基于變換域廣義伽瑪分布的煤巖識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及基于變換域廣義伽瑪分布的煤巖識別方法，屬于圖像識別技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤巖識別是指通過各種技術(shù)手段自動判別出煤炭與巖石。在煤炭資源開采及運(yùn)輸 過程中，存在許多生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要判別區(qū)分煤炭與巖石，如采煤機(jī)滾筒高度調(diào)節(jié)、綜采放頂煤 過程控制、選煤廠原煤選桿等。從20世紀(jì)50年代開始，南非、澳大利亞、德國、美國、中國 等世界主要產(chǎn)煤國家對煤巖識別方法展開了一系列研究，相繼產(chǎn)生了一些代表性的研究成 果，如自然丫射線探測法、雷達(dá)探測法、紅外探測法、有功功率檢測法、振動信號檢測法、聲 音信號檢測法等。然而該些方法均存在W下共性問題；（1)需要在現(xiàn)有設(shè)備上安裝部署各 種傳感器、導(dǎo)致裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高；（2)采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等機(jī)械設(shè)備在煤炭生產(chǎn)過 程中受力復(fù)雜、振動劇烈、磨損嚴(yán)重，傳感器部署相對比較困難，其電子線路也容易受到損 壞，裝置可靠性差；(3)針對不同類型的機(jī)械載體設(shè)備，傳感器的選型和安裝位置的選擇存 在較大區(qū)別，該就需要進(jìn)行個性化定制，因此其普適性不佳。
[0003] 通過對塊狀的煤炭、巖石樣本的觀察，發(fā)現(xiàn)煤炭與巖石在顏色、光澤、紋理等方面 存在較大的差異。當(dāng)通過現(xiàn)有的數(shù)字?jǐn)z像設(shè)備對煤炭或巖石進(jìn)行成像時，煤炭與巖石的視 覺差異信息就隱藏在采集得到的數(shù)字圖像中了，因此提出通過挖掘煤巖數(shù)字圖像中的視覺 信息來區(qū)分煤炭與巖石?，F(xiàn)有的基于圖像處理的煤巖識別方法在魯椿性、識別率等方面還 存在著較大的提升空間。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 為了克服現(xiàn)有煤巖識別方法存在的不足，本發(fā)明提出基于變換域廣義伽瑪分布的 煤巖識別方法，該方法具有實(shí)時性強(qiáng)、識別率高、穩(wěn)健性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)楝F(xiàn)代化煤礦安全 高效生產(chǎn)提供有力的技術(shù)保障。
[0005] 本發(fā)明所述的煤巖識別方法采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，包括樣本訓(xùn)練階段和煤巖識 別階段，具體步驟如下；
[0006] A.在樣本訓(xùn)練階段，獲取相同光照條件下拍攝的m幅已知煤炭樣本圖像和m幅已 知巖石樣本圖像，截取寬度和高度均為偶數(shù)個像素點(diǎn)并且不含非煤巖背景的子圖像，煤炭 樣本子圖和巖石樣本子圖分別記為Ci，C2，…，Cm和ri，r2，…，r。；
[0007] B.分別對樣本子圖Ci，C2,…，Cm和r1^2,…，r。進(jìn)行N級兩路小波變換，每幅樣本 子圖得到12XN個高頻部分小波系數(shù)子帶，每個高頻部分小波系數(shù)子帶記為Co斯^,，Co蛛心 表示樣本子圖在經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的第d個方向的第j路高頻部分小波系數(shù)子 帶，其中i表示兩路小波變換的級數(shù)序號，i的取值為1，2，…，N，d表示兩路小波變換的方 向序號，d的取值為1，2，…，6,j表示兩路小波變換的路序號，j的取值為1，2 ;
[0008] C.對步驟B所述的每幅樣本子圖的級數(shù)序號相同并且方向序號也相同的兩個高 頻部分小波系數(shù)子帶進(jìn)行求均方根操作，得到6XN個均方根小波系數(shù)子帶，每一個均方根 小波系數(shù)子帶記為RmsCoefi_d，RmsCoefi_d表示樣本子圖在經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的 第d個方向的均方根小波系數(shù)子帶；
[000引D.分別計算步驟C所述的每一個均方根小波系數(shù)子帶RmsCoefw的均值yW和巧董。Id;
[0010]E.根據(jù)步驟D所計算的每一個均方根小波系數(shù)子帶的均值和方差，對步驟C所 述的每一級兩路小波變換W后的6個方向的均方根小波系數(shù)子帶按照均值和方差的乘積 值從大到小的順序排列，每一個經(jīng)過排序W后的均方根小波系數(shù)子帶記為RmsCoefSi_。， RmsCoefSi_。表示樣本子圖在經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的6個均方根小波系數(shù)子帶中均 方根小波系數(shù)子帶均值和均方根小波系數(shù)子帶方差的乘積值由大到小順序排第n個的均 方根小波系數(shù)子帶，n表示均方根小波系數(shù)子帶均值和均方根小波系數(shù)子帶方差的乘積值 由大到小順序排列的排列序號，n的取值為1，2,…，6 ;
[0011]F.分別計算步驟E所述的經(jīng)過排序W后的每一個均方根小波系數(shù)子帶在服從概 率密度函數(shù)為
的廣義伽瑪分布條件下的指數(shù)形狀參數(shù)a、形 狀參數(shù)T和尺度參數(shù)A，其中X表示均方根小波系數(shù)子帶中的元素，也就是均方根小波系 數(shù)，函數(shù)r(a) = ￡VVV/在r(a)函數(shù)表達(dá)式中，a為自變量，t為積分變量，積分區(qū)間 為[0，+ -)，e表示自然常數(shù)；
[0012]G.利用每一幅煤炭樣本子圖Ck或巖石樣本子圖Tk經(jīng)過N級兩路小波變換、高頻 部分小波系數(shù)子帶求均方根操作并且按上述步驟E排序W后的每一個均方根小波系數(shù)子 帶在服從廣義伽瑪分布條件下的指數(shù)形狀參數(shù)a、形狀參數(shù)T和尺度參數(shù)A，構(gòu)造出一個 6XNX3維的特征列向量K,.或其中下標(biāo)k表示樣本序號，k的取值為1，2,…，m，然后把 該2Xm個特征列向量保存到數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中，用于后續(xù)的煤巖識別階段；
[0013]H.在煤巖識別階段，獲取相同光照條件下拍攝的未知類別煤巖圖像，截取寬度和 高度均為偶數(shù)個像素點(diǎn)并且不含非煤巖背景的待識別子圖U,;
[0014]I.與上述步驟B類似，對U進(jìn)行N級兩路小波變換，從而得到12XN個高頻部分 小波系數(shù)子帶，每個高頻部分小波系數(shù)子帶記為化:表示待識別子圖Uy在經(jīng)過 第i級兩路小波變換W后的第d個方向的第j路高頻部分小波系數(shù)子帶；
[0015] J.與上述步驟C類似，對步驟I所述的待識別子圖U,的級數(shù)序號相同并且方向序 號也相同的兩個高頻部分小波系數(shù)子帶進(jìn)行求均方根操作，得到6XN個均方根小波系數(shù) 子帶，每一個均方根小波系數(shù)子帶記為RmsUxCfw，RmsUxCfw表示待識別子圖U,在經(jīng)過第 i級兩路小波變換W后的第d個方向的均方根小波系數(shù)子帶；
[0016] K.與上述步驟D類似，分別計算步驟J所述的每一個均方根小波系數(shù)子帶 RmsUxCfw的均值；^,_州方差品d;
[0017]L.與上述步驟E類似，根據(jù)步驟K所計算的每一個均方根小波系數(shù)子帶的均值和 方差，對步驟J所述的每一級兩路小波變換W后的6個方向的均方根小波系數(shù)子帶按照均 值和方差的乘積值從大到小的順序排列，每一個經(jīng)過排序W后的均方根小波系數(shù)子帶記為 RmsUxCfSi_"，RmsUxCfSi_。表示待識別子圖U,在經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的6個均方根 小波系數(shù)子帶中均方根小波系數(shù)子帶均值和均方根小波系數(shù)子帶方差的乘積值由大到小 順序排第n個的均方根小波系數(shù)子帶；
[0018] M.與上述步驟F類似，分別計算步驟L所述的經(jīng)過排序W后的每一個均方根小波 系數(shù)子帶在服從廣義伽瑪分布條件下的指數(shù)形狀參數(shù)a、形狀參數(shù)T和尺度參數(shù)A;
[0019] N.與上述步驟G類似，利用待識別子圖U,經(jīng)過N級兩路小波變換、高頻部分小波 系數(shù)子帶求均方根操作并且按上述步驟L排序W后的每一個均方根小波系數(shù)子帶在服從 廣義伽瑪分布條件下的指數(shù)形狀參數(shù)a、形狀參數(shù)T和尺度參數(shù)A，構(gòu)造出一個6XNX3 維的特征列向量；
[0020] 0.比較特征列向量^與特征列向量之間的相似度，其中下標(biāo)k表示樣本序 號，k的取值為1，2,…，m，從而判定待識別子圖U,所屬的煤巖類別。
[0021] 所述N級兩路小波變換包括W下步驟：
[0022] (1)初始化設(shè)置兩路小波變換的級數(shù)序號i= 1 ;
[0023] (2)彩色圖像灰度化處理，即把24位煤巖彩色圖像轉(zhuǎn)換成8位煤巖灰度圖像，采 用的轉(zhuǎn)換公式為Y= 0. 299R+0. 587G+0. 114B，其中R，G和B分別表示轉(zhuǎn)換前彩色圖像的紅 色，綠色和藍(lán)色分量，Y表示轉(zhuǎn)換后灰度圖像的像素值；
[0024](3)用一維的低通濾波器h。對煤巖灰度圖像進(jìn)行逐列濾波，從而得到低頻部分小 波系數(shù)子帶Coeft。；
[00巧](4)用一維的高通濾波器hi對煤巖灰度圖像進(jìn)行逐列濾波，從而得到高頻部分小 波系數(shù)子帶Coefai;
[002引 妨用步驟做所述的低通濾波器h。對步驟（4)所述的高頻部分小波系數(shù)子帶 Coefsi進(jìn)行逐行濾波，從而得到高頻部分小波系數(shù)子帶CoefV;
[0027] 做用步驟（4)所述的高通濾波器hi對步驟做所述的低頻部分小波系數(shù)子帶Coefji行逐行濾波，從而得到高頻部分小波系數(shù)子帶Coefu;
[002引 （7)用步驟（4)所述的高通濾波器hi對步驟（4)所述的高頻部分小波系數(shù)子帶 Coefsi進(jìn)行逐行濾波，從而得到高頻部分小波系數(shù)子帶CoefHH;
[002引 做用步驟做所述的低通濾波器h。對步驟做所述的低頻部分小波系數(shù)子帶 Coefji行逐行濾波，從而得到低頻部分小波系數(shù)子帶CoefW
[0030] (9)利用步驟（5)所述的高頻部分小波系數(shù)子帶CoefHu分別構(gòu)造煤巖圖像在經(jīng)過 第1級兩路小波變換W后的第1個方向的第1路高頻部分小波系數(shù)子帶、煤巖圖像在 經(jīng)過第1級兩路小波變換W后的第1個方向的第2路高頻部分小波系數(shù)子帶Coe扭,、煤巖圖 像在經(jīng)過第1級兩路小波變換W后的第6個方向的第1路高頻部分小波系數(shù)子帶Coe乂。、 煤巖圖像在經(jīng)過第1級兩路小波變換W后的第6個方向的第2路高頻部分小波系數(shù)子帶 Coefl,;
[003。 （10)利用步驟做所述的高頻部分小波系數(shù)子帶Coefw分別構(gòu)造煤巖圖像在經(jīng) 過第1級兩路小波變換W后的第3個方向的第1路高頻部分小波系數(shù)子帶C'w尼、煤巖圖像 在經(jīng)過第1級兩路小波變換W后的第3個方向的第2路高頻部分小波系數(shù)子帶C'w后、煤巖 圖像在經(jīng)過第1級兩路小波變換W后的第4個方向的第1路高頻部分小波系數(shù)子帶、 煤巖圖像在經(jīng)過第1級兩路小波變換W后的第4個方向的第2路高頻部分小波系數(shù)子帶 C。犯；
[003引 （11)利用步驟（7)所述的高頻部分小波系數(shù)子帶CoefsH，分別構(gòu)造煤巖圖像在經(jīng) 過第1級兩路小波變換W后的第2個方向的第1路高頻部分小波系數(shù)子帶Co訴;、煤巖圖像 在經(jīng)過第1級兩路小波變換W后的第2個方向的第2路高頻部分小波系數(shù)子帶。訴.;、煤巖 圖像在經(jīng)過第1級兩路小波變換W后的第5個方向的第1路高頻部分小波系數(shù)子帶C'o蛛、 煤巖圖像在經(jīng)過第1級兩路小波變換W后的第5個方向的第2路高頻部分小波系數(shù)子帶 Coe把5 ;
[0033] (12)兩路小波變換的級數(shù)序號自增1，即i=i+1 ;
[0034] (13)動態(tài)申請與Coe片L數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全一致的臨時數(shù)據(jù)存儲區(qū)TempCoef，并將其數(shù) 據(jù)內(nèi)容初始化為Coef^的數(shù)據(jù)內(nèi)容；
[003引 （14)判斷i《N條件是否成么如果是，則進(jìn)入W下步驟（巧)-(28)的迭代循環(huán)， 如果否，則轉(zhuǎn)到步驟（29);
[0036] (15)如果TempCoef數(shù)據(jù)的總行數(shù)不是4的倍數(shù)，那么對TempCoef數(shù)據(jù)進(jìn)行修正， 在TempCoef數(shù)據(jù)的第一行RoWfiut前面追加一行Row'化日t并且R〇w'化日t的數(shù)據(jù)內(nèi)容用RoWfiut的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行填充，在TempCoef數(shù)據(jù)的最后一行Row1。日t后面追加一行Row' i。日， 并且Row'1。,,的數(shù)據(jù)內(nèi)容用Row1。,,的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行填充；
[0037] (16)如果TempCoef數(shù)據(jù)的總列數(shù)不是4的倍數(shù)，那么對TempCoef數(shù)據(jù)進(jìn)行修正， 在TempCoef數(shù)據(jù)的第一列Colfiut前面追加一列Col'Hut并且〔〇1'm?日t的數(shù)據(jù)內(nèi)容用Colfiut的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行填充，在TempCoef數(shù)據(jù)的最后一列Col 后面追加一列C〇ri。,， 并且Col'laJ勺數(shù)據(jù)內(nèi)容用CollaJ勺數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行填充；
[0038] (17)用兩組一維的低通濾波器h。。、hw對TempCoef數(shù)據(jù)進(jìn)行雙重列濾波，從而得 到低頻部分小波系數(shù)子帶Coe片，其中下標(biāo)i表示兩路小波變換的級數(shù)序號；
[0039] (18)用兩組一維的高通濾波器hi。、hii對TempCoef數(shù)據(jù)進(jìn)行雙重列濾波，從而得 到高頻部分小波系數(shù)子帶CoefH2_i，其中下標(biāo)i表示兩路小波變換的級數(shù)序號；
[0040] (19)用步驟（17)所述的低通濾波器h。。、V對步驟（18)所述的高頻部分小波系 數(shù)子帶CoefHw進(jìn)行雙重行濾波，從而得到高頻部分小波系數(shù)子帶CoefHLW，其中下標(biāo)i表 示兩路小波變換的級數(shù)序號；
[0041] (20)用步驟（18)所述的高通濾波器hi。、h。對步驟（17)所述的低頻部分小波系 數(shù)子帶Coe片W進(jìn)行雙重行濾波，從而得到高頻部分小波系數(shù)子帶Coefuw，其中下標(biāo)i表 示兩路小波變換的級數(shù)序號；
[004引 （21)用步驟（18)所述的高通濾波器hi。、h。對步驟（18)所述的高頻部分小波系 數(shù)子帶CoefHw進(jìn)行雙重行濾波，從而得到高頻部分小波系數(shù)子帶CoefHHW，其中下標(biāo)i表 示兩路小波變換的級數(shù)序號；
[0043] (22)用步驟（17)所述的低通濾波器h。。、hw對步驟（17)所述的低頻部分小波系 數(shù)子帶CoefL2-進(jìn)行雙重行濾波，從而得到低頻部分小波系數(shù)子帶CoefLLW，其中下標(biāo)i表 示兩路小波變換的級數(shù)序號；
[0044] (23)利用步驟（19)所述的高頻部分小波系數(shù)子帶CoefHLw，分別構(gòu)造煤巖圖像在 經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的第1個方向的第1路高頻部分小波系數(shù)子帶、煤巖圖 像在經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的第1個方向的第2路高頻部分小波系數(shù)子帶Coe/!,、 煤巖圖像在經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的第6個方向的第1路高頻部分小波系數(shù)子帶 Coe尤。、煤巖圖像在經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的第6個方向的第2路高頻部分小波系數(shù) 子帶Coe尤。；
[0045] (24)利用步驟（20)所述的高頻部分小波系數(shù)子帶Coe片HW，分別構(gòu)造煤巖圖像在 經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的第3個方向的第1路高頻部分小波系數(shù)子帶Co蛛、煤巖 圖像在經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的第3個方向的第2路高頻部分小波系數(shù)子帶、 煤巖圖像在經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的第4個方向的第1路高頻部分小波系數(shù)子帶 Coe尤4、煤巖圖像在經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的第4個方向的第2路高頻部分小波系數(shù) 子帶心蛛1(;
[0046] (25)利用步驟（21)所述的高頻部分小波系數(shù)子帶CoefsHw，分別構(gòu)造煤巖圖像在 經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的第2個方向的第1路高頻部分小波系數(shù)子帶、煤巖圖 像在經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的第2個方向的第2路高頻部分小波系數(shù)子帶C'og侶;、 煤巖圖像在經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的第5個方向的第1路高頻部分小波系數(shù)子帶 Cog把;、煤巖圖像在經(jīng)過第i級兩路小波變換W后的第5個方向的第2路高頻部分小波系數(shù) 子帶C。決5;
[0047] (26)釋放臨時數(shù)據(jù)存儲區(qū)TempCoef所占用的內(nèi)存空間，重新動態(tài)申請與步驟 (22)所述Co噸。_斯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全一致的臨時數(shù)據(jù)存儲區(qū)TempCoef，并將其數(shù)據(jù)內(nèi)容初始 化為Coe片。的數(shù)據(jù)內(nèi)容；
[0048] (27)兩路小波變換的級數(shù)序號自增1，即i=i+1 ;
[0049](28)轉(zhuǎn)到步驟（14)，進(jìn)行下一級兩路小波變換；
[0050] (29)釋放臨時數(shù)據(jù)存儲區(qū)TempCoef所占用的內(nèi)存空間，完成N級兩路小波變換。
[005