一种滚筒驱动带式输送机烟雾检测方法及系统与流程

本发明涉图像处理，具体为一种滚筒驱动带式输送机烟雾检测方法及系统。

背景技术：

1、带式输送机具有运输能力大、工作阻力小、耗电量低、运输距离长、使用寿命长，且对煤的破碎作用小、噪音低、安全可靠等优点，因此，在煤矿井下得到了广泛使用。在各类输送设备中，滚筒驱动带式输送机具有极其广泛的应用以及不可忽视的坚固地位。随着煤矿开采机械化与自动化水平提高，大型关键装备的安全可靠性和可维护性直接影响煤矿安全，滚筒驱动带式输送机大部分都安装在采区进风流中，一旦发生异常情况，将危及整个矿区和采区人员的生命安全。煤矿带式输送机异常属于外因异常，一般都发生的十分突然，常常出人意料，而且发展迅猛、激烈，如果不能及时发现，往往可能酿成重大异常事故，产生大量有毒有害的高温烟气，对全矿及矿区人员的生命安全造成危害。异常预警可以降低灾害带来的损失，在大多数情况下，异常情况中最先出现扩散的是烟雾而非明火，相比于明火，在空间与时间上具有快速扩散特性的烟雾更容易出现在视频监控的范围内，更容易被捕捉到。

2、因此，能否在异常情况初期及时地检测到烟雾，并准确地发出预警，使井下人员有充足的时间采取措施，避免更大的人员伤亡和财产损失，具有至关重要的意义。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出一种滚筒驱动带式输送机烟雾检测方法，该方法包括:

2、通过防爆相机采集滚筒驱动带式输送机图像，并对采集到的滚筒驱动带式输送机图像进行预处理；

3、根据预处理后的滚筒驱动带式输送机图像计算各像素点的邻域烟雾特征值，获得烟雾特征图像;根据烟雾特征图像构建烟雾特征区域矩阵，计算烟雾特征图像的疑似烟雾影响度；

4、获取预处理后的滚筒驱动带式输送机图像中各像素点的暗通道值，进行滤波后获得暗通道图像并进行滤波；通过canny算法获取滤波后的暗通道图像的边缘，计算各闭合边缘的边缘梯度幅值均匀度，判断该闭合边缘是否为烟雾区域；根据各烟雾区域内像素点的邻域烟雾特征值和边缘梯度幅值均匀度计算烟雾扩散影响度，根据烟雾扩散影响度判断滚筒驱动带式输送机的烟雾情况。

5、进一步地，对采集到的滚筒驱动带式输送机图像进行预处理包括：将所采集图像与标准的滚筒驱动带式输送机图像进行模板匹配，获取滚筒驱动带式输送机在采集图像中的具体位置，并以滚筒驱动带式输送机的中心位置为烟雾窗口的中心点，以滚筒驱动带式输送机长度的1.5倍为烟雾窗口的长度，以滚筒驱动带式输送机宽度的3倍为烟雾窗口的宽度，采用retinex理论对获取的滚筒驱动带式输送机局部图像进行增强，获取滚筒驱动带式输送机局部图像作为预处理后的滚筒驱动带式输送机图像。

6、进一步地，对各像素点的暗通道值进行滤波时的滤波窗口大小的获取方法，包括：

7、根据像素点x的邻域烟雾特征值、烟雾特征图像的烟雾影响度以及预处理后的滚筒驱动带式输送机图像的尺寸确定像素点x滤波窗口的窗口大小，像素点x滤波窗口的窗口大小的计算公式如下：

8、

9、其中，为滚筒驱动带式输送机局部图像的长度，为滚筒驱动带式输送机局部图像的宽度，为滚筒驱动带式输送机局部图像对角线长度，为滤波窗口的初始大小，为烟雾特征图像的疑似烟雾影响度，为像素点x的邻域烟雾特征值。

10、进一步地，像素点的邻域烟雾特征值的计算如下：

11、

12、其中，为像素点x的邻域梯度幅值均匀度，为像素点x的邻域梯度方向分布复杂度。

13、进一步地，像素点的邻域烟雾特征值的计算如下：

14、

15、其中，为像素点x的邻域梯度幅值均匀度，为像素点x的邻域梯度方向分布复杂度。

16、进一步地，邻域梯度幅值均匀度的计算方法包括：将预处理的滚筒驱动带式输送机图像中的每个像素点作为中心像素点，在其邻域窗口内计算其梯度幅值均匀度，邻域窗口的大小为a×a，记像素点x的梯度幅值为，其邻域窗口中第i个像素点的梯度幅值为，像素点x的邻域梯度幅值均匀度的计算公式如下：

17、

18、其中，为像素点x邻域窗口内的梯度幅值最大值，为像素点x邻域窗口内的梯度幅值最小值。

19、进一步地，各像素点邻域窗口内梯度方向的复杂度的获取方法包括：将0-180度平均划分为个方向，然后将邻域窗口内各像素点的梯度方向进行加权投票统计，获得像素点的边缘梯度方向直方图，并归一化为，像素点x的邻域梯度方向分布复杂度的计算公式如下：

20、

21、其中，表示邻域窗口内各像素点的梯度方向与第i个方向基本一致的频率。

22、进一步地，烟雾特征图像的疑似烟雾影响度的获取方法，包括：

23、将邻域烟雾特征值平均划分为n个烟雾特征阶数，其中每个烟雾特征阶数中特征值的个数为m，矩阵元素代表烟雾特征阶数为i、大小为j的连通域的出现次数，将其进行归一化得到最终频率形式的烟雾特征区域大小矩阵；并根据如下公式计算烟雾特征图像的疑似烟雾影响度：

24、。

25、进一步地，判断该闭合边缘是否为烟雾区域的方法包括：

26、根据烟雾区域边缘梯度幅值的分布特点，确定烟雾疑似区域，a边缘像素点的梯度幅值最大为，最小为，对暗通道图像的各闭合边缘计算其边缘梯度幅值均匀度为边缘梯度幅值之差最大值与梯度幅值方差的乘积，即，根据烟雾疑似区域的边缘梯度幅值均匀度与预设阈值的大小关系确定烟雾区域二值判断数：

27、

28、其中，当烟雾区域二值判断数为1时，则表示该闭合边缘区域为烟雾区域；当烟雾区域二值判断数为0时，则表示该闭合边缘区域不是烟雾区域。

29、进一步地，烟雾扩散影响度的获取方法包括：滚筒驱动带式输送机的烟雾扩散影响度的计算公式如下：

30、

31、其中，为烟雾疑似区域的烟雾区域二值判断数;为烟雾疑似区域的边缘梯度幅值均匀度;为烟雾疑似区域内的像素点个数，为烟雾疑似区域内的像素点的邻域烟雾特征值，为烟雾疑似区域内各像素点的邻域烟雾特征值之和。

32、在另一方面，本技术提供一种滚筒驱动带式输送机烟雾检测系统，其采用如上任一项所述的滚筒驱动带式输送机烟雾检测方法对滚筒驱动带式输送机进行烟雾检测。

33、本发明的有益效果在于：

34、滚筒驱动带式输送机常用于煤矿井下，因此对其进行烟雾检测时，需要将烟雾区域与灰尘等相似事物区分，且烟雾的边缘不明显，难以直接获取其边缘信息，对其进行分割，获取烟雾区域的特征。由于像素点的暗通道值反映了该像素点受到灰尘、烟雾等影响的程度大小，因此可以通过获取像素点的暗通道值，获取暗通道图像，减少其他相似物的影响，对暗通道图像进行最小值滤波时，滤波窗口越大，丢失的细节信息就越多，容易将滚筒驱动带式输送机局部图像的边缘模糊；滤波窗口越小，图像的细节信息保留的越多。通过各像素点邻域窗口内的烟雾特征，确定滤波窗口的大小，可以达到更好的烟雾检测效果。烟雾区域内部，由于流动的连续性，从烟雾源头到烟雾扩散方向的边界处，烟雾浓度是逐渐降低的，其暗通道值逐渐减小，各像素点的梯度分布往往是均匀的，幅值大小大致相同，像素点的梯度方向往往与烟雾扩散方向相同，因此，可以通过各像素点的邻域梯度幅值分布均匀度、邻域梯度方向分布复杂度，得到各像素点的邻域烟雾特征值，获得烟雾特征图像，然后根据烟雾特征图像构建烟雾特征区域大小矩阵，计算疑似烟雾影响度，根据整幅图像的疑似烟雾影响度以及各像素点的邻域烟雾特征值确定滤波窗口的大小，在保留烟雾细节信息的同时对暗通道图像进行滤波。烟雾区域由于扩散的随机性，受到烟雾颗粒的运动轨迹、气流强度和滞留时间等影响，其边缘形状是不规则的。并且，在烟雾源头处，烟雾浓度最高，背景区域被遮挡程度最大，梯度幅值最大；在烟雾扩散方向的边界处，烟雾浓度最低，背景区域被遮挡程度最小，烟雾边界处与背景区域像素值基本相同，梯度幅值最小，因此烟雾区域边缘像素点的梯度幅值是不均匀的，可以将闭合边缘的边缘梯度幅值均匀度，作为烟雾区域的判断标准，将其他与烟雾相似的区域，比如矿灯、灰尘、带式输送机的滚筒等，与烟雾进行区分。综合各烟雾区域内像素点的烟雾特征值和边缘梯度幅值均匀度计算滚筒驱动带式输送机的烟雾扩散影响度，进而实现对滚筒驱动带式输送机周围烟雾的检测。