煤礦智能視頻監(jiān)控中霧塵圖像的清晰化研究

張謝華，張 申，方 帥，曹 洋

(1.江蘇師范大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008；4.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009；5.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動(dòng)化系，安徽 合肥 230027)

煤礦智能視頻監(jiān)控中霧塵圖像的清晰化研究

張謝華1,2，張 申2，3，方 帥4，曹 洋5

(1.江蘇師范大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008；4.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009；5.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動(dòng)化系，安徽 合肥 230027)

煤礦智能視頻監(jiān)控中常常碰到許多霧塵圖像且伴有各種隨機(jī)噪聲，對(duì)應(yīng)的圖像降質(zhì)嚴(yán)重影響了后續(xù)視頻圖像處理工作，因此提出一種基于暗原色先驗(yàn)與雙邊濾波器的去霧除塵和同步去噪算法。結(jié)合已有的大氣散射物理模型，推導(dǎo)建立煤礦霧塵圖像退化模型。考慮煤礦霧塵圖像的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于暗原色先驗(yàn)知識(shí)的大氣光、粗略透射率估計(jì)的方法與步驟。分析粗略透射率圖的優(yōu)化要求以及雙邊濾波器的特性，引入聯(lián)合雙邊濾波器快速獲得精細(xì)透射率圖。依據(jù)圖像退化模型構(gòu)建正則化目標(biāo)函數(shù)，求取轉(zhuǎn)換圖像并進(jìn)行高斯雙邊濾波，獲得復(fù)原圖像并同步實(shí)現(xiàn)噪聲的有效去除。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性，與已有去霧算法相比計(jì)算效率有較大提高，且復(fù)原質(zhì)量良好適合于煤礦智能視頻監(jiān)控環(huán)境。

霧塵圖像復(fù)原；同步去噪；暗原色先驗(yàn)；雙邊濾波

智能視頻監(jiān)控作為煤礦安全生產(chǎn)系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，為保障煤礦安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行提供了強(qiáng)有力的支持與保障[1]。由于煤礦井下環(huán)境特殊，在煤炭生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生了大量懸浮于空中的粉塵顆粒，對(duì)礦工的身體健康造成了嚴(yán)重威脅，還可能引發(fā)煤塵爆炸事故危害煤礦生產(chǎn)安全[2]。為了控制粉塵減小其危害，各工礦企業(yè)引入很多噴霧降塵設(shè)備，因此會(huì)產(chǎn)生大量霧氣和水滴，使得光線在到達(dá)監(jiān)控成像設(shè)備前被散射或吸收，顯著降低了監(jiān)控場(chǎng)景中的能見度。另外在圖像采集和傳輸過程中，不可避免地受到各種高強(qiáng)度隨機(jī)噪聲的干擾。導(dǎo)致監(jiān)控圖像質(zhì)量嚴(yán)重下降，不利于后續(xù)的目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別和跟蹤等處理，進(jìn)一步影響最終的智能視頻分析結(jié)果。因此，煤礦智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中強(qiáng)噪聲污染下霧塵圖像清晰化的研究具有重要的實(shí)際價(jià)值。

事實(shí)上，圖像去霧已成為計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。最近幾年提出的基于單幅圖像的方法取得了良好的復(fù)原效果，其中最實(shí)用有效的是He等[3]提出的基于暗原色先驗(yàn)的圖像去霧方法。該方法基于暗原色統(tǒng)計(jì)規(guī)律估計(jì)出降質(zhì)圖像的粗略透射率圖，采用軟摳圖算法優(yōu)化求解精細(xì)透射率圖，并利用大氣散射模型復(fù)原得到清晰圖像。該方法獲得的復(fù)原圖像清晰度高、顏色逼真，但通過深入研究發(fā)現(xiàn)存在以下問題：其一暗原色先驗(yàn)在某些特殊區(qū)域不能成立；其二由于軟摳圖處理的引入致使計(jì)算代價(jià)大、處理速度慢，限制了方法的應(yīng)用范圍；其三忽略了降質(zhì)圖像本身所帶噪聲的問題，在復(fù)原圖像中可能出現(xiàn)噪聲放大的現(xiàn)象。

為了滿足有效性和處理速度的要求，在基于暗原色先驗(yàn)的單幅圖像去霧方法的基礎(chǔ)上，本文提出一種可行的煤礦霧塵圖像去霧除塵和同步去噪算法。從圖像退化的角度出發(fā)，推導(dǎo)建立煤礦霧塵降質(zhì)圖像退化模型。考慮煤礦霧塵圖像的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于暗原色先驗(yàn)知識(shí)的大氣光、粗略透射率估計(jì)的方法與步驟。針對(duì)霧塵圖像可能存在較大面積的明亮區(qū)域，且在這部分區(qū)域中暗原色先驗(yàn)失效的特殊情況，提出相應(yīng)改進(jìn)來擴(kuò)展暗原色先驗(yàn)的適用范圍。對(duì)于原有去霧方法存在計(jì)算復(fù)雜度高的不足，分析粗略透射率圖的優(yōu)化要求，計(jì)劃采用更為合理的工具來替代軟摳圖，快速獲得精細(xì)透射率圖。考慮煤礦霧塵圖像伴隨大量噪聲的特點(diǎn)，獲取良好的去霧除塵效果，并同步實(shí)現(xiàn)隨機(jī)噪聲的有效去除。

1 霧塵降質(zhì)圖像退化模型

Narasimhan等[4]給出了霧、霾天氣條件下的大氣散射模型，則霧塵圖像I(x,y)可表示為

簡(jiǎn)記為

2 暗原色先驗(yàn)知識(shí)的應(yīng)用

暗原色先驗(yàn)知識(shí)是He等通過統(tǒng)計(jì)觀察大量無霧圖像而得出的，即在清晰無霧圖像的絕大多數(shù)非天空局部區(qū)域中，總存在一部分像素至少在一個(gè)顏色通道的強(qiáng)度值很低[5]。對(duì)圖像J其相應(yīng)暗原色圖像Jdark可按式(3)求取。

(3)

式中，Jdark為J的暗原色且其值很低接近于0；Ω(x,y)為以(x,y)為中心的一塊方形區(qū)域；JC為某個(gè)顏色通道。

為驗(yàn)證煤礦工作環(huán)境中暗原色先驗(yàn)知識(shí)的正確與否，隨機(jī)挑選了100幅無霧圖像，經(jīng)過處理加工后進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)。計(jì)算每幅圖像的暗原色亮度值，得出這100幅圖像的暗原色亮度直方圖，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果反映約80%的像素暗原色值低于16，約95%的像素暗原色值低于32。因此，證明暗原色先驗(yàn)知識(shí)同樣適用于煤礦工作環(huán)境。

圖1 圖像像素暗原色亮度直方圖Fig.1 Image pixel dark-channel brightness histogram

2.1 大氣光估計(jì)

對(duì)于大氣光的估計(jì)，主要是通過圖像中最不透明的濃霧區(qū)域像素估算而得，且這部分的像素亮度值通常也是較高的。文獻(xiàn)[6]為了簡(jiǎn)化起見，直接選擇亮度值最高的像素來估計(jì)環(huán)境光光強(qiáng)。但實(shí)際情況中，這些像素可能來自圖像中的光源或者是場(chǎng)景中的白色物體，這種環(huán)境光的估計(jì)并不準(zhǔn)確。另外由于暗原色的值可被看做為霧濃度的一個(gè)近似估計(jì)[7]，因此對(duì)于煤礦圖像可以采用暗原色值來估算大氣光，從而提高估測(cè)準(zhǔn)確度。具體操作步驟為

(2)在Idark中選取暗原色值最大的0.1%的像素點(diǎn)，這部分像素通常對(duì)應(yīng)不透明的濃霧區(qū)域；

(3)在有霧圖像中I中搜索步驟(2)給出的亮度值最大點(diǎn)，將該像素亮度值作為大氣光A的估計(jì)。

通過以上步驟確定的亮度值最大點(diǎn)并不一定是整幅圖像中最亮的點(diǎn)，與前述直接采用圖像最亮點(diǎn)估計(jì)大氣光的方法相比，本文方法基于暗原色先驗(yàn)知識(shí)魯棒性更強(qiáng)、更為合理。

2.2 粗略透射率圖估計(jì)

(4)

再在3個(gè)顏色通道之間進(jìn)行最小化計(jì)算，有

(5)

依據(jù)暗原色先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，

接近于0，代入式(5)有

(6)

實(shí)際上即使在沒有霧氣干擾的情況下，煤礦工作環(huán)境中仍然會(huì)包含一些粉塵粒子，這些微粒同樣對(duì)光產(chǎn)生散射作用，因此在觀看遠(yuǎn)處景物時(shí)能夠覺察到霧的存在。如果徹底去除霧的影響，那么復(fù)原圖像反而顯得不真實(shí)、不自然，因此在式(6)中引入一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)ω∈(0,1)(本文采用ω=0.95)，使得較遠(yuǎn)處的景物保留少量的霧[8]，所以有：

(7)

(8)

(9)

其值越小表示像素值越接近于大氣光。另外通過大量實(shí)驗(yàn)得到閾值F0，若F(x,y)

(10)

圖2 含大面積明亮區(qū)域有霧圖像的透射率估計(jì)Fig.2 Estimate transmittance of fog images with a large area of bright area

由圖2(c)可看出，以上方法對(duì)透射率的整體估計(jì)較為準(zhǔn)確，但在局部區(qū)域明顯存在塊效應(yīng)[9]。如果繼續(xù)采用該透射率分布求解復(fù)原圖像，將導(dǎo)致結(jié)果圖像中出現(xiàn)光暈效果，因此需采用特定方法來細(xì)化完善透射率。文獻(xiàn)[3]采用軟摳圖法來優(yōu)化透射率，通過構(gòu)建拉普拉斯矩陣和求解大型線性方程組來完成，需要龐大的計(jì)算量、會(huì)占用大量的內(nèi)存空間。進(jìn)而極大提高了整體去霧算法的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度，很大程度上限制了算法的應(yīng)用范圍。由透射率表達(dá)式t(x,y)=e-βd(x,y)分析可知，透射率是有關(guān)景深d的函數(shù)，在局部分塊內(nèi)部景深變化平緩，t同樣趨于平緩；而在局部分塊的邊緣處景深d很可能出現(xiàn)突變，t也因此會(huì)產(chǎn)生躍變。因此在得到粗略透射率的基礎(chǔ)上，應(yīng)保持其發(fā)生躍變的邊緣細(xì)節(jié)。這可轉(zhuǎn)換成一個(gè)濾波問題，可利用雙邊濾波器的特性來加以完成。

3 雙邊濾波算法

雙邊濾波器具有良好的去噪保邊特性，在處理圖像隨機(jī)噪聲時(shí)能夠發(fā)揮出很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[10]描述對(duì)給定噪聲圖像：y=x+n，其中x，n分別代表原始圖像和加性噪聲，圖像去噪問題等價(jià)于使式(11)所示目標(biāo)函數(shù)最小的優(yōu)化問題。

(11)

其中，λ為加權(quán)系數(shù)；W[m,n]為降低對(duì)邊緣像素平滑作用的權(quán)重矩陣，其對(duì)角線元素的值與邊緣強(qiáng)度成反比，非對(duì)角線元素值為零。對(duì)于式(11)的求解，Elad[11]證明可在Jacobi 算法下的單步迭代過程中得以完成。于是假定初始輸入為x=y，經(jīng)過一次Jacobi迭代后，可求得最小化目標(biāo)函數(shù)F(x)的解：

(12)

其中，M(y)/2為黑塞矩陣的主對(duì)角化陣。由式(12)看出對(duì)于圖像去噪的最優(yōu)化問題可以通過設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器操作算子

(I-Dm,n)]

將其與轉(zhuǎn)換圖像y相乘來進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[11]將權(quán)重系數(shù)矩陣W[m,n]設(shè)計(jì)為

(13)

其中,x(k,l)為去噪后當(dāng)前像素，構(gòu)造雙邊濾波器：

a(m,n,k,l)=

(15)

其中，Z(k,l)為歸一化項(xiàng)；σR，σS分別為在像素特征值域和空間域?yàn)V波時(shí)高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。由上可知，雙邊濾波具有良好去噪保邊特性的原因就在于，它同時(shí)考慮了鄰域內(nèi)像素點(diǎn)的特征值相似度信息和空間鄰近度信息，對(duì)鄰域中特征值相似和距離接近的像素賦予較大權(quán)重，否則賦予較小權(quán)重，共同參與約束獲得窗口中心(待處理像素)的像素值。

4 基于雙邊濾波的去霧與同步去噪

4.1 粗略透射率優(yōu)化

其中雙邊濾波器為

α(m,n,k,l)=

Z(k,l)為所有權(quán)重的歸一化；b和δ的合適取值范圍為b∈[0.5,1]和δ∈[0.04,0.06]。

4.2 去霧復(fù)原與同步去噪

文獻(xiàn)[3]在得到大氣光A以及優(yōu)化透射率t后，直接代入大氣散射模型求得去霧圖像，即有：

(17)

其中t0是透射率下限值。由于煤礦霧塵圖像本身通常伴隨大量噪聲，因此希望在去霧的同時(shí)能夠有效去除圖像中的隨機(jī)噪聲。顯然，直接采用式(17)無法滿足煤礦霧塵圖像去霧去噪的實(shí)際需求。

(18)

求解采用高斯雙邊濾波器來完成，其具體形式為

(19)

其中雙邊濾波器為

α(m,n,k,l)=

(20)

綜上所述，本文所提去霧復(fù)原及同步去噪算法流程如圖3所示。

圖3 去霧除塵原及同步去噪算法流程Fig.3 Algorithm flowchart of fog dust removal and simultaneous denoising

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本文算法的有效性，對(duì)取自山東兗州興隆莊煤礦的多組監(jiān)控視頻圖像進(jìn)行了處理。如圖4所示，原圖受霧塵噪聲的影響場(chǎng)景模糊不清，經(jīng)過本文算法處理后圖像景物輪廓清晰、對(duì)比度得到明顯提高、整體顏色自然，都能有效去除圖像中霧塵的作用，有助于提高整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的檢測(cè)和識(shí)別能力。

進(jìn)一步分別從復(fù)原效果、算法運(yùn)行時(shí)間、復(fù)原圖像清晰度綜合評(píng)價(jià)等多個(gè)方面，來對(duì)本文算法與幾種常見算法進(jìn)行比較分析[13]。圖5(a)是一幅煤礦霧塵圖像且伴有較強(qiáng)的圖像噪聲，圖5(b)是采用He算法得到的去霧結(jié)果，在局部區(qū)域出現(xiàn)了明顯的噪聲增強(qiáng)現(xiàn)象。 圖5(c)是采用文獻(xiàn)[10]中的Tan算法處理的結(jié)果，其中圖像細(xì)節(jié)恢復(fù)并不清晰、顏色過飽和，且原圖所帶噪聲同樣存在被放大的跡象。圖5(d)是利用本文算法得到的復(fù)原圖像，能較好地分辨出圖像細(xì)節(jié)信息且色彩自然，并對(duì)原圖中的噪聲進(jìn)行了有效去除。

圖4 基于暗原色先驗(yàn)與雙邊濾波的去霧除塵過程Fig.4 Fog dust removal based on dark channel prior and bilateral filter

圖5 強(qiáng)噪聲霧塵圖像去霧結(jié)果比較Fig.5 Dehazing comparison of fog images with strong noise

表1給出圖4(a)、圖5(a)所示霧塵圖像在不同算法處理下運(yùn)行時(shí)間的對(duì)比[14]。由表1看出從運(yùn)行速度上本文算法具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可以滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。為了客觀評(píng)價(jià)算法的去霧效果，本文還從圖像清晰度的角度對(duì)復(fù)原圖像進(jìn)行定量比較。采用一種綜合評(píng)價(jià)方法，選取3類典型指標(biāo)——方差、信息熵和平方梯度[15]，將各指標(biāo)具體數(shù)值和相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重的乘積作為圖像清晰度的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，分值越大表明圖像清晰度越高。對(duì)圖5(a)采用各種算法處理得到的去霧結(jié)果進(jìn)行上述計(jì)算(其中方差、平方梯度和信息熵的權(quán)重分別為30%,30%和40%)，評(píng)價(jià)結(jié)果比較見表2。數(shù)據(jù)證明本文算法很好地恢復(fù)了圖像的細(xì)節(jié)信息，很大程度上提高了霧塵圖像的清晰度，與其他算法相比具有更好的視覺效果。

表1算法運(yùn)行時(shí)間的比較
Table1Comparisonofalgorithmrunningtimes

圖像名稱本文算法He算法Tarel算法Tan算法Fattal算法圖4(a)上圖3 69412 6255 98717 33218 663圖4(a)中圖3 12511 5325 33916 22817 523圖4(a)下圖4 09714 0006 24519 34120 714圖5(a)5 03717 1257 19622 42123 752

表2復(fù)原結(jié)果清晰度評(píng)價(jià)比較
Table2Comparisonofclarityevaluationofdehazingresults

評(píng)價(jià)指標(biāo)本文算法He算法Tarel算法Tan算法Fattal算法δ288 14277 50469 75879 11676 342GMG86 63179 63962 11179 02180 119f90 80180 01270 21775 21678 012綜合評(píng)價(jià)88 75279 14867 64877 52878 143

6 結(jié) 論

為了確保煤礦智能視頻監(jiān)控中隨機(jī)噪聲情況下霧塵圖像復(fù)原的圖像質(zhì)量，給后續(xù)視頻圖像處理提供清晰可靠的基礎(chǔ)，本文提出了一種圖像去霧除塵與同步去噪的算法。利用He等提出的暗原色先驗(yàn)知識(shí)，求解大氣光參數(shù)以及估計(jì)粗略透射圖。并在估計(jì)過程中添加修正項(xiàng)，保證了圖像明亮區(qū)域的透射率不會(huì)出現(xiàn)過小偏差。采用簡(jiǎn)單高效的雙邊濾波操作，完成粗略透射圖的優(yōu)化和復(fù)原去噪圖像的求取。多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文算法具有很高的運(yùn)行效率，且復(fù)原圖像細(xì)節(jié)豐富、色彩真實(shí)，能夠滿足煤礦智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需求。

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Clearingresearchonfoganddustimagesincoalmineintelligentvideosurveillance

ZHANG Xie-hua1,2,ZHANG Shen2,3,FANG Shuai4,CAO Yang5

(1.ModernEducationTechnologyCenter,JiangsuNormalUniversity,Xuzhou221116,China;2.SchoolofInformationElectronicandEngineeringInstitute,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221008,China;3.IoTPerceptionMineResearchCenter,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221008,China;4.CollegeofComputerandInformation,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;5.DepartmentofAutomation,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,China)

There are many fog and dust images with much random noise in coalmine intelligent video surveillance.Therefore,the image degradation has seriously affected the subsequent video image processing.In this paper,an algorithm based on dark channel prior and bilateral filter was proposed which can realize fog and noise simultaneously removing.By combining the atmospheric scattering model,the degradation model of fog and dust images was established.Considering the characteristics of fog images,the methods and procedures for estimating the air light and rough transmittance were designed using the dark channel prior.By analyzing the optimization requirement of the rough transmission map and the bilateral filter characteristic,a joint bilateral filter was introduced for quickly obtaining the fine transmission map.The regularization objective function was constructed on the image degradation model.By solving a converted image and Gaussian bilateral filtering the image,fog and dust removal and simultaneously denoising were realized.Experimental results verify that the proposed algorithm is effective which computational efficiency is greatly improved compared with various restoration algorithms.Because of good restoring quality the algorithm is suitable for the environment of coalmine intelligent video surveillance.

fog and dust images restoring;simultaneously denoising;dark channel prior(DCP);bilateral filter

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0150

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60705015)

張謝華(1977—)，女，安徽宿松人，副教授。E-mail:xuzhouzxhyt@163.com。通訊作者：張 申(1957—)，男，江蘇興化人，教授。 E-mail:yunnan05@tom.com

TD714；TP391.41

A

0253-9993(2014)01-0198-07

張謝華，張 申，方 帥，等.煤礦智能視頻監(jiān)控中霧塵圖像的清晰化研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(1):198-204.

Zhang Xiehua,Zhang Shen,Fang Shuai,et al.Clearing research on fog and dust images in coalmine intelligent video surveillance[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):198-204.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0150