基于图像处理技术的煤矿井下钻孔深度测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种图像处理视频跟踪技术，具体是对打孔视频中的钻头运动进行跟踪，测量分析跟踪轨迹自动计算钻杆的数目，并根据钻杆数量来计算出钻孔深度，避免了人为因素造成的测量错误，可以实时或事后处理数据，并且测量的安全性好，解决了重大的安全隐患。基于图像处理技术的煤矿井下钻孔深度测量方法，对井下复杂环境中低质量视频的目标自动跟踪识别技术，该方法不仅能够解决井下运动目标复杂，井下工人对钻孔视频产生的遮挡问题，而且还能应对井下矿灯以及工人头顶灯中产生的复杂光照环境，同时跟踪结果自动定量分析及计数判断结果精度很高，系统的实时性高。
【专利说明】基于图像处理技术的煤矿井下钻孔深度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及图像处理技术，具体涉及基于图像处理技术的煤矿井下钻孔深度测量 方法。
【背景技术】
[0002] 瓦斯一直是煤矿安全生产的重大隐患。对瓦斯矿井而言，煤矿生产过程中的最大 安全隐患是瓦斯事故。我国1990年到2000年一次死亡3人以上重大瓦斯事故所占比例逐 年上升，最高达到45. 61%，1996年以后一直保持在40%以上。因此，瓦斯事故是我国煤矿 安全事故居高不下的主要矛盾，有效控制瓦斯事故是解决我国煤矿安全问题的关键。由于 瓦斯事故的危害极大，消除瓦斯事故隐患需要花费较多的时间和费用，对高瓦斯突出矿井， 机械化采掘设备很难发挥效用，煤巷掘进速度通常都难以超过l〇〇m/月，回采工作面产量 通常难以超过100万t/a。因此，瓦斯灾害事故的威胁也极大限制了煤矿生产规模、生产效 率和经济效益的提高。瓦斯灾害的有效控制是保证我国煤炭工业可持续发展的一个关键性 问题。
[0003] 因此对煤矿瓦斯进行综合治理尤为重要，目前应用较广、效果较好的技术是瓦斯 抽采技术。瓦斯抽采是煤矿防止瓦斯突出的主要手段。目前对于钻孔深度的测量还停留在 随钻测量的方法，事后监督无法进行。而对于打钻后的测量仍然采用人工方法，存在安全隐 患。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术的不足，本发明采用图像处理技术，自动应用钻杆计数算法，测 量打钻过程中打入钻杆的数量，并根据钻杆数量来计算出钻孔深度，避免了人为因素造成 的测量错误，可以实时或事后处理数据，并且测量的安全性好，解决了重大的安全隐患。
[0005] 本发明的技术方案是：基于图像处理技术的煤矿井下钻孔深度测量方法，包括以 下步骤：
[0006] 步骤一，根据视频的帧率数自动计算钻头钻入过程的帧数Framln =打钻需时间 (s)*视频巾贞率（巾贞/s),以及退出过程的巾贞数Frame0ut=退钻所需时间需时间（s)*视频 帧率（帧/s);
[0007] 步骤二，选择打钻的钻头矩形框作为目标模板，记录下目标矩形框的位置和大小 以及钻头的目标图像；
[0008] 步骤三，依据均值漂移目标跟踪算法采用核函数加权的特征直方图来描述目标 模板，在每帧中对目标模板模型和候选目标模型进行相似性度量，并沿着核直方图相似性 的梯度方向迭代搜索目标位置，实现目标跟踪；所述目标跟踪就是根据上一帧的钻头目标 位置y〇,在当前帧中寻找使距离最小或者相似性系数最大的位置^.在核窗宽确定的条 件下，获得目标模版P和候选目标模版q的和直方图模型后，模型之间的匹配距离定义为
【权利要求】
1. 基于图像处理技术的煤矿井下钻孔深度测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一，根据视频的帧率数自动计算钻头钻入过程的帧数Framln =打钻需时间（S)* 视频帧率（帧/s)，以及退出过程的帧数FrameOut =退钻所需时间需时间（s)*视频帧率 (帧/s); 步骤二，选择打钻的钻头矩形框作为目标模板，记录下目标矩形框的位置和大小以及 钻头的目标图像； 步骤三，依据均值漂移目标跟踪算法采用核函数加权的特征直方图来描述目标模板， 在每帧中对目标模板模型和候选目标模型进行相似性度量，并沿着核直方图相似性的梯 度方向迭代搜索目标位置，实现目标跟踪；所述目标跟踪就是根据上一帧的钻头目标位 置％，在当前帧中寻找使距离最小或者相似性系数最大的位置又^在核窗宽确定的条件 下，获得目标模版P和候选目标模版q的和直方图模型后，模型之间的匹配距离定义为
其中P为Bhattacharyya系数，通过不断地沿着相似性度量的梯度 方向移动到新的位置直至收敛，得到当前新的位置； 步骤四，钻井过程中钻头的运动为不断抖动着前进与后退，所以对跟踪结果的距离 轨迹先采用中值平滑处理，平滑后某时刻t的偏移距离为d' (f) =med{d(t-k，t+k)}， 其中k为滤波尺寸参数，通过寻找平滑后的跟踪结果偏移距离的显著跳跃判断单次钻杆 运动的划分，同时需满足两次连续跳跃的时间差符合设定的时间要求，即满足T i+1-Ti > a* (Frameln+FrameOut)，a在0到1之间，贝U为一个钻杆数量； 步骤五，钻孔深度根据分析的钻井钻杆数量可方便测量得知：Depth =钻杆长度*钻井 钻杆数量。
2. 根据权利要求1所述的基于图像处理技术的煤矿井下钻孔深度测量方法，其特征在 于，所述步骤二还包括选择钻杆方向作为主运动方向，以避免复杂井下环境中多运动目标 如工人运动等产生的干扰和遮挡情况，记录方向线段的参数。
3. 根据权利要求1所述的基于图像处理技术的煤矿井下钻孔深度测量方法，其特征在 于，如果均值漂移算法跟踪到的当前帧的位置偏移到离在步骤二中选择的运动方向一定距 离，则认为当前帧目标丢失，该帧结果无效，以持续运动的预测值为目标位置。
4. 根据权利要求1所述的基于图像处理技术的煤矿井下钻孔深度测量方法，其特征在 于，所述步骤三还包括通过灰度特征、梯度方向特征以及角点特征来判断目标模板和候选 模型之间的相似性。
5. 根据权利要求1所述的基于图像处理技术的煤矿井下钻孔深度测量方法，其特征在 于，所述步骤三还包括定义目标区域，以目标区域几何中心为中心的3倍目标区域面积的 领域区域为背景区域，计算区分度D来判断目标和背景的区分程度，D的计算原则定义为
其中Ha和Hb分别表示目标区域和背景区域的特征直方图。
【文档编号】E21B47/002GK104100256SQ201310132223
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月15日 优先权日:2013年4月15日
【发明者】董立红, 李占利, 张杰慧 申请人:西安科技大学