一种基于快速双边滤波的烟雾识别方法和装置与流程

本发明涉及技术领域模式识别领域，尤其涉及一种基于快速双边滤波的烟雾识别方法和装置。

背景技术：

火灾是人类常见的严重灾害之一，为了减少火灾造成的伤害，最重要的就是尽早对火灾进行预警。火灾前期燃料通常不能充分燃烧，经常伴有烟雾出现，因此烟雾可以作为火灾发生的前兆。随着工业发展，基于可见光的视频监控系统已经成为保护人们安全生活的重要手段，而其自身成本低、分辨率高、范围广、无接触的优点使其广泛用于火灾预警系统。目前，基于视频的烟雾检测是火灾预警中一个重要的研究和应用方向。

但是，原始图像序列中存在很多噪声，尤其是在平滑区域，因此需要对图像进行滤波，图像滤波的过程中不仅需要平滑图像，并且需要保持图像中目标的边缘信息。

双边滤波在图像处理的过程中计算量大，实时性较差，因此需要进行快速的双边滤波来提升滤波的实时性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：如何提供快速的双边滤波方法进行图像滤波从而有助于烟雾检测。

为了解决上述技术问题，在一个方面，本发明提供了一种基于快速双边滤波的烟雾识别方法。

本发明实施例的基于快速双边滤波的烟雾识别方法包括：获取原始图像；确定原始图像中目标像素点邻域内的任一邻近像素点到目标像素点的空间距离、以及该邻近像素点像素值与目标像素点像素值之间的偏离程度；根据所述空间距离得到该邻近像素点的空间权重，根据所述偏离程度得到该邻近像素点的相似性权重，根据所述空间权重和所述相似性权重获得该邻近像素点的综合权重；基于所述综合权重确定目标像素点邻域内每一邻近像素点的像素值的加权和，将所述加权和作为目标像素点在滤波图像中的像素值；以及，在所述滤波图像中执行烟雾识别。

优选地，所述空间距离为欧式距离，所述偏离程度为邻近像素点像素值与目标像素点像素值差值的绝对值。

优选地，所述根据所述空间距离得到该邻近像素点的空间权重，具体包括：将所述空间距离代入高斯函数，得到所述空间权重；所述根据所述偏离程度得到该邻近像素点的相似性权重，具体包括：将所述偏离程度代入高斯函数，得到所述相似性权重；根据所述空间权重和所述相似性权重获得该邻近像素点的综合权重，具体包括：将所述空间权重与所述相似性权重的乘积作为所述综合权重。

优选地，所述滤波图像通过基于二维高斯函数的卷积而形成；以及，所述方法进一步包括：将所述二维高斯函数转换为横向一维高斯函数和纵向一维高斯函数；利用横向一维高斯函数对原始图像进行横向卷积，再利用纵向一维高斯函数对经过横向卷积的图像进行纵向卷积，得到所述滤波图像；或者，利用纵向一维高斯函数对原始图像进行纵向卷积，再利用横向一维高斯函数对经过纵向卷积的图像进行横向卷积，得到所述滤波图像。

在另一方面，本发明提供了一种基于快速双边滤波的烟雾识别装置。

本发明实施例的基于快速双边滤波的烟雾识别装置包括：采集单元，用于获取原始图像；权重计算单元，用于确定原始图像中目标像素点邻域内的任一邻近像素点到目标像素点的空间距离、以及该邻近像素点像素值与目标像素点像素值之间的偏离程度；根据所述空间距离得到该邻近像素点的空间权重，根据所述偏离程度得到该邻近像素点的相似性权重，根据所述空间权重和所述相似性权重获得该邻近像素点的综合权重；滤波单元，用于基于所述综合权重确定目标像素点邻域内每一邻近像素点的像素值的加权和，将所述加权和作为目标像素点在滤波图像中的像素值；以及，识别单元，用于在所述滤波图像中执行烟雾识别。

优选地，所述空间距离为欧式距离，所述偏离程度为邻近像素点像素值与目标像素点像素值差值的绝对值。

优选地，权重计算单元进一步用于：将所述空间距离代入高斯函数，得到所述空间权重，将所述偏离程度代入高斯函数，得到所述相似性权重，将所述空间权重与所述相似性权重的乘积作为所述综合权重。

优选地，所述滤波图像通过基于二维高斯函数的卷积而形成；以及，所述装置进一步包括：分离滤波单元，用于将所述二维高斯函数转换为横向一维高斯函数和纵向一维高斯函数；利用横向一维高斯函数对原始图像进行横向卷积，再利用纵向一维高斯函数对经过横向卷积的图像进行纵向卷积，得到所述滤波图像；或者，利用纵向一维高斯函数对原始图像进行纵向卷积，再利用横向一维高斯函数对经过纵向卷积的图像进行横向卷积，得到所述滤波图像。

在又一方面，本发明提供一种电子设备。

本发明实施例的电子设备可包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明实施例的基于快速双边滤波的烟雾识别方法。

在再一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质。

本发明实施例的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明实施例的基于快速双边滤波的烟雾识别方法。

在本发明实施例的技术方案中，可在实现平滑滤波的前提下有效保持图像中目标的边缘信息，并且能够将二维滤波方式转换为横向与纵向的线性滤波，由此可减小卷积运算量，提高图像处理实时性，实现快速的双边滤波。

附图说明

图1是本发明实施例的基于快速双边滤波的烟雾识别方法的主要步骤示意图；

图2是本发明实施例的快速滤波效果示意图；

图3是本发明实施例的基于快速双边滤波的烟雾识别装置的组成部分示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例的基于快速双边滤波的烟雾识别方法的主要步骤示意图。如图1所示，本发明实施例的基于快速双边滤波的烟雾识别方法可具体执行以下步骤：

步骤s101：获取原始图像。

在本步骤中，可通过图像采集设备获取原始图像。原始图像可以是灰度图像，也可以是彩色图像。

步骤s102：确定原始图像中目标像素点邻域内的任一邻近像素点到目标像素点的空间距离、以及该邻近像素点像素值与目标像素点像素值之间的偏离程度；根据空间距离得到该邻近像素点的空间权重，根据偏离程度得到该邻近像素点的相似性权重，根据空间权重和相似性权重获得该邻近像素点的综合权重。

在本步骤中，目标像素点可以是原始图像中的任一像素点。上述邻域可以根据预设规则设置，一般地，邻域为包含的行数和列数相等的正方形区域。在以下说明中，将邻域中的像素点称为针对目标像素点的邻近像素点，邻近像素点包括目标像素点。较佳地，本步骤中两个像素点的空间距离可以是平面的欧式距离，两个像素点像素值之间的偏离程度可以是像素值差值的绝对值。

在获取任一邻近像素点与目标像素点的空间距离以及二者像素值的偏离程度之后，可将空间距离代入高斯函数得到空间权重，将偏离程度代入高斯函数得到相似性权重，并将空间权重与相似性权重的乘积作为综合权重。可以理解，经过上述设置的空间权重可随空间距离的增加而减小，相似性权重可随偏离程度的增加而减小，即，在邻近像素点距离目标像素点较远时，其空间权重较小；在邻近像素点距离目标像素点较近时，其空间权重较大；在邻近像素点与目标像素点的像素值较为悬殊时，其相似性权重较小；在邻近像素点与目标像素点的像素值较为接近时，其相似性权重较大。这种性质可体现在邻近像素点的综合权重中。需要说明的是，在进行不同像素点之间的比较或计算时，只针对同一灰度模式。例如，如果原始图像为彩色图像，则在基于像素值计算时，只针对红、绿、蓝同一通道的像素值。

步骤s103：基于综合权重确定目标像素点邻域内每一邻近像素点的像素值的加权和，将加权和作为目标像素点在滤波图像中的像素值。

在本步骤中，可利用每一邻近像素点的综合权重计算其像素值的加权和，得到的加权和即为目标像素点在滤波后的像素值，即目标像素点在滤波图像中的像素值。

步骤s104：在滤波图像中执行烟雾识别。

在本步骤中，可在进行过双边滤波的图像中执行预设的识别算法以检测烟雾，从而实现基于烟雾的火灾预警。

特别地，实际应用中，可以通过基于二维高斯函数的卷积实现上述滤波过程。由于二维高斯函数可分离为两个垂直方向的一维高斯函数，因此在将二维高斯函数转换为横向一维高斯函数(对应于平面直角坐标系的横轴)和纵向一维高斯函数(对应于平面直角坐标系的纵轴)之后，利用横向一维高斯函数对原始图像进行横向卷积，再利用纵向一维高斯函数对经过横向卷积的图像进行纵向卷积，即得到滤波图像。或者，首先利用纵向一维高斯函数对原始图像进行纵向卷积，再利用横向一维高斯函数对经过纵向卷积的图像进行横向卷积，也可得到滤波图像。

以下将进一步介绍双边滤波方法以及本发明基于高斯函数分离的快速滤波方法。

双边滤波是对高斯滤波的改进算法，具有是非迭代、局部和简单的特性，双边滤波的由两个高斯滤波器组成，一个应用在空域，另一个应用在灰度值域，能够在去除噪声的同时保持边缘信息。其在高斯滤波函数中加入一个方差，该方差与像素点的灰度值有关，因此在滤波的过程中与该点像素值相差较大的点影响较小，由此克服高斯滤波造成边缘模糊的缺点，对滤波结果中的边缘有良好的保存。

与高斯滤波类似，双边滤波也是以高斯函数为基础，通过对像素点邻域的灰度值进行加权平均得到，公式如下：

其中，i'(k)为滤波图像中像素点k的像素值，k、i、n均为正整数，i(k-i)为原始图像中像素点(k-i)的像素值，w(k,i)为双边滤波中的综合权重。

对于最常见的高斯滤波，空域中权重的表达式为：

其中，wd(k,i)为空间权重，d表示欧式距离，σd为空域中高斯函数的标准差。

单纯在空域中滤波会导致图像边缘发生模糊，导致滤波效果不好，因此可将灰度信息引入，作为滤波中的一部分，这样能够较好的保留图像中的边缘信息。引入灰度信息后，可定义相似性权重如下：

其中，wr(k,i)为相似性权重，i(k)为原始图像中像素点k的像素值，σr为基于灰度值的标准差。

双边滤波的核函数是空域核函数与灰度域核函数的综合结果。在图像平滑区域，像素值变化很小，此时空间权重起主要作用，相当于进行高斯模糊；在图像边缘区域，像素值变化很大，此时相似性权重起主要作用，从而可保持边缘信息。综合权重可表达如下：

w(k,i)＝wd(k,i)*wr(k,i)

从上式可以看出，双边滤波能够在消除噪声的同时保留图像中的边缘信息。双边滤波包含两个相互独立的高斯滤波器，一个应用在空间，另一个应用在灰度域。σd决定了空域滤波窗口包含的范围，σr保证与目标像素点灰度值相差较大的像素点所占的权重较低，与目标像素点灰度值相差较小像素点具有的权重较大，因而能有效保留图像中的边缘信息。

双边滤波在图像处理的过程中计算量大，实时性较差，需要提升其实时性。以下将提出增维型的快速双边滤波，实现方法主要是分离高斯核函数。

具体地，将高斯函数的核函数转换为两个一维函数，可降低运算复杂度，可以加速的目的，如将公式1转换为以下一维函数：

其中，hx为横向一维高斯函数，hy为纵向一维高斯函数，σ为标准差，x、y、s均为正整数。

这样即可应用线性滤波的方法实现对图像序列中噪声的抑制，可减小卷积计算量，提高实时性，实现快速的双边滤波。

图2是本发明实施例的快速滤波效果示意图。其中，图2中上方图像为原始图像，下方图像为滤波图像。可以看到，经过快速双波滤波，原始图像中的噪声被去除，边缘信息得到很好保存。

图3是本发明实施例的基于快速双边滤波的烟雾识别装置的组成部分示意图。如图3所示，本发明实施例的基于快速双边滤波的烟雾识别装置可包括：采集单元、权重计算单元、滤波单元和识别单元。

其中，采集单元用于获取原始图像；权重计算单元用于确定原始图像中目标像素点邻域内的任一邻近像素点到目标像素点的空间距离、以及该邻近像素点像素值与目标像素点像素值之间的偏离程度；根据所述空间距离得到该邻近像素点的空间权重，根据所述偏离程度得到该邻近像素点的相似性权重，根据所述空间权重和所述相似性权重获得该邻近像素点的综合权重；滤波单元用于基于所述综合权重确定目标像素点邻域内每一邻近像素点的像素值的加权和，将所述加权和作为目标像素点在滤波图像中的像素值；识别单元用于在所述滤波图像中执行烟雾识别。

在本发明实施例中，所述空间距离为欧式距离，所述偏离程度为邻近像素点像素值与目标像素点像素值差值的绝对值。

作为一个优选方案，权重计算单元进一步用于：将所述空间距离代入高斯函数，得到所述空间权重，将所述偏离程度代入高斯函数，得到所述相似性权重，将所述空间权重与所述相似性权重的乘积作为所述综合权重。

较佳地，在本发明实施例中，所述滤波图像通过基于二维高斯函数的卷积而形成；所述装置进一步包括分离滤波单元，其用于将所述二维高斯函数转换为横向一维高斯函数和纵向一维高斯函数；利用横向一维高斯函数对原始图像进行横向卷积，再利用纵向一维高斯函数对经过横向卷积的图像进行纵向卷积，得到所述滤波图像；或者，利用纵向一维高斯函数对原始图像进行纵向卷积，再利用横向一维高斯函数对经过纵向卷积的图像进行横向卷积，得到所述滤波图像。

在本发明实施例中，还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器和存储装置。其中，存储装置用于存储一个或多个程序。当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明实施例的基于快速双边滤波的烟雾识别方法。

在另一方面，本发明还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备中的。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该设备执行时，使得该设备执行的步骤包括：获取原始图像；确定原始图像中目标像素点邻域内的任一邻近像素点到目标像素点的空间距离、以及该邻近像素点像素值与目标像素点像素值之间的偏离程度；根据所述空间距离得到该邻近像素点的空间权重，根据所述偏离程度得到该邻近像素点的相似性权重，根据所述空间权重和所述相似性权重获得该邻近像素点的综合权重；基于所述综合权重确定目标像素点邻域内每一邻近像素点的像素值的加权和，将所述加权和作为目标像素点在滤波图像中的像素值；在所述滤波图像中执行烟雾识别。

综上所述，在本发明实施例的技术方案中，可在实现平滑滤波的前提下有效保持图像中目标的边缘信息，并且能够将二维滤波方式转换为横向与纵向的线性滤波，由此可减小卷积运算量，提高图像处理实时性，实现快速的双边滤波。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。