CN104463098A - 用图像的结构张量方向直方图特征识别煤岩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用图像的结构张量方向直方图特征识别煤岩的方法，该方法采用形态学尺度空间图像的结构张量方向直方图表征煤岩对象特征，用下述步骤进行识别：A.用结构张量方向直方图表征已知煤岩对象的图像；B.用与步骤A相同的方法表征待识别的煤岩图像；C.比较步骤B和步骤A所确定的图像特征的相似性进行煤岩识别，具有识别率高，稳定性好、鲁棒性强等特点。

Description

用图像的结构张量方向直方图特征识别煤岩

技术领域

本发明涉及一种用图像的结构张量方向直方图特征识别煤岩的方法，属于图像识别技术领域。

背景技术

煤岩识别即用一种方法自动识别出煤岩对象为煤或岩石。在煤炭生产过程中，煤岩识别技术可广泛应用于滚筒采煤、掘进、放顶煤开采、原煤选矸石等生产环节，对于减少采掘工作面作业人员、减轻工人劳动强度、改善作业环境、实现煤矿安全高效生产具有重要意义。

已有多种煤岩识别方法，如自然γ射线探测法、雷达探测法、应力截齿法、红外探测法、有功功率监测法、震动检测法、声音检测法、粉尘检测法、记忆截割法等，但这些方法存在以下问题：①需要在现有设备上加装各类传感器获取信息，导致装置结构复杂，成本高。②采煤机滚筒、掘进机等设备在生产过程中受力复杂、振动剧烈、磨损严重、粉尘大，传感器部署比较困难，容易导致机械构件、传感器和电气线路受到损坏，装置可靠性差。③对于不同类型机械设备，传感器的最佳类型和信号拾取点的选择存在较大区别，需要进行个性化定制，系统的适应性差。

通过对煤、岩石块状样本的观察，发现煤和岩石的表面纹理在粗糙程度、稀疏程度、纹理变化的均匀性、沟纹的深浅等方面都有很大差异，因此，用图像技术来识别煤岩具有可行性，已有的基于图像技术的煤岩识别方法在识别稳定性和识别正确率上还有很大的不足。

需要一种解决或至少改善现有技术中固有的一个或多个问题的煤岩识别方法。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用图像的结构张量方向直方图特征识别煤岩的方法，以提高煤岩识别稳定性和识别正确率，为自动化采掘、自动化放煤、自动化选矸等生产过程提供可靠的煤岩识别信息。

根据一种实施例形式，提供一种用图像的结构张量方向直方图特征识别煤岩的方法，包括以下步骤：

A.用图像的结构张量方向直方图表征已知煤岩对象的图像；

B.用与步骤A相同的方法表征待识别的煤岩图像；

C.比较步骤B和步骤A所确定的图像特征的相似性进行煤岩识别；

在进一步特定的但非限制性的形式中，所述煤岩图像结构张量方向直方图特征计算包括如下步骤：

(1).对于给定的已知煤岩对象的图像f_c和f_r及待识别的煤岩图像f_x，用不同尺度的圆型平坦结构元素δ₁、δ₂对其进行腐蚀和膨胀操作，得到不同尺度下的煤图像{f_cδ}、岩图像{f_rδ}和待识别的煤岩图像{f_xδ}；

(2).计算{f_cδ}中每张图像的结构张量方向直方图，相加滤除噪声后得到煤的结构张量方向直方图H_c；计算{f_rδ}中每张图像的结构张量方向直方图，相加滤除噪声后得到岩的结构张量方向直方图H_r；计算{f_xδ}中每张图像的结构张量方向直方图，相加滤除噪声后得到待识别煤岩图像的结构张量方向直方图H_x；

在进一步特定的但非限制性的形式中，所述图像的结构张量方向计算包括如下步骤：

(1).给定灰度图像I，计算其结构张量T

$T=F\left(\begin{array}{cc}{I}_x^2& I_x{I}_y\\ I_x{I}_y& I_y^2\end{array}\right)=\left[\begin{array}{cc}{T}_{\mathrm{xx}}& T_{\mathrm{xy}}\\ T_{\mathrm{yx}}& T_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]$

I_x，I_y表示像素点(x，y)分别在X方向和Y方向的微分，F表示在像素点(x，y)邻域内的平均操作；

(2).计算

$p=\frac{\sqrt{{(T_{\mathrm{xx}}-T_{\mathrm{yy}})}^2+{4T}_{\mathrm{xy}}^2}}{T_{\mathrm{xx}}+T_{\mathrm{yy}}}$

如果k为常数，计算每个像素的结构张量方向

φ＝arctan2(T_xx-T_yy，2T_xy)

其中

$\arctan 2(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \left(\frac{y}{x}\right)& \mathrm{ifx}>0\\ \arctan \left(\frac{y}{x}\right)+\mathrm{\&pi;sign}\left(y\right)& \mathrm{ifx}<0\\ \frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\mathrm{sign}\left(y\right)& \mathrm{ifx}=0,y\&NotEqual;0\end{array}\right.$

$\mathrm{sign}\left(z\right)=\left\{\begin{array}{ccc}+1& \mathrm{if}& z\&GreaterEqual;0\\ -1& \mathrm{if}& z<0\end{array}\right\};$

在进一步特定的但非限制性的形式中，所述煤岩图像结构张量方向直方图相似性计算公式为：

$d(h_1,h_2)=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{B}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(h_{1i}-h_{2i})}^2}{h_{1i}+h_{2i}};$

在进一步特定的但非限制性的形式中，所述煤岩识别方法为：若

d(H_x，H_c)＜d(H_x，H_r)＜T₁且d(H_x，H_r)＞T₂，则为煤，其它则为岩；其中，B为结构张量方向直方图的单元个数，T₁，T₂为常数。

附图说明

通过以下说明，附图实施例变得显而已见，其仅以结合附图描述的至少一种优选但非限制性实施例的示例方式给出。

图1是本发明所述图像结构张量方向直方图计算流程。

图2是本发明煤、岩和待识别煤岩图像结构张量方向直方图计算流程。

图3是本发明中所用到的结构元素。

图4是本发明所述煤岩识别方法的流程图。

具体实施方式

通过对煤、岩石块状样本的观察，煤、岩石的纹理在粗糙程度、稀疏程度、纹理变化的均匀性、沟纹的深浅等方面有很大的不同。煤和岩石图像在纹理特征上的自稳定性和互异性为煤岩识别的实现提供了先决条件。因此，找到一种或若干种能明显区分煤和岩石的稳定图像特征即可完成煤岩识别任务。图像的结构张量描述了每个像素邻域内的纹理结构，通过大量的实验研究发现用图像结构张量方向直方图特征能够有效地识别煤岩对象。图像的分辨率越高则能用越小的尺度表征物体，不同尺度的图像表征了物体不同程度的细节，最小尺度的图像表征了物体最精细的特征，最大尺度的图像则表征了物体最粗略的特征，根据形态学尺度空间理论，在大尺度图像里的特征在小尺度图像里一定有一个与之对应的特征，用不同尺度图像里的特征共同描述物体更加强了描述特征的稳定性、鉴别性和鲁棒性。

本发明用多尺度的煤岩图像的结构张量方向直方图特征来识别煤岩对象，首先介绍图像结构张量方向直方图的计算。

给定灰度图像I，其结构张量T由式(1)计算：

$T=G_{\mathrm{\&rho;}}*\left(\begin{array}{cc}{I}_x^2& I_x{I}_y\\ I_x{I}_y& I_y^2\end{array}\right)=\left[\begin{array}{cc}{T}_{\mathrm{xx}}& T_{\mathrm{xy}}\\ T_{\mathrm{yx}}& T_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

G_ρ为由式(2)所示的高斯函数，ρ为像素点(x，y)的邻域范围(ρ＝5)，*表示卷积运算。

$G_{\mathrm{\&rho;}}=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&rho;}}^2}\exp \{-\frac{x^2+y^2}{{2\mathrm{\&rho;}}^2}\}---\left(2\right)$

I_x，I_y表示像素点(x，y)分别在X方向和Y方向的微分，由式(3)计算

$I_x=G_{\mathrm{\&sigma;}}^x*I,I_y=G_{\mathrm{\&sigma;}}^y*I---\left(3\right)$

为高斯函数分别在X方向和Y方向的微分(σ＝1)。

结构张量T反映了每个像素邻域ρ内的纹理结构，其ρ邻域内纹理结构的特征由式(4)度量：

$p=\frac{\sqrt{{(T_{\mathrm{xx}}-T_{\mathrm{yy}})}^2+{4T}_{\mathrm{xy}}^2}}{T_{\mathrm{xx}}+T_{\mathrm{yy}}}---\left(4\right)$

当p→0时，表示其ρ邻域内纹理结构是均匀的，当p→1时表示其ρ邻域内纹理结构有非常强的方向性，其纹理结构的方向向量w为式(5)所示：

$w=\left[\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{xx}}-T_{\mathrm{yy}}\\ {2T}_{\mathrm{xy}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

忽略微小的不均匀结构，考虑时纹理结构的方向，像素点(x，y)ρ邻域内的纹理结构方向由式(6)计算

φ＝arctan2(T_xx-T_yy，2T_xy)   (6)

其中

$\arctan 2(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \left(\frac{y}{x}\right)& \mathrm{ifx}>0\\ \arctan \left(\frac{y}{x}\right)+\mathrm{\&pi;sign}\left(y\right)& \mathrm{ifx}<0\\ \frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\mathrm{sign}\left(y\right)& \mathrm{ifx}=0,y\&NotEqual;0\end{array}\right.$

$\mathrm{sign}\left(z\right)=\left\{\begin{array}{ccc}+1& \mathrm{if}& z\&GreaterEqual;0\\ -1& \mathrm{if}& z<0\end{array}\right\}$

因此，φ∈(-π，π)，将φ划分成360个单元，统计图像I中每个方向出现的频率，即为该图像的结构张量方向直方图，其流程如图1所示。

图2是煤、岩和待识别煤岩图像结构张量方向直方图计算流程图。将成像设备获得的已知煤、岩对象的图像或者待识别对象的图像f用尺度分别为δ₁＝1，δ₂＝2的圆形平坦结构元素进行彭胀和腐蚀操作，其结构元素如图3所示，得到包括原图像在内的5幅形态学尺度空间的图像，按图1所述流程提取每一幅图像的结构张量方向直方图，将每个直方图中对应单元数相加，将小于阈值τ的单元的个数抑制到1，即滤波以压制噪声得到已知煤、岩对象的图像或者待识别对象图像的结构张量方向直方图。

图4为用图像的结构张量方向直方图识别煤岩的基本流程，首先执行由①虚线所示操作步骤，此操作步骤在煤岩识别过程中只执行一次。成像设备获得已知煤样本图像f_c和已知岩样本图像f_r后，在形态学尺度空间分别对f_c和f_r进行处理，得到不同尺度的图像{f_sc}，{f_sr}，然后由{f_sc}和{f_sr}分别得到表征煤图像特征的结构张量方向直方图H_c和表征岩石图像特征的结构张量方向直方图H_r。

再执行由②实线所示操作步骤，获得待识别对象图像的结构张量方向直方图H_x后，根据d(H_x，H_c)和d(H_x，H_r)的距离关系识别是煤还是岩石，距离计算公式为式(7)：

$d(h_1,h_2)=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{B}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(h_{1i}-h_{2i})}^2}{h_{1i}+h_{2i}}---\left(7\right)$

若d(H_x，H_c)＜d(H_x，H_r)＜T₁且d(H_x，H_r)＞T₂，则为煤，其它则为岩；其中，B为结构张量方向直方图的单元个数，T₁，T₂为设定的阈值。

Claims (5)

1.一种用图像的结构张量方向直方图特征识别煤岩的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

A.用图像的结构张量方向直方图表征已知煤岩对象的图像； 

B.用与步骤A相同的方法表征待识别的煤岩图像； 

C.比较步骤B和步骤A所确定的图像特征的相似性进行煤岩识别。 

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于所述煤岩图像结构张量方向直方图特征计算包括如下步骤： 

(1).对于给定的已知煤岩对象的图像f_c和f_r及待识别的煤岩图像f_x，用不同尺度的圆型平坦结构元素δ₁、δ₂对其进行腐蚀和膨胀操作，得到不同尺度下的煤图像{f_cδ}、岩图像{f_rδ}和待识别的煤岩图像{f_xδ}； 

(2).计算{f_cδ}中每张图像的结构张量方向直方图，相加滤除噪声后得到煤的结构张量方向直方图H_c；计算{f_rδ}中每张图像的结构张量方向直方图，相加滤除噪声后得到岩的结构张量方向直方图H_r；计算{f_xδ}中每张图像的结构张量方向直方图，相加滤除噪声后得到待识别煤岩图像的结构张量方向直方图H_x。 

3.根据权利要求1和2任一项所述方法，其特征在于所述图像结构张量方向计算包括如下步骤： 

(1).给定灰度图像I，计算其结构张量T 

I_x，I_y表示像素点(x，y)分别在X方向和Y方向的微分，F表示在像素点(x，y)邻域内的平均操作； 

(2).计算 

如果k为常数，计算每个像素的结构张量方向 

φ＝arctan2(T_xx-T_yy，2T_xy) 

其中 

。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于所述煤岩图像结构张量方向直方图相似性计算公式为： 

。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于所述煤岩识别方法为： 

若d(H_x，H_c)＜d(H_x，H_r)＜T₁且d(H_x，H_r)＞T₂，则为煤，其它则为岩；其中，B为结构张量方向直方图的单元个数，T₁，T₂为常数。