基于混沌的煤礦視頻圖像清晰化處理方法

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)合混沌信號的隨機(jī)特性，提出了一種利用混沌信號的空間域圖像增強(qiáng)方法對煤礦視頻圖像進(jìn)行清晰化處理。通過仿真結(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；視頻監(jiān)控系統(tǒng)；圖像增強(qiáng)

中圖分類號：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，國家安全生產(chǎn)管理部門已經(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面，給安全檢測部門的工作帶來了很多的麻煩[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)為是無處不在的。但是，到目前為止，科學(xué)界也沒有誰給出一個(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，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)讓很多的研究者們在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和研究。

眾所周知，混沌具有類隨機(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)?，我們一般對于混沌產(chǎn)生的過程是可以用相應(yīng)的算法和公式來表示的，但是，一般的隨機(jī)過程則是不可能用公式和算法來表示的，是無法準(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)特性來確定的。其中，比較常見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，普通圖像的灰度級分布都是呈正態(tài)分布規(guī)律，而且，都灰度級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，這對于圖像分析來講就帶來了很大的麻煩，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稱性：

[（x，y，z）→（-x，-y，z）][] （2）

這種對稱性對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，其中一個(gè)平衡點(diǎn)就是[x0=（0，0，0）]，通過計(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)生的混沌序列來分析，此類混沌信號具有類噪聲的特性，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。再將此混沌信號經(jīng)過某種非線性數(shù)字化處理后，就可以滿足圖像灰度值的要求，就可以對原始輸入圖像進(jìn)行非線性處理。通過均衡化處理，可以大大改變原始圖像的直方圖的分布情況，使圖像灰度級趨于均勻分布，大大提高了圖像的對比度，整幅圖像就會(huì)更清晰。

下面是混沌S-box對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，從視覺角度來觀察，煤礦井下圖像的清晰度大大提高了。

3 結(jié)束語

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看，煤礦井下獲取的實(shí)物圖像的對比度明顯增強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚得健.淺談自動(dòng)化、信息化與數(shù)字礦山[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，43（1）：23-27.

[2]張謝華.煤礦智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2013.

[3]馬紅光，韓崇昭.電路中的混沌與故障診斷[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007：5-16.

[4]黃潤生.混沌及其應(yīng)用[M]，武漢：武漢大學(xué)出版社，2000.

[5]顧勤龍.混沌理論及其在信息安全和優(yōu)化中的應(yīng)用研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2003.

[6]李輝.混沌數(shù)字通信[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：45-48.

[7]葉群，余妹蘭，潘長珍，等.基于DSP技術(shù)的煤礦視頻監(jiān)控圖像處理的研究[J].信息通信，2016（6）：44-45.

[8] 應(yīng)東杰，李文節(jié).煤礦監(jiān)控圖像增強(qiáng)算法的分析與實(shí)現(xiàn)[J].工礦自動(dòng)化，2012 （8）：55-58.