的部分 。直方图均衡 化l 4 是非线性灰度变换的一个重要应用 ， 其基本思 想 是将 原 始 图 的直方 图变 换 为 均 匀分 布 的形 式 ， 增 加像素灰度值 的动态范 围， 从而达到增强 图像整体 对 比度 的效 果 。 直方 图均衡 化算 法步 骤 1 给 出原 始 图像 所 有灰 度 级 S ， 五 一0 ， 1 ， ⋯ ， Ll L为灰度级总数 。 2 统计原始图像各灰度级的像素数 。 3 根据原始图像计算灰度直方 图。 P S 一 1 式中 P S 为灰度级 s 像素出现的频率 ； 为图像 总像素数 。 4 计 算原始 图像 的累积直方 图 一 ∑ 一∑P S 2 i 0 ～ 一 0 5 利用灰度变换 函数并四舍五人计算变换后 的灰 度级 U 一i n t { 一1 ￡ 鱼I 3 L J 6 确 定灰 度变换 关 系 S 一 。 7 统计 变换 后直 方 图各 灰度 级 U 的像 素 数 ， z 。 8 计 算变换 后 灰度直 方 图 。 P U 一 4 式 中 P 【 ， 为灰度 级 U 像 素 出现的频 率 。 1 ． 2 光 斑 滤 除 煤矿井下工作人员主要依靠头顶矿灯或手电筒 照明， 矿灯、 手 电筒等照明设备照射地面或其他物体 时形 成 强光光 斑 。光 斑 本 身 不属 于背 景 ， 但 跟 随人 员不 断 移动 ， 在进 行人员 目标 检测 时 ， 光 斑往 往与人