基于变差函数和局部方差图的煤岩图像纹理特征提取.pdf

第44卷 第4期 2018年4月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 4 Apr 2018 ; 实验研究言 令 _ 丨 1 丨 _ 令 _ 丨 丨 丨 ■ 令 _ 丨 丨 丨 ■ 令 _ 丨 1 丨 _ 令 _ 丨 丨 丨 令 文 章 编 号 文 章 编 号 6 7 1 -2 51X 201804-0 0 6 2 -07 D O I10. 13272/j. issn. 1671-251x. 17311 基 于 变 差 函 数 和 局 部 方 差 图 的 煤 岩 图 像 纹 理 特 征 提 取 黄蕾， 郭超亚 中 国 矿 业 大 学中 国 矿 业 大 学北 京 ）机 电 与 信 息 工 程 学 院 ，北京北 京 ）机 电 与 信 息 工 程 学 院 ，北京100083 摘 要摘 要 针对现有煤岩纹理特征提取采用局部二值模式算法存在分类准确率欠佳、 算法运行效率较低及旋 转纹理识别鲁棒性较差等缺陷， 提出了一种基于变差函数和局部方差图的煤岩纹理特征提取算法。该算法 首先在局部二值模式理论框架中逐像素计算局部方差得到局部方差图， 然后在局部方差图中利用变差函数 计算不同方向的变差函数向量， 最后组合变差函数向量作为纹理特征， 将所提取特征与局部二值模式特征融 合完成煤岩纹理分类与识别。实验结果表明， 该算法能够有效地提取局部方差的空间分布信息， 实现对局部 二值模式丟失信息的再利用， 分类结果优于多种经典的局部二值模式纹理特征提取算法， 分类准确率达 到 8 6 。 关 键 词关 键 词 煤炭开采％煤岩识别％局部方差图％变差函数％纹理特征提取％局部二值模式 中 图 分 类 号中 图 分 类 号TD 67 文 献 标 志 码文 献 标 志 码A 网 络 出 版 时 间 网 络 出 版 时 间 0 1 8 -0 3 -1 9 0 8 9 网 络 出 版 地 址 网 络 出 版 地 址 G ttp //k n s. cnki. n et/kcm s/detail/3 2 . 1627. T P. 20180317. 1616. 001. htm l Texture feature extraction of coal-rock image based on variogram and local variance image H U A N G Lei, G U O Chaoya School of M echanical E lectronic and In ation Engineering , China U niversity of M ining and T echnology B eijing, Beijing 100083, C hina A bstract In view of problem s of low classification accuracy and algorithm ic running efficiency and poor robust property of rotation texture recognition existed in local binary patterns for texture feature extraction of coal-rock, a texture feature extraction algorithm of coal-rock im age based on variogram and local variance im age w as proposed. F irstly, local variance im age w as got by calculating local variance w ith pixel by pixel in theoretic fram ew ork of local binary patterns. T hen, the variogram vectors w ith different direction w ere calculated by variogram in local variance im age. Finally, com bination variogram vectors w ere taken as the texture feature, classification and recognition of texture of coal-rock w as realized com bining the texture feature and local binary patterns feature. E xperim ent results show that the algorithm can effectively extract spatial distribution in ation of the local variance im age, realize in ation reuse m issed by local binary patterns, and its classification results are better than other algorithm s of texture extraction based on local binary patterns, the classification precision reaches 86 . 收 稿 日 期收 稿 日 期 2018-02-11;修 回 日 期修 回 日 期 2018-03-05;责 任 编 辑责 任 编 辑 张 强 。 基 金 项 目基 金 项 目 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目 （2016YFC0801800;国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （51674269 。 作 者 筒 介作 者 筒 介黄 蕾 （1991一 ），女，福 建 永 安 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 模 式 识 别、图 像 处 理 、 室 内 人 员 定 位 技 术，E-mail8350830036 163. com。 引 用 格 式引 用 格 式 黄 蕾，郭 超 亚.基 于 变 差 函 数 和 局 部 方 差 图 的 煤 岩 图 像 纹 理 特 征 提 取 工 矿 自 动 化，2018，4442-68. HUANG LeiGUO Chaoya. Texture feature extraction of coal-rock image based on variogram and local variance image[J]. Industry and Mine Automation, 2018,444 62-68. 2 0 1 8 年 第 4 期 黄 蕾 等 基 于 变 差 函 数 和 局 部 方 差 图 的 煤 岩 图 像 纹 理 特 征 提 取 63 K eyw ords coalmining coal and rock recognition; local variance image; variogram; texture feature extraction; local binary pattern 〇引 言〇引 言 为 自 动 化为 自 动 化 关 键 技 术关 键 技 术 ， 煤 岩 识 别 技 术， 煤 岩 识 别 技 术 能 够 有 效 实能 够 有 效 实 煤 机 滚 筒煤 机 滚 筒 高 度 的 自 动高 度 的 自 动 ， 提， 提 高 煤高 煤 出 率 ， 降出 率 ， 降 煤 含 矸 量 ， 同 时 可 避 免 在 截 割煤 含 矸 量 ， 同 时 可 避 免 在 截 割 程 中 引 发 瓦 斯 爆 炸 。 目 前 该 技 术程 中 引 发 瓦 斯 爆 炸 。 目 前 该 技 术 为为 国 内 外 研 究 热 点 ， 已 有国 内 外 研 究 热 点 ， 已 有7射 线 探 测射 线 探 测[ 1 ]、雷 达雷 达 [2 ] 应应 [ 3 ]、红 外红 外 [4 ]、振 动 检 测振 动 检 测[ 5]、声 音 检声 音 检 测测[ ]等别方法， 但 这 些 方 法 普等别方法， 但 这 些 方 法 普 ， 无 法， 无 法 矿 井矿 井 实 际实 际 ， 且 精 度 与 可 靠 性 均 较 低 。， 且 精 度 与 可 靠 性 均 较 低 。 别 技 术 ， 结 合 煤 岩 图 像 的别 技 术 ， 结 合 煤 岩 图 像 的 方 向 、方 向 、 周 期 等 特 性 ， 使 用周 期 等 特 性 ， 使 用 特 征 能 够特 征 能 够 实 现 煤 、 岩 图 像实 现 煤 、 岩 图 像 分 类 ， 相 关 算 法 的 应 用 正 逐分 类 ， 相 关 算 法 的 应 用 正 逐 为 研 究 热 点 。 目 前 ，为 研 究 热 点 。 目 前 ， 煤 岩 图煤 岩 图 别 方 面 ％别 方 面 ％ 二 值 模 式 （二 值 模 式 （Local Binary Patterns，，LBP [ 7 ]以 其 特 征 维 数 低 、 具 有 旋以 其 特 征 维 数 低 、 具 有 旋 转 不 变 性 等 良转 不 变 性 等 良 能 正 得 到能 正 得 到 研 究 与 关 注 ， 发 展研 究 与 关 注 ， 发 展 出 旋 转 不 变 局 部 二 值 模 式 （出 旋 转 不 变 局 部 二 值 模 式 （Rotation Invariant Local Binary Patterns，RILBP [8 ]、统 一 局 部 二 值 模 式统 一 局 部 二 值 模 式 Uni Local Binary Patterns，ULBP[ 9 ]、判 别 局判 别 局 部 二 值 模 式 （部 二 值 模 式 （Discriminative Local BinaryPatterns，， DisLBP[ 1 0 ]等 。 文 献等 。 文 献[11] 提 出 利 用] 提 出 利 用 LBP算 法算 法 实 现 煤实 现 煤 别 ， 但 该 应 用 只 完别 ， 但 该 应 用 只 完 的 基 本的 基 本 法 实 现 ， 运 行 时 间法 实 现 ， 运 行 时 间 法 效 果 未法 效 果 未 取 煤 岩取 煤 岩 图图 ， 分 类， 分 类 率率 。 文 献。 文 献[12] 采 用] 采 用 RILBP对 煤 岩 的 显 微 组 分 图对 煤 岩 的 显 微 组 分 图 特特 另另IJ，， 法法 实实 煤煤 的的 变变 别别 ，， 同同 时时 运 算 复 杂 度 ， 且 分 类 效 果 仍运 算 复 杂 度 ， 且 分 类 效 果 仍 ， 无 法 在 实 际 应， 无 法 在 实 际 应 用 中用 中 。 文 献。 文 献[13]提 出 了 基 于提 出 了 基 于CLBP 向 量向 量 诱诱 学 习 的 煤学 习 的 煤 别 方 法 ， 在 一 定 程 度 上 摆 脱别 方 法 ， 在 一 定 程 度 上 摆 脱 练 样练 样 量 的量 的 ， 但 识 别 效 果 容 易 受 到 图 像， 但 识 别 效 果 容 易 受 到 图 像 质 量 的质 量 的 ， 鲁 棒 性 欠 佳 。 同 时 ， 以 上 各 类， 鲁 棒 性 欠 佳 。 同 时 ， 以 上 各 类LBP算算 法 均 未 考 虑法 均 未 考 虑 与与 间 的 关 系 ， 而 煤 岩 图间 的 关 系 ， 而 煤 岩 图 的的 空 间 分 布空 间 分 布 对 煤 岩 分 类 过 程 至对 煤 岩 分 类 过 程 至 关 重 要 。关 重 要 。 基 于 煤 岩 识 别 应 用 需 求 与 现 有 算 法 存 在 的 缺基 于 煤 岩 识 别 应 用 需 求 与 现 有 算 法 存 在 的 缺 陷 ，本 文 提 出 了 基 于 变陷 ，本 文 提 出 了 基 于 变 方方差图图 Variogram-Local Variance Image，，V-LVI的 煤 岩的 煤 岩 图图 特 征 提 取 算 法 ％特 征 提 取 算 法 ％ LBP算 法 基 础 上算 法 基 础 上 出出 方方差图 的 概 念 ， ，图 的 概 念 ， ， 方方差空 间 分 布 关空 间 分 布 关 中 提 取 煤中 提 取 煤 特 征 ， 引 入 变特 征 ， 引 入 变 对对 LBP 丢丢失的的 用 ％用 ％ 取的特〔 加取的特〔 加 ， 在 保 证 算 法 效 率 的 同 时 ， 对， 在 保 证 算 法 效 率 的 同 时 ， 对 别别 ‘ 很 强 的 鲁 棒 性 ， 煤 岩 分 类 准 确 率 较 高 。很 强 的 鲁 棒 性 ， 煤 岩 分 类 准 确 率 较 高 。 1煤 岩 图 像 纹 理 识 别 基 础煤 岩 图 像 纹 理 识 别 基 础 煤 岩 图 像 识 别 系 统 主 要 依 靠 煤 与 岩 在 图 像 特 征煤 岩 图 像 识 别 系 统 主 要 依 靠 煤 与 岩 在 图 像 特 征 上 的上 的 对 煤 与对 煤 与 分 ， 这 些分 ， 这 些 煤 、 岩煤 、 岩 的 物 理 特的 物 理 特 同同 的 ％的 ％ 、 光 泽 、 端 口 、 截 面、 光 泽 、 端 口 、 截 面 等 。 其 中 ， 煤等 。 其 中 ， 煤 的的 特 征 存特 征 存 大大 ，， 煤 、 岩 图 像 分 类 的煤 、 岩 图 像 分 类 的 。。 目 前 煤 炭 主 要目 前 煤 炭 主 要 煤 、 无 烟 煤煤 、 无 烟 煤，I 主 要 有主 要 有 砂 岩 与 泥 岩 ， 部 分 煤 岩 样砂 岩 与 泥 岩 ， 部 分 煤 岩 样 图 像 如 图图 像 如 图1所 示 。所 示 。 “ 砂岩“ 砂岩 （（d 泥岩 泥岩 图图1部 分 煤 岩 样 本 纹 理 图 像部 分 煤 岩 样 本 纹 理 图 像 Fig. 1 Part of texture images of coal-rock samples 作 为 自 然 纹 理 之 一 ， 煤 岩 纹 理 呈 现 不 规 则 性 ， 且作 为 自 然 纹 理 之 一 ， 煤 岩 纹 理 呈 现 不 规 则 性 ， 且 强 ， 其 提 取 目 标 应强 ， 其 提 取 目 标 应 特 征 维特 征 维 中 、 鉴 别 能中 、 鉴 别 能 强 、 稳强 、 稳 、 计 算 量 小 的 要 求 ， 综 合 考 虑 以 上 因、 计 算 量 小 的 要 求 ， 综 合 考 虑 以 上 因 ， 本 文， 本 文 计 法 中 的计 法 中 的L B P思 路 ， 提 出 了 基 于思 路 ， 提 出 了 基 于 V -L V I的 煤 岩 图的 煤 岩 图 特特 取 算 法 。取 算 法 。 2基 于基 于V -L V I的 煤 岩 图 像 纹 理 特 征 提 取 算 法的 煤 岩 图 像 纹 理 特 征 提 取 算 法 V -L V I以以L B P为 基 础 ， 首 先 在 局 部 二 值 模 式 理为 基 础 ， 首 先 在 局 部 二 值 模 式 理 论 框 架 中 逐论 框 架 中 逐 计计 方 差 ， 得 到方 差 ， 得 到 方 差 图 ， 然方 差 图 ， 然 后 使 用 变后 使 用 变 方 差 图 中 提 取方 差 图 中 提 取 特 征 ， 最特 征 ， 最 后 将 所 提 取 的 特 征 与后 将 所 提 取 的 特 征 与L B P特特 合 并 分 类 ， 用合 并 分 类 ， 用 于于 实实 煤煤 图图 别别 。。 2.1 局 部局 部 方方 在在L B P的 计 算 过 程 中 ， 像 素的 计 算 过 程 中 ， 像 素L B P值 的 计 算 是值 的 计 算 是 邻 域 点 与 中 心邻 域 点 与 中 心 度 值 相 对 大 小 并 赋 值度 值 相 对 大 小 并 赋 值 “0 /1 ”来 实 现 的 ， 然 而 ， 该 过 程来 实 现 的 ， 然 而 ， 该 过 程 LBP 丢丢 ‘ 邻 域 点 与 中 心邻 域 点 与 中 心 度 值 相 对 大 小 程 度 的度 值 相 对 大 小 程 度 的 能。能。 方 差 是 描 述 数 值 信 息 的 有 效 参 数 ， 一 个 像方 差 是 描 述 数 值 信 息 的 有 效 参 数 ， 一 个 像 素 的素 的 方 差 被方 差 被 为 其为 其L B P计计 程 中程 中 邻邻 64 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 域点与中;L、 像素灰度差值的方差， 文献[14]在局部 二 值 模 式 方 差（ Local Binary Patterns Variance， LBPV算法中使用了局部方差， 然 而LBPV存在很 多不足， 虑 方差的空间分布关系。 实验发现， 不同类 的 方差空间分布 ； 同的， 方差空间分布关系中提取的特征可以 用于 另IJ。 对于以 为中心的圆形区域， 设其半径 为尺， 中心 度值为心， 均勻分布 周上的 个邻域点的灰度值分别为。 ，， ，，-1，，该 纹理了可表示为 了， 々0 gc， 沿 一gc， ， 心 1 gc ⑴ 当采用LBP 时，T可 号函数进 示 ， 如式2所示， 其中K x为符号函数。 T , Z “g〇〇 gc，Sgi gc， ，sg„ 1 gc 2 0 ， x ,， 图图3变 差 函 数 计 算变 差 函 数 计 算 Fig. 3 Variogram calculation process 设K表示灰度图像沿某一方向顺序分布的像 素点集， 点集K中像素的个数为g， 像 素 表示集 合K中的第； 个像素， 其灰度值的大小为g， 步 为A， 那么变 r/〇的计 式为 Nh rh 2N h [g g h]2 5 式中Nh表示集合K中相距步长h的像素对个 数 ，Nhq h0 式（ 5可看出， 变差函数值为方差的一半。 将式（ 5中的灰度值g替换为局部方差 var， 可以得到 方差图中变 的计 r 式为 Nh rh 2Nh [var var h]2 6 像素灰度 空间中的分布具有连续性， 即像 素灰度 空间自相关性。研究表明， ， 度的 自相关 着 的増大而递减， 相 的 度值相关性强， 而随着 的増大， 这种相关 。 2 0 1 8 年 第 4 期 黄 蕾 等 基 于 变 差 函 数 和 局 部 方 差 图 的 煤 岩 图 像 纹 理 特 征 提 取 65 变 得 很 弱 ， 以 至 于 可 以 忽 略变 得 很 弱 ， 以 至 于 可 以 忽 略。L B P算 法 的 邻 域 半 径算 法 的 邻 域 半 径 及 统 计 距 离 都 不 应 取 较 大 的 值 ， 正 是 受 这 种 空 间 自及 统 计 距 离 都 不 应 取 较 大 的 值 ， 正 是 受 这 种 空 间 自 相 关 性 的 影 响相 关 性 的 影 响。同 样 地 ， 为 了 保 证 纹 理 信 息 提 取 的同 样 地 ， 为 了 保 证 纹 理 信 息 提 取 的 有 效 性 ， 变 差 函 数 的 步 长 一 般 不 应 该 超 过 对 应 方 向有 效 性 ， 变 差 函 数 的 步 长 一 般 不 应 该 超 过 对 应 方 向 像 素 长 度 的 一 半像 素 长 度 的 一 半。 在 对 局 部 方 差 图 计 算 变 差 函 数 时 ， 方 向 的 选 择在 对 局 部 方 差 图 计 算 变 差 函 数 时 ， 方 向 的 选 择 有 无 数 种 ， 不 可 能 对 每 个 方 向 计 算 变 差 函 数有 无 数 种 ， 不 可 能 对 每 个 方 向 计 算 变 差 函 数。文文 献献[1 6 ]认 为 ，纹 理 图 像 包 含 很 多 显 性 邻 域 结 构认 为 ，纹 理 图 像 包 含 很 多 显 性 邻 域 结 构 D om indant N eighborhood S tru ctu re D N S，J, D N S的 差 异 可 以 对 纹 理 进 行 分 类 ， 并 以 此 为 基 础 提的 差 异 可 以 对 纹 理 进 行 分 类 ， 并 以 此 为 基 础 提 出 了出 了 D N S纹 理 特 征 提 取 算 法纹 理 特 征 提 取 算 法。在 对 局 部 方 差 图 计在 对 局 部 方 差 图 计 算 变 差 函 数 时 ， 可 以 参 考算 变 差 函 数 时 ， 可 以 参 考D N S算 法 的 思 想算 法 的 思 想。为 了 使为 了 使 最 终 特 征 更 具 有 代 表 性 ， 首 先 将 局 部 方 差 图 均 匀 分最 终 特 征 更 具 有 代 表 性 ， 首 先 将 局 部 方 差 图 均 匀 分 割 成 大 小 为割 成 大 小 为a X a的 互 不 重 叠 的 子 图 像 ， 然 后 在 每 张的 互 不 重 叠 的 子 图 像 ， 然 后 在 每 张 子 图 像 中 选 择 经 过 子 图 像 中 心 位 置 且 在子 图 像 中 选 择 经 过 子 图 像 中 心 位 置 且 在[0，，180] 范 围 内 均 匀 分 布 的 多 个 方 向 计 算 变 差 函 数范 围 内 均 匀 分 布 的 多 个 方 向 计 算 变 差 函 数。在 选 择在 选 择 子 图 像 尺 寸 时 ， 应 保 证子 图 像 尺 寸 时 ， 应 保 证a X a大 小 的 窗 口 足 以 涵 盖 目大 小 的 窗 口 足 以 涵 盖 目 标 纹 理 的 基 本 信 息 ，标 纹 理 的 基 本 信 息 ，D N S算 法 的 相 关 研 究 可 以 作 为算 法 的 相 关 研 究 可 以 作 为 选 择 参 数选 择 参 数a的 参 考的 参 考， 一般 应 保 证般 应 保 证a不 小 于不 小 于5 0像 素像 素。 当 选 择 的 方 向 不 是 轴 向 时 ， 首 先 以 子 图 像 中 心当 选 择 的 方 向 不 是 轴 向 时 ， 首 先 以 子 图 像 中 心 像 素 为 参 考 ， 确 定 该 方 向 对 应 亚 像 素 及 其 邻 域 点 位像 素 为 参 考 ， 确 定 该 方 向 对 应 亚 像 素 及 其 邻 域 点 位 置 ， 然 后 通 过 双 线 性 插 值 计 算 邻 域 点 的 灰 度 值 ， 进 而置 ， 然 后 通 过 双 线 性 插 值 计 算 邻 域 点 的 灰 度 值 ， 进 而 求 得 对 应 亚 像 素 的 局 部 方 差 ， 最 后 在 该 方 向 上 的 亚求 得 对 应 亚 像 素 的 局 部 方 差 ， 最 后 在 该 方 向 上 的 亚 像 素 局 部 方 差 集 合 中 计 算 变 差 函 数像 素 局 部 方 差 集 合 中 计 算 变 差 函 数。设设P i，，P “， P3 ，3 ，P 为 空 间 中 呈 正 方 形 角 点 关 系 分 布 的为 空 间 中 呈 正 方 形 角 点 关 系 分 布 的4个 相 邻个 相 邻 像 素 ，像 素 ，P。为 正 方 形 区 域 内 或 边 界 上 的 任 一 亚 像 素。为 正 方 形 区 域 内 或 边 界 上 的 任 一 亚 像 素。 P。与 正 方 形 边 界 的 距 离 分 别 为 ，。与 正 方 形 边 界 的 距 离 分 别 为 ，rn“ ，“ ，it ， ，7X“ ， 其“ ， 其 在 边 界 上 的 对 应 点 分 别 为在 边 界 上 的 对 应 点 分 别 为PoA，P 。B，P 。C，P 。D，如 图如 图4 所 示所 示。 图图4双 线 性 插 值双 线 性 插 值 Fig. 4 Bilinear interpolation 已 知已 知P l，，P “，，P 3，，P 4的 局 部 方 差 ， 那 么 亚 像 素的 局 部 方 差 ， 那 么 亚 像 素 P。的 局 部 方 差 可 通 过 式 （ ； ） 计 算 得 到 。。的 局 部 方 差 可 通 过 式 （ ； ） 计 算 得 到 。 F〇〇 m2u Pi m m 2 ,w12w2 m m 2 zv12w-F2 m1 w1 m 1 2 m2 w1 w2 Fa 2 m1 w2 m 1 2 m2 w1 2 w2 F 7 对 多 个 子 图 像 对 应 方 向 的 变 差 函 数 值 取 平 均 ，对 多 个 子 图 像 对 应 方 向 的 变 差 函 数 值 取 平 均 ， 即 可 得 到 目 标 纹 理 的 变 差 函 数 向 量 ， 多 个 方 向 的 变即 可 得 到 目 标 纹 理 的 变 差 函 数 向 量 ， 多 个 方 向 的 变 差 函 数 向 量 组 成 变 差 函 数 矩 阵差 函 数 向 量 组 成 变 差 函 数 矩 阵。通 过 变 差 函 数 矩 阵通 过 变 差 函 数 矩 阵 计 算 目 标 纹 理 特 征 的 方 法 有计 算 目 标 纹 理 特 征 的 方 法 有2种种 一种 是 通 过 变 差种 是 通 过 变 差 函 数 矩 阵 拟 合 计 算 出 不 同 方 向 变 差 函 数 参 数 ， 并 将函 数 矩 阵 拟 合 计 算 出 不 同 方 向 变 差 函 数 参 数 ， 并 将 其 作 为 纹 理 特 征 ， 这 种 方 法 分 析 效 果 有 限 且 计 算 量其 作 为 纹 理 特 征 ， 这 种 方 法 分 析 效 果 有 限 且 计 算 量 较 大较 大;另 一 种 方 法 是 将 变 差 函 数 矩 阵 中 的 各 方 向 变另 一 种 方 法 是 将 变 差 函 数 矩 阵 中 的 各 方 向 变 差 函 数 向 量 顺 序 连 接 得 到 最 终 纹 理 特 征 ， 相 对 于差 函 数 向 量 顺 序 连 接 得 到 最 终 纹 理 特 征 ， 相 对 于 第第1种 方 法 ， 这 种 方 法 更 为 简 单 有 效 ， 因 此 ， 本 文 采种 方 法 ， 这 种 方 法 更 为 简 单 有 效 ， 因 此 ， 本 文 采 用 该 方 法用 该 方 法。通 过 变 差 函 数 在 局 部 方 差 图 中 提 取 纹 理通 过 变 差 函 数 在 局 部 方 差 图 中 提 取 纹 理 特 征 的 过 程 如 图特 征 的 过 程 如 图5所 示 ， 图 中 选 择 了所 示 ， 图 中 选 择 了 0 ,4 5 ,90,135 四 个 方 向 计 算 变 差 函 数 ， 此 处 的 角 度 指 的 是 其 对 应四 个 方 向 计 算 变 差 函 数 ， 此 处 的 角 度 指 的 是 其 对 应 方 向 与方 向 与x轴 正 向 的 夹 角轴 正 向 的 夹 角，下 同下 同。 图图5基 于 变 差 函 数 的 纹 理 特 征 提 取 过 程基 于 变 差 函 数 的 纹 理 特 征 提 取 过 程 Fig. 5 Texture feature extraction process based on variogram 2. 3 特 征 融 合 及 旋 转 不 变 性特 征 融 合 及 旋 转 不 变 性 V -L V I算 法 提 取 的 煤 岩 纹 理 特 征 本 身 是 对算 法 提 取 的 煤 岩 纹 理 特 征 本 身 是 对 L B P丢 失 信 息 的 再 利 用 ， 为 了 使 其 在 煤 岩 纹 理 图 像丢 失 信 息 的 再 利 用 ， 为 了 使 其 在 煤 岩 纹 理 图 像 分 类 时 得 到 更 好 的 效 果 ， 需 要 将 该 算 法 提 取 的 特 征分 类 时 得 到 更 好 的 效 果 ， 需 要 将 该 算 法 提 取 的 特 征 与与L B P相 关 算 法 提 取 的 特 征 进 行 融 合相 关 算 法 提 取 的 特 征 进 行 融 合。 特 征 融 合 在 特 征 相 似 度 计 算 阶 段 进 行 ， 首 先 对特 征 融 合 在 特 征 相 似 度 计 算 阶 段 进 行 ， 首 先 对 2种 算 法 提 取 的 特 征 分 别 计 算 相 似 度 ， 然 后 通 过 融种 算 法 提 取 的 特 征 分 别 计 算 相 似 度 ， 然 后 通 过 融 合 系 数 对 相 似 度 加 权 得 到 最 终 相 似 度合 系 数 对 相 似 度 加 权 得 到 最 终 相 似 度。L B P相 关相 关 算 法 得 到 的 特 征 为 直 方 图 特 征 ， 其 相 似 度 一 般 通 过算 法 得 到 的 特 征 为 直 方 图 特 征 ， 其 相 似 度 一 般 通 过 直 方 图 距 离 来 描 述 ，比 如 直 方 图 相 交 [17]、巴 氏 距直 方 图 距 离 来 描 述 ，比 如 直 方 图 相 交 [17]、巴 氏 距 离离[18]和 卡 方 距 离和 卡 方 距 离[19]等 ， 其 中 卡 方 距 离 的 描 述 效 果等 ， 其 中 卡 方 距 离 的 描 述 效 果 且且 应 用应 用 ， 计计 式式 为为 DCXU ， 1 - Y⑴）⑴）2 Xi 2Yi 8 V -L V I算 法 提 取 的 特 征 是 变 差 函 数 向 量 ， 其 各算 法 提 取 的 特 征 是 变 差 函 数 向 量 ， 其 各 步 长 对 应 的 函 数 值 大 小 直 接 反 映 了 纹 理 信 息 ， 采 用步 长 对 应 的 函 数 值 大 小 直 接 反 映 了 纹 理 信 息 ， 采 用 欧 氏 距 离 来 描 述 其 相 似 度 。 设欧 氏 距 离 来 描 述 其 相 似 度 。 设X和和Y分 别 表 示分 别 表 示 66 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 一 个 训 练 样 本 和 一 个 测 试 样 本 ，和一 个 训 练 样 本 和 一 个 测 试 样 本 ，和表 示 用表 示 用 L B P算 法 计 算 得 到 的 特 征 向 量 ，算 法 计 算 得 到 的 特 征 向 量 ，X “和和R表 示 用表 示 用 V -L V I算 法 得 到 的 特 征 向 量 ， 那 么 ， 特 征 融 合 后 的算 法 得 到 的 特 征 向 量 ， 那 么 ， 特 征 融 合 后 的 最 终 相 似 度 可 以 表 示 为最 终 相 似 度 可 以 表 示 为 0 , 〇〇i X i 1 2 1 - 0 2 X “ 2 9 式 中 〇 反 映 了式 中 〇 反 映 了 X和和Y两 种 样 本 的 不 相 似 性 ，两 种 样 本 的 不 相 似 性 ，0越越 大 ， 相 似 度 越 小大 ， 相 似 度 越 小;A x 〇〇和和0 2x 〇〇分 别 为 卡 方 距分 别 为 卡 方 距 离 和 欧 氏 距 离离 和 欧 氏 距 离为 融 合 系 数 ，为 融 合 系 数 ，0 1， 通 过 改， 通 过 改7 的 大 小 可 以 提 高 分 类 效 果 。的 大 小 可 以 提 高 分 类 效 果 。 在在2. 2节 中 ， 将 变 差 函 数 矩 阵 中 的 变 差 函 数 向节 中 ， 将 变 差 函 数 矩 阵 中 的 变 差 函 数 向 量 顺 序 连 接 得 到 纹 理 特 征 ， 但 该 纹 理 特 征 并 不 具 有量 顺 序 连 接 得 到 纹 理 特 征 ， 但 该 纹 理 特 征 并 不 具 有 旋 转 不 变 性 ， 特 别 是 对 于 各 方 向 变 化 不 均 勻 的 纹 理 。旋 转 不 变 性 ， 特 别 是 对 于 各 方 向 变 化 不 均 勻 的 纹 理 。 将 变 差 函 数 向 量 依 次 顺 序 连 接 并 分 别 计 算 相 似 度 可将 变 差 函 数 向 量 依 次 顺 序 连 接 并 分 别 计 算 相 似 度 可 以 很 好 地 解 决 这 一 问 题 ， 为 了 更 清 晰 地 描 述 ， 以 图以 很 好 地 解 决 这 一 问 题 ， 为 了 更 清 晰 地 描 述 ， 以 图6 为 例 进 行 说 明 。 对 于 训 练 样 本为 例 进 行 说 明 。 对 于 训 练 样 本X和 测 试 样 本和 测 试 样 本Y， 分， 分 别 计 算 出 它 们别 计 算 出 它 们4个 方 向 的 变 差 函 数 向 量个 方 向 的 变 差 函 数 向 量ax，，x，，cx ，x ， “和和，，y，，cy，，y， 各 向 量 的 方 向 关 系 如 图， 各 向 量 的 方 向 关 系 如 图6所 示 ，所 示 ， 对 于 训 练 样 本对 于 训 练 样 本X， 从， 从ax 开 始 顺 序 连 接 各 变 差 函 数 向x 开 始 顺 序 连 接 各 变 差 函 数 向 量 得 到 特 征 向 量量 得 到 特 征 向 量X i， 对 于 测 试 样 本， 对 于 测 试 样 本Y， 分 别 从， 分 别 从aY ，Y ， W，，cY， 心 开 始 顺 序 连 接 各 变 差 函 数 向 量 得 到， 心 开 始 顺 序 连 接 各 变 差 函 数 向 量 得 到4个个 特 征 向 量 （特 征 向 量 （1， （， （2 ,（（3,（（， 这， 这4个 特 征 向 量 组 成 旋 转个 特 征 向 量 组 成 旋 转 特 征 向 量 组 。 分 别 计 算 旋 转 特 征 向 量 组 中 各 向 量 与特 征 向 量 组 。 分 别 计 算 旋 转 特 征 向 量 组 中 各 向 量 与 足 的 相 似 度 ， 并 取 最 小 值 作 为 样 本足 的 相 似 度 ， 并 取 最 小 值 作 为 样 本Y与与X的 相 似的 相 似 度 ， 即度 ， 即 0 X，，Y m in [X1 1 ， （， （X1 2 ， （， （X1，（ 3 ， （， （X1 4 10 图图6变 差 函 数 向 量 的 方 向 关 系变 差 函 数 向 量 的 方 向 关 系 Fig. 6 Directional relationship of variogram vectors 变 差 函 数 的 计 算 方 向 越 多 ，V-LVI算 法 对 旋 转 纹 理 的 描 述 能 力 越 强 ， 但 这 会 相 应 地 增 加 计 算 量。 2.4 算法流程 对V-LVI算 法 提 取 的 特 征 与LBP特 征 进 行 分 类。V-LV I算 法 流 程 如 图 7 所 示。分 类 的 过 程 实 现 了 特 征 融 合 ， 并 使 纹 理 特 征 具 有 旋 转 不 变 性。 图图7 V-LVI算 法 流 程算 法 流 程 Fig