基于变换域广义伽玛分布的煤岩识别方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及基于变换域广义伽玛分布的煤岩识别方法，属于图像识别技术领域。
【背景技术】
[0002] 煤岩识别是指通过各种技术手段自动判别出煤炭与岩石。在煤炭资源开采及运输 过程中，存在许多生产环节需要判别区分煤炭与岩石，如采煤机滚筒高度调节、综采放顶煤 过程控制、选煤厂原煤选杆等。从20世纪50年代开始，南非、澳大利亚、德国、美国、中国 等世界主要产煤国家对煤岩识别方法展开了一系列研究，相继产生了一些代表性的研究成 果，如自然丫射线探测法、雷达探测法、红外探测法、有功功率检测法、振动信号检测法、声 音信号检测法等。然而该些方法均存在W下共性问题；（1)需要在现有设备上安装部署各 种传感器、导致装置结构复杂，制造成本高；（2)采煤机、掘进机等机械设备在煤炭生产过 程中受力复杂、振动剧烈、磨损严重，传感器部署相对比较困难，其电子线路也容易受到损 坏，装置可靠性差；(3)针对不同类型的机械载体设备，传感器的选型和安装位置的选择存 在较大区别，该就需要进行个性化定制，因此其普适性不佳。
[0003] 通过对块状的煤炭、岩石样本的观察，发现煤炭与岩石在颜色、光泽、纹理等方面 存在较大的差异。当通过现有的数字摄像设备对煤炭或岩石进行成像时，煤炭与岩石的视 觉差异信息就隐藏在采集得到的数字图像中了，因此提出通过挖掘煤岩数字图像中的视觉 信息来区分煤炭与岩石。现有的基于图像处理的煤岩识别方法在鲁椿性、识别率等方面还 存在着较大的提升空间。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有煤岩识别方法存在的不足，本发明提出基于变换域广义伽玛分布的 煤岩识别方法，该方法具有实时性强、识别率高、稳健性好等优点，能够为现代化煤矿安全 高效生产提供有力的技术保障。
[0005] 本发明所述的煤岩识别方法采用如下技术方案实现，包括样本训练阶段和煤岩识 别阶段，具体步骤如下；
[0006] A.在样本训练阶段，获取相同光照条件下拍摄的m幅已知煤炭样本图像和m幅已 知岩石样本图像，截取宽度和高度均为偶数个像素点并且不含非煤岩背景的子图像，煤炭 样本子图和岩石样本子图分别记为Ci，C2，…，Cm和ri，r2，…，r。；
[0007] B.分别对样本子图Ci，C2,…，Cm和r1^2,…，r。进行N级两路小波变换，每幅样本 子图得到12XN个高频部分小波系数子带，每个高频部分小波系数子带记为Co斯^,，Co蛛心 表示样本子图在经过第i级两路小波变换W后的第d个方向的第j路高频部分小波系数子 带，其中i表示两路小波变换的级数序号，i的取值为1，2，…，N，d表示两路小波变换的方 向序号，d的取值为1，2，…，6,j表示两路小波变换的路序号，j的取值为1，2 ;
[0008] C.对步骤B所述的每幅样本子图的级数序号相同并且方向序号也相同的两个高 频部分小波系数子带进行求均方根操作，得到6XN个均方根小波系数子带，每一个均方根 小波系数子带记为RmsCoefi_d，RmsCoefi_d表示样本子图在经过第i级两路小波变换W后的 第d个方向的均方根小波系数子带；
[000引D.分别计算步骤C所述的每一个均方根小波系数子带RmsCoefw的均值yW和巧董。Id;
[0010]E.根据步骤D所计算的每一个均方根小波系数子带的均值和方差，对步骤C所 述的每一级两路小波变换W后的6个方向的均方根小波系数子带按照均值和方差的乘积 值从大到小的顺序排列，每一个经过排序W后的均方根小波系数子带记为RmsCoefSi_。， RmsCoefSi_。表示样本子图在经过第i级两路小波变换W后的6个均方根小波系数子带中均 方根小波系数子带均值和均方根小波系数子带方差的乘积值由大到小顺序排第n个的均 方根小波系数子带，n表示均方根小波系数子带均值和均方根小波系数子带方差的乘积值 由大到小顺序排列的排列序号，n的取值为1，2,…，6 ;
[0011]F.分别计算步骤E所述的经过排序W后的每一个均方根小波系数子带在服从概 率密度函数为
的广义伽玛分布条件下的指数形状参数a、形 状参数T和尺度参数A，其中X表示均方根小波系数子带中的元素，也就是均方根小波系 数，函数r(a) = ￡VVV/在r(a)函数表达式中，a为自变量，t为积分变量，积分区间 为[0，+ -)，e表示自然常数；
[0012]G.利用每一幅煤炭样本子图Ck或岩石样本子图Tk经过N级两路小波变换、高频 部分小波系数子带求均方根操作并且按上述步骤E排序W后的每一个均方根小波系数子 带在服从广义伽玛分布条件下的指数形状参数a、形状参数T和尺度参数A，构造出一个 6XNX3维的特征列向量K,.或其中下标k表示样本序号，k的取值为1，2,…，m，然后把 该2Xm个特征列向量保存到数据存储设备中，用于后续的煤岩识别阶段；
[0013]H.在煤岩识别阶段，获取相同光照条件下拍摄的未知类别煤岩图像，截取宽度和 高度均为偶数个像素点并且不含非煤岩背景的待识别子图U,;
[0014]I.与上述步骤B类似，对U进行N级两路小波变换，从而得到12XN个高频部分 小波系数子带，每个高频部分小波系数子带记为化:表示待识别子图Uy在经过 第i级两路小波变换W后的第d个方向的第j路高频部分小波系数子带；
[0015] J.与上述步骤C类似，对步骤I所述的待识别子图U,的级数序号相同并且方向序 号也相同的两个高频部分小波系数子带进行求均方根操作，得到6XN个均方根小波系数 子带，每一个均方根小波系数子带记为RmsUxCfw，RmsUxCfw表示待识别子图U,在经过第 i级两路小波变换W后的第d个方向的均方根小波系数子带；
[0016] K.与上述步骤D类似，分别计算步骤J所述的每一个均方根小波系数子带 RmsUxCfw的均值；^,_州方差品d;
[0017]L.与上述步骤E类似，根据步骤K所计算的每一个均方根小波系数子带的均值和 方差，对步骤J所述的每一级两路小波变换W后的6个方向的均方根小波系数子带按照均 值和方差的乘积值从大到小的顺序排列，每一个经过排序W后的均方根小波系数子带记为 RmsUxCfSi_"，RmsUxCfSi_。表示待识别子图U,在经过第i级两路小波变换W后的6个均方根 小波系数子带中均方根小波系数子带均值和均方根小波系数子带方差的乘积值由大到小 顺序排第n个的均方根小波系数子带；
[0018] M.与上述步骤F类似，分别计算步骤L所述的经过排序W后的每一个均方根小波 系数子带在服从广义伽玛分布条件下的指数形状参数a、形状参数T和尺度参数A;
[0019] N.与上述步骤G类似，利用待识别子图U,经过N级两路小波变换、高频部分小波 系数子带求均方根操作并且按上述步骤L排序W后的每一个均方根小波系数子带在服从 广义伽玛分布条件下的指数形状参数a、形状参数T和尺度参数A，构造出一个6XNX3 维的特征列向量；
[0020] 0.比较特征列向量^与特征列向量之间的相似度，其中下标k表示样本序 号，k的取值为1，2,…，m，从而判定待识别子图U,所属的煤岩类别。
[0021] 所述N级两路小波变换包括W下步骤：
[0022] (1)初始化设置两路小波变换的级数序号i= 1 ;
[0023] (2)彩色图像灰度化处理，即把24位煤岩彩色图像转换成8位煤岩灰度图像，采 用的转换公式为Y= 0. 299R+0. 587G+0. 114B，其中R，G和B分别表示转换前彩色图像的红 色，绿色和藍色分量，Y表示转换后灰度图像的像素值；
[0024](3)用一维的低通滤波器h。对煤岩灰度图像进行逐列滤波，从而得到低频部分小 波系数子带Coeft。；
[00巧](4)用一维的高通滤波器hi对煤岩灰度图像进行逐列滤波，从而得到高频部分小 波系数子带Coefai;
[002引 妨用步骤做所述的低通滤波器h。对步骤（4)所述的高频部分小波系数子带 Coefsi进行逐行滤波，从而得到高频部分小波系数子带CoefV;
[0027] 做用步骤（4)所述的高通滤波器hi对步骤做所述的低频部分小波系数子带Coefji行逐行滤波，从而得到高频部分小波系数子带Coefu;
[002引 （7)用步骤（4)所述的高通滤波器hi对步骤（4)所述的高频部分小波系数子带 Coefsi进行逐行滤波，从而得到高频部分小波系数子带CoefHH;
[002引 做用步骤做所述的低通滤波器h。对步骤做所述的低频部分小波系数子带 Coefji行逐行滤波，从而得到低频部分小波系数子带CoefW
[0030] (9)利用步骤（5)所述的高频部分小波系数子带CoefHu分别构造煤岩图像在经过 第1级两路小波变换W后的第1个方向的第1路高频部分小波系数子带、煤岩图像在 经过第1级两路小波变换W后的第1个方向的第2路高频部分小波系数子带Coe扭,、煤岩图 像在经过第1级两路小波变换W后的第6个方向的第1路高频部分小波系数子带Coe乂。、 煤岩图像在经过第1级两路小波变换W后的第6个方向的第2路高频部分小波系数子带 Coefl,;
[003。 （10)利用步骤做所述的高频部分小波系数子带Coefw分别构造煤岩图像在经 过第1级两路小波变换W后的第3个方向的第1路高频部分小波系数子带C'w尼、煤岩图像 在经过第1级两路小波变换W后的第3个方向的第2路高频部分小波系数子带C'w后、煤岩 图像在经过第1级两路小波变换W后的第4个方向的第1路高频部分小波系数子带、 煤岩图像在经过第1级两路小波变换W后的第4个方向的第2路高频部分小波系数子带 C。犯；
[003引 （11)利用步骤（7)所述的高频部分小波系数子带CoefsH，分别构造煤岩图像在经 过第1级两路小波变换W后的第2个方向的第1路高频部分小波系数子带Co诉;、煤岩图像 在经过第1级两路小波变换W后的第2个方向的第2路高频部分小波系数子带。诉.;、煤岩 图像在经过第1级两路小波变换W后的第5个方向的第1路高频部分小波系数子带C'o蛛、 煤岩图像在经过第1级两路小波变换W后的第5个方向的第2路高频部分小波系数子带 Coe把5 ;
[0033] (12)两路小波变换的级数序号自增1，即i=i+1 ;
[0034] (13)动态申请与Coe片L数据结构完全一致的临时数据存储区TempCoef，并将其数 据内容初始化为Coef^的数据内容；
[003引 （14)判断i《N条件是否成么如果是，则进入W下步骤（巧)-(28)的迭代循环， 如果否，则转到步骤（29);
[0036] (15)如果TempCoef数据的总行数不是4的倍数，那么对TempCoef数据进行修正， 在TempCoef数据的第一行RoWfiut前面追加一行Row'化日t并且R〇w'化日t的数据内容用RoWfiut的数据内容进行填充，在TempCoef数据的最后一行Row1。日t后面追加一行Row' i。日， 并且Row'1。,,的数据内容用Row1。,,的数据内容进行填充；
[0037] (16)如果TempCoef数据的总列数不是4的倍数，那么对TempCoef数据进行修正， 在TempCoef数据的第一列Colfiut前面追加一列Col'Hut并且〔〇1'm?日t的数据内容用Colfiut的数据内容进行填充，在TempCoef数据的最后一列Col 后面追加一列C〇ri。,， 并且Col'laJ勺数据内容用CollaJ勺数据内容进行填充；
[0038] (17)用两组一维的低通滤波器h。。、hw对TempCoef数据进行双重列滤波，从而得 到低频部分小波系数子带Coe片，其中下标i表示两路小波变换的级数序号；
[0039] (18)用两组一维的高通滤波器hi。、hii对TempCoef数据进行双重列滤波，从而得 到高频部分小波系数子带CoefH2_i，其中下标i表示两路小波变换的级数序号；
[0040] (19)用步骤（17)所述的低通滤波器h。。、V对步骤（18)所述的高频部分小波系 数子带CoefHw进行双重行滤波，从而得到高频部分小波系数子带CoefHLW，其中下标i表 示两路小波变换的级数序号；
[0041] (20)用步骤（18)所述的高通滤波器hi。、h。对步骤（17)所述的低频部分小波系 数子带Coe片W进行双重行滤波，从而得到高频部分小波系数子带Coefuw，其中下标i表 示两路小波变换的级数序号；
[004引 （21)用步骤（18)所述的高通滤波器hi。、h。对步骤（18)所述的高频部分小波系 数子带CoefHw进行双重行滤波，从而得到高频部分小波系数子带CoefHHW，其中下标i表 示两路小波变换的级数序号；
[0043] (22)用步骤（17)所述的低通滤波器h。。、hw对步骤（17)所述的低频部分小波系 数子带CoefL2-进行双重行滤波，从而得到低频部分小波系数子带CoefLLW，其中下标i表 示两路小波变换的级数序号；
[0044] (23)利用步骤（19)所述的高频部分小波系数子带CoefHLw，分别构造煤岩图像在 经过第i级两路小波变换W后的第1个方向的第1路高频部分小波系数子带、煤岩图 像在经过第i级两路小波变换W后的第1个方向的第2路高频部分小波系数子带Coe/!,、 煤岩图像在经过第i级两路小波变换W后的第6个方向的第1路高频部分小波系数子带 Coe尤。、煤岩图像在经过第i级两路小波变换W后的第6个方向的第2路高频部分小波系数 子带Coe尤。；
[0045] (24)利用步骤（20)所述的高频部分小波系数子带Coe片HW，分别构造煤岩图像在 经过第i级两路小波变换W后的第3个方向的第1路高频部分小波系数子带Co蛛、煤岩 图像在经过第i级两路小波变换W后的第3个方向的第2路高频部分小波系数子带、 煤岩图像在经过第i级两路小波变换W后的第4个方向的第1路高频部分小波系数子带 Coe尤4、煤岩图像在经过第i级两路小波变换W后的第4个方向的第2路高频部分小波系数 子带心蛛1(;
[0046] (25)利用步骤（21)所述的高频部分小波系数子带CoefsHw，分别构造煤岩图像在 经过第i级两路小波变换W后的第2个方向的第1路高频部分小波系数子带、煤岩图 像在经过第i级两路小波变换W后的第2个方向的第2路高频部分小波系数子带C'og侣;、 煤岩图像在经过第i级两路小波变换W后的第5个方向的第1路高频部分小波系数子带 Cog把;、煤岩图像在经过第i级两路小波变换W后的第5个方向的第2路高频部分小波系数 子带C。决5;
[0047] (26)释放临时数据存储区TempCoef所占用的内存空间，重新动态申请与步骤 (22)所述Co吨。_斯数据结构完全一致的临时数据存储区TempCoef，并将其数据内容初始 化为Coe片。的数据内容；
[0048] (27)两路小波变换的级数序号自增1，即i=i+1 ;
[0049](28)转到步骤（14)，进行下一级两路小波变换；
[0050] (29)释放临时数据存储区TempCoef所占用的内存空间，完成N级两路小波变换。
[005