深度圖像及其修復(fù)在煤礦井下的研究

梁燕華，李金峰

（黑龍江科技大學(xué)，黑龍江哈爾濱，150022）

0 引言

人類對煤礦的需求日益增加，因?yàn)槊旱V里，提供我們的礦產(chǎn)，我們需要的熱，需要的其它能力，很多礦物質(zhì)，各方面化工，都需要它們的產(chǎn)品，只不過是隨著煤礦產(chǎn)量的增大，煤礦開采工作和地點(diǎn)也越來越多，事故也隨之增加，因此煤礦成為了重點(diǎn)照顧對象。井下安全[1]生產(chǎn)長期以來一直是我們所強(qiáng)調(diào)的，是保護(hù)勞動者安全健康和發(fā)展生產(chǎn)力的重要工作。煤礦井下環(huán)境普遍存在的安全隱患[2]有瓦斯爆炸、煤塵爆炸、礦井火災(zāi)、礦井水災(zāi)、頂板離層、脫落及支護(hù)不完好等。當(dāng)危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)如何該如何自救，化險(xiǎn)為夷成為了討論的熱點(diǎn)。如果對井下環(huán)境足夠熟悉，對地形、方向以及各位置的距離掌握準(zhǔn)確的話，可以大大提高脫險(xiǎn)概率。

在計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)中，三維場景信息為很多計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用創(chuàng)造了很多的價(jià)值，深度圖像也成為獲取三維場景信息的一種方法，并且運(yùn)用的很廣泛。本文提出深度圖像與煤礦井下相結(jié)合，可以對井下環(huán)境真實(shí)距離進(jìn)行獲取。這樣就可以更好的掌握井下的三維場景信息，提高工作效率，并且在危險(xiǎn)發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生時(shí)快速的進(jìn)行避險(xiǎn)。

1 深度圖像

深度圖像也被稱之為距離圖像，它是反應(yīng)環(huán)境內(nèi)各個(gè)點(diǎn)到傳感器之間的距離的圖像，采集到的深度用像素的值的大小來表示，通過處理將像素的值轉(zhuǎn)化為灰度，灰度越深，距離傳感器距離越近，灰度越淺，說明距離傳感器越遠(yuǎn)。深度圖采集到的是深度信息，不同的像素點(diǎn)對應(yīng)其相應(yīng)的深度值，無固定的取值范圍，灰度圖存儲的是灰度信息，取值范圍是0-255（8位深度）。通過深度圖像可以直接看出被測環(huán)境內(nèi)物體的外形和輪廓。目前，可以通過激光雷達(dá)成像法、結(jié)構(gòu)光法、主動（被動）傳感器測距等方法來獲得深度圖像。

2 深度圖像的獲取

獲取深度圖像的方法[3]可以分為兩類：被動測距傳感和主動深度傳感。

2.1 被動測距傳感

雙目立體視覺是被動測距傳感法使用比較多的方法，雙目就是兩個(gè)攝像機(jī)或者一個(gè)攝像機(jī)在同一水平線不同位置拍攝同一場景，像人的眼睛一樣。拍攝得到兩張不同位置同一場景的照片后，找到圖像中對應(yīng)的像素點(diǎn)，然后根據(jù)相似三角形的原理計(jì)算出視差信息（圖1），視差信息轉(zhuǎn)換后可以表達(dá)場景的深度信息。立體匹配的算法，還可以對同一環(huán)境進(jìn)行角度的變換來進(jìn)行拍攝來獲取這個(gè)被測場景的深度信息。

圖1 被動測距原理圖

2.2 主動測距傳感

主動測距傳感[4]和被動測距傳感的區(qū)別在于，前者是通過設(shè)備自身發(fā)出的能量來獲取深度信息。后者則是前文說到的要通過兩個(gè)不同的機(jī)位拍攝一組圖片，通過這組圖片之間的視差來獲取深度信息。

圖2 深度相機(jī)工作原理

3 深度圖像的修復(fù)

雖然深度相機(jī)應(yīng)用很廣泛，給很多領(lǐng)域創(chuàng)造了價(jià)值，但是相機(jī)因?yàn)樽陨碛布l件的影響，目前通過深度相機(jī)拍攝出的深度圖還有很多不足，很多深度相機(jī)拍攝的深度圖有部分深度值的缺失，使深度圖不完整，這影響我們對深度圖的研究和應(yīng)用。

因此，深度圖補(bǔ)全一直是一個(gè)非常有用的研究方向，很多深度相機(jī)拍攝出的深度圖像由于傳感器的質(zhì)量比較低會出現(xiàn)較多孔洞。因此需要深度圖修復(fù)算法[5]對孔洞進(jìn)行填充。

4 二階平滑度先驗(yàn)算法

本文所提出的算法二階平滑度先驗(yàn)的方法，下面先對原始二階平滑度先驗(yàn)算法[6]進(jìn)行簡單介紹和研究。

首先，定義一個(gè)能量函數(shù)E，將其分為兩個(gè)部分，（平滑項(xiàng)與數(shù)據(jù)項(xiàng)），數(shù)據(jù)項(xiàng)的作用是獲取每個(gè)點(diǎn)的填充像素的值[7]，平滑項(xiàng)的作用是通過最小化深度導(dǎo)數(shù)對填充的區(qū)域進(jìn)行平滑。能量函數(shù)可用公式表示為：

其中是圖像像素點(diǎn)p的觀察深度值，Z(p)是填充的深度值，將深度圖的像素強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為測量距離。dρ限制了每個(gè)像素點(diǎn)深度值的貢獻(xiàn)度，可用公式表示為：

5 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證算法的可靠性，本文實(shí)驗(yàn)采取的深度圖取自公開NYU數(shù)據(jù)集。這個(gè)數(shù)據(jù)集由1449張640*480的圖像組成，其中包括彩色圖和對應(yīng)的未處理的深度圖。

為了對本文算法進(jìn)行定量分析，在數(shù)據(jù)集中取未處理的深度圖進(jìn)行修復(fù)實(shí)驗(yàn)，并且計(jì)算了被填充深度值的均方根誤差、中值誤差和平均絕對誤差。結(jié)果如表1所示。

表1 在NYU V2數(shù)據(jù)集中的定量分析

從圖3與圖4對比可以看出對未處理的深度圖修復(fù)效果很好。

圖3 未處理的深度圖

圖4 本文算法修復(fù)

6 結(jié)束語

本文提出深度圖像應(yīng)用在煤礦井下環(huán)境，并對深度圖修復(fù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，修復(fù)效果很好，應(yīng)用到恢復(fù)煤礦井下深度圖，這樣就可以掌握井下的三維場景信息，對井下環(huán)境真實(shí)距離進(jìn)行獲取。提高工作效率，并且在危險(xiǎn)發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生時(shí)快速的進(jìn)行避險(xiǎn)。