專利名稱：一種基于各向異性擴(kuò)散的氣體紅外圖像增強(qiáng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體檢測(cè)領(lǐng)域，涉及被動(dòng)式氣體泄漏紅外成像探測(cè)系統(tǒng)的后期信號(hào)處理技術(shù)，特別涉及ー種基于各向異性擴(kuò)散的氣體紅外圖像增強(qiáng)方法，
背景技術(shù)：
二十世紀(jì)八十年代Strachan等人以353K(80°C )的黑體作為背景，用紅外熱成像技術(shù)觀察到了從管道里噴出的丁烷，至此紅外熱成像技術(shù)才開始應(yīng)用于氣體探測(cè)領(lǐng)域。目前隨著紅外探測(cè)器陣列性能的提高，歐美發(fā)達(dá)國家的氣體泄漏被動(dòng)式紅外成像技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展得很快，已非常廣泛地應(yīng)用于石化、煉油、電カ等行業(yè)的氣體泄漏探測(cè)及污染物排放監(jiān)測(cè)。然而，被動(dòng)式氣體泄漏紅外成像系統(tǒng)完全依賴于自然環(huán)境的紅外輻射，由于缺少主動(dòng)的紅外照明，所獲得的氣體紅外圖像往往對(duì)比度不高、氣體信號(hào)微弱、氣體云團(tuán)不明顯、背景邊緣和細(xì)節(jié)模糊，尤其是氣體泄漏量低的情況下，僅憑肉眼難以判斷泄漏的發(fā)生。我們經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際環(huán)境中，對(duì)于某個(gè)固定的泄漏源，在一定的風(fēng)速和風(fēng)向條件下，位于下風(fēng)向的氣體云團(tuán)通常呈現(xiàn)擴(kuò)散和擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。擴(kuò)散在物理學(xué)上是 ー種遷移過程，如果介質(zhì)(如空氣)中存在某種雜質(zhì)，且其濃度分布不均勻，那么雜質(zhì)將從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域遷移。擺動(dòng)是氣體云團(tuán)與運(yùn)動(dòng)的空氣相互作用的結(jié)果。目前，針對(duì)氣體紅外圖像的增強(qiáng)算法還比較少，能夠充分考慮氣體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的增強(qiáng)算法就更少。因此，需要設(shè)計(jì)ー種既能整體改善圖像對(duì)比度、抑制噪聲、增強(qiáng)背景細(xì)節(jié)，又能根據(jù)泄漏氣體向外擴(kuò)散時(shí)的運(yùn)動(dòng)特征來提取和突顯氣體區(qū)域的方法，提高觀察者判斷氣體是否發(fā)生泄漏、以及定位泄漏源的能力。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述氣體紅外圖像質(zhì)量和現(xiàn)有處理算法的缺陷，本發(fā)明的目的是提出ー種基于各向異性擴(kuò)散的氣體紅外圖像增強(qiáng)方法，突出氣體云團(tuán)目標(biāo)，增強(qiáng)圖像背景，提高圖像對(duì)比度、抑制噪聲，提高氣體探測(cè)概率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本方法基于各向異性擴(kuò)散的氣體紅外圖像增強(qiáng)方法，包括以下步驟第一歩使用中波或長波紅外氣體泄漏云團(tuán)成像儀拍攝氣體泄漏視頻序列圖像， 獲取氣體紅外圖像序列第二步將獲取的當(dāng)前幀和前N幀視頻圖像進(jìn)行對(duì)比度拉伸預(yù)處理；第三步根據(jù)當(dāng)前幀的圖像數(shù)據(jù)擴(kuò)展氣體云團(tuán)區(qū)域；第四步根據(jù)第三步中擴(kuò)展后的當(dāng)前幀和前N幀的圖像數(shù)據(jù)定位氣體云團(tuán)坐標(biāo)；第五步根據(jù)第二步中當(dāng)前幀的圖像數(shù)據(jù)增強(qiáng)背景圖像的細(xì)節(jié)；第六步根據(jù)第四步確定的氣體云團(tuán)定位坐標(biāo)與第五步中當(dāng)前幀背景圖像的相應(yīng)位置彩色化渲染氣體云團(tuán)。第二步中所述的對(duì)比度拉伸預(yù)處理方法采用直方圖均衡或非線性對(duì)比度拉伸，保證之后的處理算法充分發(fā)揮增強(qiáng)作用。第三步中所述的擴(kuò)展氣體云團(tuán)區(qū)域采用正向各向異性擴(kuò)散方法，擴(kuò)展圖像中表征較高氣體濃度的低灰度值區(qū)域，并去除噪聲。第四步中所述定位氣體云團(tuán)坐標(biāo)采用如下方法首先在氣體云團(tuán)擴(kuò)展結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行幀差和積分處理，幀差步調(diào)和累加次數(shù)根據(jù)視頻采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的風(fēng)速以及對(duì)處理效果的要求進(jìn)行設(shè)定；初歩提取氣體云團(tuán)目標(biāo)，并增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)的氣體云團(tuán)的信號(hào)強(qiáng)度；然后采用K均值聚類進(jìn)ー步區(qū)分氣體云團(tuán)與背景噪聲，K均值聚類方法是根據(jù)圖像像素點(diǎn)的灰度值大小和彼此之間的空間距離，將像素點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域性分割，使得灰度值差別小且距離相近的像素點(diǎn)聚合為同一類別；最后獲得準(zhǔn)確的氣體云團(tuán)區(qū)域，記錄氣體云團(tuán)在圖像中的位置坐標(biāo)。第五步所述背景圖像增強(qiáng)是采用雙向各向異性擴(kuò)散方法對(duì)當(dāng)前幀圖像進(jìn)行選擇性擴(kuò)散，在灰度值平坦區(qū)域進(jìn)行正向擴(kuò)散，降低圖像噪聲，在灰度值變化劇烈的邊緣處進(jìn)行反向擴(kuò)散，增強(qiáng)背景細(xì)節(jié)。第六步所述氣體云團(tuán)彩色化渲染方法是將原處理結(jié)果的灰度圖像轉(zhuǎn)為RGB顔色空間的彩色圖像，然后按照已確定的氣體云團(tuán)坐標(biāo)，在增強(qiáng)后的背景圖像的相應(yīng)位置賦予用戶所選擇的顏色，使得彩色化后的氣體云團(tuán)在黑白紅外背景圖像中更為突出，提高氣體云團(tuán)的可判讀性，利于人眼快速探測(cè)到氣體泄漏時(shí)形成的氣體云團(tuán)。本發(fā)明的工作原理本發(fā)明將正在泄漏的氣體視為從泄漏點(diǎn)附近高濃度區(qū)向周圍低濃度區(qū)擴(kuò)散的具有一定面積的、形狀和位置不固定的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，正向各向異性擴(kuò)散進(jìn)ー 步擴(kuò)展表征氣體云團(tuán)的低灰度值區(qū)域的面積，雙向各向異性擴(kuò)散對(duì)圖像進(jìn)行選擇性擴(kuò)散， 在灰度值平坦區(qū)域進(jìn)行正向擴(kuò)散，降低圖像噪聲，在灰度值變化劇烈的邊緣處進(jìn)行反向擴(kuò)散，增強(qiáng)背景細(xì)節(jié)。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是本發(fā)明提高氣體紅外圖像質(zhì)量和突出氣體云團(tuán)目標(biāo)， 相對(duì)于以往的氣體成像處理方法，具有以下優(yōu)勢(shì)(I)現(xiàn)有技術(shù)在增強(qiáng)紅外圖像時(shí)，即便是點(diǎn)狀紅外目標(biāo)，其一般具有較高的灰度值，而氣體圖像的灰度值不高，與背景圖像較難區(qū)分，而且氣體圖像是呈擴(kuò)散狀態(tài)，在每一幀圖像里的形態(tài)和面積均不固定，因此又無法直接使用紅外運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤算法。 本發(fā)明在對(duì)圖像質(zhì)量較低的氣體紅外圖像進(jìn)行簡單預(yù)處理之后，通過物理學(xué)上描述擴(kuò)散過程的各向異性擴(kuò)散方程提高圖像的整體質(zhì)量，并突出和標(biāo)示氣體云團(tuán)區(qū)域。(2)現(xiàn)有技術(shù)在處理氣體紅外圖像時(shí)，較少考慮氣體的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散特性。本發(fā)明充分利用了氣體區(qū)別于靜止背景的擴(kuò)散特性，使用幀差和積分的方法，提取并增強(qiáng)氣體云團(tuán)的信號(hào)強(qiáng)度，尤其適用于氣體泄露量較小、有微風(fēng)存在的場(chǎng)景。(3)現(xiàn)有技術(shù)在處理氣體紅外圖像時(shí)，通常只注重突出氣體云團(tuán)，而較少考慮背景信息，有針對(duì)性的保護(hù)或增強(qiáng)背景細(xì)節(jié)更是少見。本發(fā)明將背景細(xì)節(jié)和氣體云團(tuán)區(qū)分對(duì)待， 利用不同方法將二者分別進(jìn)行增強(qiáng)處理，然后以信息融合的方式進(jìn)行彩色化渲染，既突出氣體云團(tuán)目標(biāo)，又保護(hù)甚至增強(qiáng)背景的邊緣和細(xì)節(jié)信息。


圖I為本發(fā)明基于各向異性擴(kuò)散氣體紅外圖像增強(qiáng)方法的流程圖2為具體實(shí)施例中的分步結(jié)果流程示意圖。
具體實(shí)施例方式為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。本發(fā)明采用兩種機(jī)制的各向異性擴(kuò)散、隔幀幀差和K均值聚類等方法實(shí)現(xiàn)了 ー種特定的氣體紅外圖像增強(qiáng)方法。下面實(shí)施例中N =幀差步調(diào)d+累加次數(shù)n，累加次數(shù)和幀差步調(diào)由用戶根據(jù)需要設(shè)定，本實(shí)施例中d設(shè)為2，n設(shè)為5。本實(shí)施例中采用基于各向異性擴(kuò)散氣體紅外圖像增強(qiáng)方法對(duì)安裝有窄帶濾光片的中波氣體成像儀拍攝的CO2氣體視頻進(jìn)行增強(qiáng)處理。其具體實(shí)現(xiàn)過程包括圖I所示的以下幾個(gè)步驟步驟一、使用制冷型中波氣體成像儀對(duì)泄漏的CO2氣體成像，得到黒白的氣體紅外視頻序列圖像。在拍攝前，應(yīng)保證氣體成像儀視場(chǎng)的背景圖像靜止，并對(duì)氣體成像儀進(jìn)行非均勻性校正。拍攝氣體泄漏的視頻序列圖像均為灰度圖像。附圖2(a)是從拍攝視頻序列中抽取的ー幀圖像，可以看出圖像對(duì)比度很低，包含較大的隨機(jī)顆粒噪聲且氣體云團(tuán)不明顯。步驟ニ、對(duì)步驟一所獲得的序列圖像的當(dāng)前幀和前N幀序列圖像進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理結(jié)果如附圖2(b)所示，預(yù)處理使用直方圖均衡化以提高圖像的對(duì)比度。步驟三、根據(jù)當(dāng)前幀數(shù)據(jù)進(jìn)行兩路獨(dú)立的各向異性擴(kuò)散處理；將步驟ニ的氣體紅外圖像預(yù)處理結(jié)果的當(dāng)前幀分為兩路分別進(jìn)行處理I) 一路用擴(kuò)散較強(qiáng)的正向各向異性擴(kuò)散算法(附圖I的步驟b)，在大大降低圖像噪聲的同吋，擴(kuò)展氣體云團(tuán)區(qū)域，擴(kuò)展結(jié)果見附圖2(c)。比較附圖2(b)和2(c)可以發(fā)現(xiàn)， 附圖2(c)中的氣體云團(tuán)區(qū)域得到了有效擴(kuò)展。正向各向異性擴(kuò)散算法表達(dá)式如下
權(quán)利要求
1.基于各向異性擴(kuò)散的氣體紅外圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，包括以下步驟第一歩使用中波或長波紅外氣體泄漏云團(tuán)成像儀拍攝氣體泄漏視頻序列圖像，獲取氣體紅外圖像序列第二步將獲取的當(dāng)前幀和前N幀視頻圖像進(jìn)行對(duì)比度拉伸預(yù)處理；第三步根據(jù)當(dāng)前幀的圖像數(shù)據(jù)擴(kuò)展氣體云團(tuán)區(qū)域；第四步根據(jù)第三步中擴(kuò)展后的當(dāng)前幀和前N幀的圖像數(shù)據(jù)定位氣體云團(tuán)坐標(biāo)；第五步根據(jù)第二步中當(dāng)前幀的圖像數(shù)據(jù)增強(qiáng)背景圖像的細(xì)節(jié)；第六歩根據(jù)第四步確定的氣體云團(tuán)定位坐標(biāo)與第五步中當(dāng)前幀背景圖像的相應(yīng)位置彩色化渲染氣體云團(tuán)。
2.如權(quán)利要求I所述的基于各向異性擴(kuò)散的氣體紅外圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，第 ニ步中所述的對(duì)比度拉伸預(yù)處理方法采用直方圖均衡或非線性對(duì)比度拉伸，保證之后的處理算法充分發(fā)揮增強(qiáng)作用。
3.如權(quán)利要求I所述的基于各向異性擴(kuò)散的氣體紅外圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，第三步中所述的擴(kuò)展氣體云團(tuán)區(qū)域采用正向各向異性擴(kuò)散方法，擴(kuò)展圖像中表征較高氣體濃度的低灰度值區(qū)域，并去除噪聲。
4.如權(quán)利要求I或2或3所述的基于各向異性擴(kuò)散的氣體紅外圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，第四步中所述定位氣體云團(tuán)坐標(biāo)采用如下方法首先在氣體云團(tuán)擴(kuò)展結(jié)果的基礎(chǔ)上， 進(jìn)行幀差和積分處理，幀差步調(diào)和累加次數(shù)根據(jù)視頻采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的風(fēng)速以及對(duì)處理效果的要求進(jìn)行設(shè)定；初歩提取氣體云團(tuán)目標(biāo)，并增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)的氣體云團(tuán)的信號(hào)強(qiáng)度；然后采用K 均值聚類進(jìn)ー步區(qū)分氣體云團(tuán)與背景噪聲，K均值聚類方法是根據(jù)圖像像素點(diǎn)的灰度值大小和彼此之間的空間距離，將像素點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域性分割，使得灰度值差別小且距離相近的像素點(diǎn)聚合為同一類別；最后獲得準(zhǔn)確的氣體云團(tuán)區(qū)域，記錄氣體云團(tuán)在圖像中的位置坐標(biāo)。
5.如權(quán)利要求I或2或3所述的基于各向異性擴(kuò)散的氣體紅外圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，第五步所述背景圖像增強(qiáng)是采用雙向各向異性擴(kuò)散方法對(duì)當(dāng)前幀圖像進(jìn)行選擇性擴(kuò)散，在灰度值平坦區(qū)域進(jìn)行正向擴(kuò)散，降低圖像噪聲，在灰度值變化劇烈的邊緣處進(jìn)行反向擴(kuò)散，增強(qiáng)背景細(xì)節(jié)。
6.如權(quán)利要求I或2或3所述的基于各向異性擴(kuò)散的氣體紅外圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，第六步所述氣體云團(tuán)彩色化渲染方法是將原處理結(jié)果的灰度圖像轉(zhuǎn)為RGB顔色空間的彩色圖像，然后按照已確定的氣體云團(tuán)坐標(biāo)，在增強(qiáng)后的背景圖像的相應(yīng)位置賦予用戶所選擇的顔色，使得彩色化后的氣體云團(tuán)在黑白紅外背景圖像中更為突出，提高氣體云團(tuán)的可判讀性，利于人眼快速探測(cè)到氣體泄漏時(shí)形成的氣體云團(tuán)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于各向異性擴(kuò)散的氣體紅外圖像增強(qiáng)方法，屬于氣體檢測(cè)領(lǐng)域。該方法首先對(duì)氣體紅外視頻序列圖像進(jìn)行預(yù)處理，然后分為兩路分別處理，一路使用正向各向異性擴(kuò)散算法，擴(kuò)展氣體云團(tuán)區(qū)域，另一路使用雙向各向異性擴(kuò)散算法，降低噪聲并保護(hù)和增強(qiáng)圖像背景的細(xì)節(jié)與邊緣；然后，將第一路處理結(jié)果進(jìn)行隔幀差分，并累加差分結(jié)果；之后，用K均值聚類在累加結(jié)果中標(biāo)示氣體云團(tuán)區(qū)域，確定氣體云團(tuán)的位置坐標(biāo)，最后，根據(jù)此坐標(biāo)在第二路處理結(jié)果中的相應(yīng)位置彩色化渲染氣體云團(tuán)，從而顯著提高氣體云團(tuán)的可判讀性，改善氣體紅外圖像的質(zhì)量，利于人眼快速探測(cè)到氣體泄漏時(shí)形成的氣體云團(tuán)。本發(fā)明可用于檢測(cè)人眼不可見的危險(xiǎn)氣體的泄漏。
文檔編號(hào)G06T5/00GK102609906SQ20121000919
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者李家琨, 王嶺雪, 金偉其, 高岳 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)