基于稀疏表示的煤巖識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于稀疏表示的煤巖識(shí)別方法，屬于煤巖識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤巖識(shí)別即用一種方法自動(dòng)識(shí)別出煤巖對(duì)象為煤或巖。在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中煤巖識(shí) 別技術(shù)可廣泛應(yīng)用于滾筒采煤、掘進(jìn)、放頂煤開(kāi)采、原煤選矸石等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，對(duì)于減少采掘 工作面工作人員、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、改善作業(yè)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要的意 義
[0003] 目前，國(guó)內(nèi)外煤巖識(shí)別主要有以下兩類(lèi)方法，第一種是煤層厚度的測(cè)量方法，通過(guò) 反饋的信息調(diào)整滾筒的高度，包括各種射線和電磁波，例如自然γ射線探測(cè)法、電磁波探 測(cè)法以及雷達(dá)探測(cè)法；另一種是煤和巖石界面的測(cè)量方法，通過(guò)采煤機(jī)自生的響應(yīng)來(lái)調(diào)整 滾筒高度，包括應(yīng)力截齒法、震動(dòng)檢測(cè)法、紅外線檢測(cè)法等。以上各種方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)， 但都是采用傳感器進(jìn)行識(shí)別。一方面在不同的煤礦產(chǎn)區(qū)，需要選取不同的傳感器，并需要安 裝在不同的機(jī)器設(shè)備上；另一方面在煤炭開(kāi)采環(huán)境中，傳感器本身容易出現(xiàn)故障和失靈的 情況，無(wú)疑都加大了人力和物力的浪費(fèi)。
[0004] 為解決上述問(wèn)題，圖像技術(shù)越來(lái)越受到重視并研發(fā)了一些圖像技術(shù)的煤巖識(shí)別方 法，然而在已有的方法中，例如基于灰度共生矩陣方法，小波變換方法，用來(lái)分析圖像紋理 的特點(diǎn)，但是，此類(lèi)方法都沒(méi)有實(shí)際考慮煤礦的開(kāi)采環(huán)境，例如：煤礦井下的光照強(qiáng)度多變， 電磁環(huán)境復(fù)雜，噪聲等因素?；谙∈璞硎镜募y理方法，對(duì)于噪聲和遮擋具有很好的適應(yīng) 性，再加上多層稀疏表示中考慮光照強(qiáng)度變化因子，可以很好的適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜的環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于稀疏表示的煤巖識(shí)別方法，該識(shí)別方法考慮了光 照強(qiáng)度變換因子，能夠?qū)庹諒?qiáng)度多變具有很好的適應(yīng)性，能夠?qū)τ谠肼暋⒄趽蹙哂泻芎玫?魯棒性，能夠?qū)崟r(shí)、自動(dòng)識(shí)別出當(dāng)前對(duì)象是煙煤、無(wú)煙煤、砂巖或頁(yè)巖，為自動(dòng)化采掘提供必 要的信息。用以解決現(xiàn)有的煤巖識(shí)別方法成本高，浪費(fèi)人力物力的問(wèn)題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案是一種基于稀疏表示的煤巖識(shí)別方法，包括如下 步驟：
[0007] (1)建立過(guò)完備字典
[0008] 1)圖像樣本采集階段，通過(guò)照相機(jī)采集大量的在不同光照強(qiáng)度下的圖像，所述的 圖像包括：煙煤、無(wú)煙煤、砂巖、頁(yè)巖；
[0009] 2)圖像預(yù)處理，將采集的圖片轉(zhuǎn)化為灰度圖像；
[0010] 3)圖像特征提取，將得到的灰度圖像轉(zhuǎn)化為十字對(duì)角紋理矩陣，并分別提取得到 十字對(duì)角紋理矩陣的統(tǒng)計(jì)特征，并組成特征向量；最后，對(duì)圖像的特征向量進(jìn)行歸一化處 理；
[0011] 4)圖像特征分類(lèi)，按照采集對(duì)象所屬的類(lèi)別與采集圖像時(shí)的光照強(qiáng)度的不同進(jìn)行 分類(lèi)；所述特征的分類(lèi)的過(guò)程：首先，按照采集對(duì)象所屬的類(lèi)別分為4大類(lèi)，然后分別對(duì)不 同的采集對(duì)象按照采集時(shí)的光照強(qiáng)度進(jìn)行分類(lèi)；
[0012] 5)組合超完備字典，根據(jù)上述步驟所得到的各類(lèi)特征，按照順序組合成一個(gè)超完 備字典；
[0013] (2)比較識(shí)別
[0014] 1)按照上述步驟（1)中的1)、2)、3)所示的過(guò)程，得到測(cè)試樣本的特征向量；
[0015] 2)將得到的測(cè)試圖像的特征向量利用超完備字典進(jìn)行稀疏表示，并得到稀疏表示 的表示系數(shù)；
[0016] 3)分別把4大類(lèi)中各類(lèi)的稀疏表示，代入分類(lèi)器進(jìn)行識(shí)別。
[0017] 進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明所述的煤巖識(shí)別方法，所述的步驟（1)建立過(guò)完備字典過(guò) 程中，圖像樣本采集階段的具體過(guò)程如下：
[0018] (1)在不同光照強(qiáng)度下采集大量的煙煤、無(wú)煙煤、砂巖、頁(yè)巖的圖像，采集的光照光 照強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)按15、20、30、50、75、100、150、200、300、5001x分級(jí)，其中Ix (勒克斯）為照度單 位；
[0019] ⑵采集到的圖像表示為Pa,b,。，其中a表示為采集圖像的光照強(qiáng)度的類(lèi)別，按照光 照強(qiáng)度由小到大，依次用1、···、1〇表示；b表示為采集對(duì)象的所屬類(lèi)別，類(lèi)別1表示煙煤、類(lèi) 別2表示無(wú)煙煤、類(lèi)別3表示砂巖、類(lèi)別4表示頁(yè)巖；C表示同一采集對(duì)象在同一光照情況 下采集的圖像的次序，在本方法的采集過(guò)程中，每類(lèi)圖像采集10張，依次表示為1、…、10。
[0020] 進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明所述的煤巖識(shí)別方法，所述的步驟（1)建立過(guò)完備字典的 過(guò)程中，圖像特征提取的具體過(guò)程如下：
[0021] (I)Ga, b,。表示為各類(lèi)采集圖像的灰度圖像，將轉(zhuǎn)換后的各類(lèi)煤巖圖像的灰度圖像 Ga, b,。進(jìn)行CDTM轉(zhuǎn)換，即十字對(duì)角紋理矩陣的轉(zhuǎn)換，得到各類(lèi)圖像的四種十字對(duì)角紋理矩 陣，表不為 Ta, b, c、Ta, b, c、Ta, b, c、Ta, b, c ;
[0022] (2)分別計(jì)算十字對(duì)角紋理矩陣Ta^1Ja, b,Λ Ta,b,Λ Ta,b,c4的能量E、熵H、慣性矩 I、相關(guān)C ;
[0023] (3)計(jì)算Ta,b,Λ Ta,b,Λ Ta,b,Λ Ta,b,。4的能量E的均值和方差用a i，bi表示；
[0024] (4)計(jì)算 Ta, b, Λ Ta, b, Λ Ta, b, Λ Ta, b,。4的熵 H 的均值和方差用 a 2, b2表示；
[0025] (5)計(jì)算Ta, b, Λ Ta, b, Λ Ta, b, Λ Ta, b,。4的慣性矩I的均值和方差用a 3, b3表示；
[0026] (6)計(jì)算Ta, d、Ta, b,。2、Ta, b, Λ Ta, b,。4的相關(guān)C的均值和方差用a 4, b4表示；
[0027] (7)將得到的均值和方差組成特征向量q = {a^ bp a2, b2, a3, b3, a4, b4};
[0028] (8)將得到的特征向量歸一化，得到歸一化的特征向量Q ;
[0029] (9)將各類(lèi)圖像的到的歸一化的特征向量按照類(lèi)別順序組成成過(guò)完備字典D =
[Qi, ι，ι， """7 Qiaaoj ..·，Qi，io，io， ...,Qnoa, ..·，^4,10,10] 〇
[0030] 進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明所述的煤巖識(shí)別方法，所述的Ga, b,。進(jìn)行十字對(duì)角紋理矩陣 的轉(zhuǎn)換，得到各類(lèi)圖像的十字對(duì)角矩陣的具體過(guò)程如下：
[0031] a.在Ga, b,。的素塊大小為3X3的鄰域內(nèi)，將中心像素的八連通像素分為兩組，每 組4個(gè)元素。即一組為正十字的四相鄰像素和另一組對(duì)角線上的四相鄰像素，每個(gè)元素的 取值根據(jù)所在像素的值與中心像素的值相比較而分別取為〇, 1，2 ;即小于中心像素的值則 取〇,相等取值1，大于則取值2 ;
[0032] b.每組四個(gè)元素按照如下公式進(jìn)行計(jì)算，便可獲得中心像素點(diǎn)的十字紋理單元 (CTU)值和對(duì)角紋理單元（DTU)值，這些單元值得取值范圍為0-80之間的整數(shù)。各紋理單 元值計(jì)算公式如下：
[0035] 其中，Nctu為十字紋理單元值，N _為對(duì)角紋理單元值，E "為十字線上相鄰像素值， Edi為對(duì)角線上相鄰元素值；
[0036] c.對(duì)圖像中除邊緣外的所有像素值NeTjP N_，并在以NctuS X坐標(biāo)和以N_為Y 坐標(biāo)的矩陣的對(duì)應(yīng)元素值累加，這樣得到各類(lèi)圖像的十字對(duì)角紋理矩陣Ta,
[0037] d.根據(jù).
的起始位置的不同，可得到四種十字對(duì)角紋理矩陣：Τ^,ΛΤ^,
[0038] 進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明所述的煤巖識(shí)別方法，所述計(jì)算各類(lèi)圖像的十字對(duì)角紋理 矩陣的能量E、熵H、慣性矩I、相關(guān)C、的具體過(guò)程如下：
[0039] a.將十字對(duì)角紋理矩陣Ta,b,。進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算公式：
其中，Ta,b,。矩陣（X，y)對(duì)應(yīng)的值為T(mén)(x，y);
[0045] f.計(jì)算U、Ta,b,。2、Ta,b,。 3、W的能量E的均值和方差用a i，Id1表示；
[0046] g.計(jì)算 Ta, b, Λ Ta, b, Λ Ta, b, Λ Ta, b, C4的熵 H 的均值和方差用 a 2, b2表示；
[0047] h.計(jì)算Ta, b, Λ Ta, b, Λ Ta, b, Λ W的慣性矩I的均值和方差用a 3, b3表示；
[0048] i.計(jì)算Ta, d、Ta, b,。2、Ta, b, Λ Ta, b,。4的相關(guān)C的均值和方差用a 4, b4表示；
[0049] j.將得到的均值和方差組成特征向量q = {a^ Id1, a2, b2, a3, b3, a4, b4};
[0050] k.將得到的特征向量歸一化，得到歸一化的特征向量Q ;
[0051] 1.將各類(lèi)圖像的到的歸一化的特征向量按照類(lèi)別順序搞糟成過(guò)完備字典D = [Q1,
[0052] 進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明所述的煤巖識(shí)別方法，所述的步驟（2)建立過(guò)完備字典的 過(guò)程中，稀疏表示的具體過(guò)程如下：
[0053] (1)將得到的測(cè)試圖像按照步驟⑴中的1)、2)、3)所示的過(guò)程，得到測(cè)試樣本的 特征向量，并用y表示；
[0054] ⑵用Na,b表示圖像Pa, b類(lèi)中的圖像數(shù)目，即在該方法中Na,b= l〇ANa,b，Pa,^， a表示采集對(duì)象的類(lèi)別，b表示光照強(qiáng)度的類(lèi)別；
[0055] (3)對(duì)y進(jìn)行第一層的稀疏表示：
[0056] l)y = Qa，ba a，b，其中 a = l，2,3,4，b = 1，2，…，10，c = 10，
該層 稀疏表示，得到一個(gè)稀疏表示矩陣
C該式表示在a類(lèi)對(duì)象在光照強(qiáng)度b下對(duì) 測(cè)試圖像特征向量y的線性表示的系數(shù)矩陣，其中，a a, a類(lèi)對(duì)象在光照強(qiáng)度b下對(duì)測(cè) 試圖像特征向量y的線性表示中Na,b個(gè)圖像的表示系數(shù)；
[0057] 2)用
是對(duì)象a在光照強(qiáng)度b下的采集圖像類(lèi)的稀疏表 示系數(shù)，即與aa,b相同；
[0058] (4)對(duì)y進(jìn)行第二層稀疏表示：
[0060] 2)
是對(duì)象a在各類(lèi)光照下的稀疏表示系數(shù)，即與β a相同；
[0061] (5)對(duì)y進(jìn)行第三層稀疏表示：
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