专利名称：一种处理矿工人脸图像与煤面光照不均的图像预处理方法
技术领域：
本发明涉及煤矿井下监控系统的图像预处理领域，是ー种处理低光照度井下图像光照不均，增强图像对比度的图像预处理方法。
背景技术：
在煤矿井下监控系统中，由于煤矿巷道内环境复杂，背景明暗，其光照主要来源于照明灯，灯光区域与背光区域亮度反差很大，加上CCD摄像机的强闪光灯等因素，导致图像光照不均，严重影响图像的采集质量。针对复杂的井下条件，煤矿井下监控系统中的采集图像须经过充分的预处理，才能用于图像的分析识别。图像光照不均现象主要包括①图像采集环境整体能见度低，灯光区域与背光区域亮度反差很大，加上光源发出的的光照射线较强，可能干扰图像特征的显示光照引起图像中物体表面局部出现反光、高光现象，造成图像整体或局部光照不均，严重影响图像的采集质量。因此，针对光照不均的图像，需要进行必要的预处理才可以用于计算机分析识别。目前处理图像光照不均的图像增强技术主要包括空域增强方法如直方图均衡化、梯度增强法，频域增强方法如基于照明-反射模型的同态滤波法以及基于光照补偿的Retinex方法等，另外同态滤波法和Retinex方法与小波变换相结合的图像增强方法也被提出。其中直方图均衡化对于处理灰度反差大的图像有较好的效果，特别是能提高背景黑暗的夜间照明图像的整体灰度值，但是对于照明和反光的高亮度区域处理效果不佳；基于照明-反射模型的同态滤波法以及基于光照补偿的Retinex方法针对处理光照影响强烈的高光、反光区域有较好的效果，因此在处理光照不均方面更加受到关注。中国专利申请号200910021318. 7，
公开日2009. 07. 29，公开了ー种基于小波域同态滤波的检测伪造图像的方法。该发明对彩色图像亮度分量进行ー层小波分解，并设计小波域同态滤波函数进行滤波，对不同分辨率下的小波分解系数进行类似高通滤波的处理，再利用边界算子进行边界提取从而实现图像边界的增强。该方法侧重图像边界增强，但不适用于处理图像光照不均的影响。中国专利申请号201110274647. X，
公开日2012. 02. 15，公开了ー种高反光柱面金属上的ニ维条码图像识别方法。该发明利用六次多项式插值公式模拟横向像素的渐变曲线，并利用等距节点的牛顿插值法计算横向像素的插值公式。从而校正柱面的光照不均，实现对ニ维条码区域的定位。该发明主要应用于高反光柱面金属上的轻度或中度光照不均的图像识别。中国专利申请号201110316982. 1，
公开日2012. 01. 25，公开了ー种不均匀光照下
的棉花伪异性纤维彩色图像增强方法及系统。该发明对彩色图像亮度分量进行光照处理，采用梯度计算法得到新的亮度图像，实现亮度分量的梯度均匀化，用新的亮度分量代替原有的亮度分量，从而处理图像的光照不均。该发明属于空间域增强法，与频域增强法相比，其计算方法复杂，循环次数更多，计算量大。鉴于此，本发明从频域图像增强方法出发，结合同态滤波原理算法，设计ー种特别、针对处理煤矿井下监控系统中的矿工人脸图像与煤面光照不均的图像预处理方法。与传统的同态滤波方法相比，本发明在对照射分量的处理方面进ー步细化，在抑制光照影响的同时避免对低频分量的过度抑制，对于处理低光照度井下图像的光照不均现象针对性更强。
发明内容
本发明提供了ー种处理矿工人脸图像与煤面光照不均的图像预处理方法。在图像预处理方法中，基于照明-反射模型的同态滤波原理算法，设计出特别针对削弱低光照度坏境下图像强光照和强反光影响，实现图像对比度增强，同时避免处理后图像过暗的同态滤波函数，从而对图像进行预处理。与传统的同态滤波方法相比，本发明所设计的同态滤波函数特别针对低光照度井下图像的光照处理，对低频范围频率分量进行分段不同程度的处理，在削弱照射分量的同时尽量避免对较大范围内低频分量的过度抑制。本发明对于处理由强照明光源引起的高光、反光、以及明暗反差等光照不均现象的低光照度图像，实现削弱光照影响、增强图像对比度有显著效果。本发明的思路是运用同态滤波原理的图像增强算法，处理矿灯照明光源和C⑶摄像机强闪光灯直射、反射的光照射线对低光照度井下采集图像质量的影响。在图像预处理方法中，根据同态滤波原理，将彩色图像转化为灰度图像并取对数(如果原始图像是灰度图像，则直接取对数)，再进行中心傅立叶变换，得到频域函数之后，设计出专门针对削弱低光照度坏境下图像强光照和强反光影响，实现图像对比度增强，同时避免过度抑制光照分量的同态滤波函数，从而对图像进行预处理。为了在减小光照影响的同时避免处理后的图像过暗，同态滤波函数设计为(w，v)- I + C * [Diui V) / D01 ]2n +1 + c * [D02 / D (u,v)]2n其中，D(u，v)为频域范围内任意点到原点的像素距离，単位为像素数ル为低频分量抑制半径(0 < D01彡15)，单位为像素数山。2为高频分量增强半径(Dt52彡15)，单位为像素数；系数4控制半径Dtjl以内低频分量的抑制程度(0< I);系数％控制半径D02以上高频分量的增强程度(a H > 0);常数c可调节函数形状(c > 0) ；n为滤波器阶数(最佳取值为2，以减小振铃效应)；在半径Dtjl至Dt52之间的频率较低的低频范围内，基本保持原值的I倍不变。为避免过度抑制光照分量，设计的同态滤波函数实现对低频范围分量分段不同程度的处理，对半径Dtjl以内的低频分量进行抑制，而半径Dtjl至Dt52之间的频率较低范围内的低频分量基本保持原来的值不变。为避免对更大范围低频分量的过度抑制，半径Dtjl取值不宜过大，因为当截止频率点半径为5时，传统低通滤波器(如巴特沃思低通滤波器、高斯低通滤波器)滤波得到的图像非常模糊，基本看不到任何细节，只留下亮暗变化的信息，可近似看作是主要的光照贡献，所以明确同态滤波函数的低频抑制半径Dtjl的最佳取值为5。从而，运用所设计的同态滤波函数进行光照处理。本发明的有益效果是I.针对性強。对于处理由强照明光源引起的高光、反光、以及明暗反差等光照不均现象的低光照度矿工人脸图像与煤面图像，实现削弱光照影响、增强图像对比度有显著效果；2.处理光照不均的同时避免处理后图像过暗。对低频分量分段不同程度的处理既、实现了对光照不均影响的抑制，同时又避免了处理后的图像过暗；3.对光照成分的适度抑制。确定Dtjl-佳取值为5，对处理的低频分量范围进行定量估计，以实现对光照成分的适度抑制；4.可调节性強。对低频、高频分量分别处理，半径Dtjl控制低频处理范围、半径Dt52控制高频处理范围，从而増加了对照射分量和反射分量控制的可调节性。
下面结合附图和实施例对本发明进ー步说明。图I是图像预处理方法中同态滤波实现过程。图2是本发明的同态滤波传递函数曲线。图3是存在局部反光现象的煤面原始图像。图4是头戴矿灯的矿井工人的原始图像。图5是ニ阶巴特沃思低通滤波器截止半径取5时对图3进行低通滤波的结果图像。图6是高斯低通滤波器截止半径取5时对图3进行低通滤波的结果图像。图7是利用所设计的图像预处理方法对图3进行光照处理的结果图像。图8是利用所设计的图像预处理方法对图4进行光照处理的结果图像。其中，从图5、图6可看出，当截止频率点半径为5时，传统低通滤波器巴特沃思低通滤波器、高斯低通滤波器分别对图3所示实施例进行低通滤波，得到的滤波结果仅剩图像的明暗变化，可近似看作照射分量的主要贡献。图7和图8中所使用的同态滤波函数中，參数设置如下n = 2, c = I, Dq1 = 5, a し=0. 3, Do2 = 15, a H = 4。
具体实施例方式根据图I中的同态滤波实现过程，借助图像处理软件(如matlab软件)对实施例图3和图4进行光照处理，具体实施方式
如下(I)将彩色图像图3和图4转化为灰度图像，并对灰度图像函数取对数，公式如下z(x, y) = Inf (x, y)其中f (X，y)为灰度图像函数，z (X，y)为取对数所得函数；(2)对函数z(x,y)进行中心傅立叶变换,得到频域函数Z(u, V)；(3)设计同态滤波函数。同态滤波算法的关键之处在于同态滤波传递函数H(u，v)的选择，通过传递函数分别对照射分量和反射分量进行控制。图像照射分量代表图像的光照成分，反射分量代表其不受光照影响时的原始特征。考虑到图像的照射分量通常以空间域的慢变化为特征，而反射分量往往引起突变，这些特性导致图像取对数后的傅里叶变换的低频成分与照射分量相联系，而闻频部分与反射分量相联系，故对照射分量和反射分量的控制可近似转化为对图像低频和高频分量的控制。为了尽量抑制照射分量的影响，同时凸显反射分量，以达到缓解光照不均，实现图像增强的目的，考虑抑制低频(照度)的贡献，而增强高频(反射)的贡献。①照射分量的抑制借助传统低通滤波函数抑制照射分量。因为低频成分与照射、分量相联系，为了尽量削弱照射分量的影响，需要对低频范围分量进行抑制。设低频抑制范围位于半径Dtjl以内，可借助低通滤波器滤除掉半径Dtjl以外的频率分量，只保留半径Dtjl以内的低频部分，对其进行减小处理。又因为当截止频率点半径为5时，传统低通滤波器巴特沃思低通滤波器、高斯低通滤波器分别对图3所示实施例进行低通滤波，得到的结果图像图5和图6非常模糊，基本看不到任何细节，只留下亮暗变化的信息，可近似看作是主要的光照贡献，所以考虑主要对半径5以内低频成分进行抑制，即在原来频率大小的基础上，减去原频率分量的倍。②反射分量的增强借助传统高通滤波函数增强反射分量。图像反射分量代表其不受光照影响时的原始特征，近似将高频部分看作是反射分量的贡献。为了增强高频分量，设高频增强范围位于半径Dt52以外的频率范围，可借助高通滤波器滤除掉半径Dt52以内的频率分量，只保留半径Dt52以外的高频部分，对其进行增强处理。将高频分量在原来频率大小的基础上，加上原来的Qii倍，可达到增强图像特征的目的。为了提高图像的对比度，尽量多的保留细节特征，滤波截止半径Dt52不宜过大，以使所保留的高频范围尽量大。③构建同态滤波传递函数H(u，v):特别针对头戴矿灯的矿工人脸图像识别以及煤面的矿车监控和煤块识别，所设计的图像预处理方法中，同态滤波函数实现对低频范围频率分量进行了分段不同程度的处理，在增强图像的同时，避免处理后图像过暗。根据同态滤波原理，照射分量的贡献位于低频范围内，反射分量的贡献位于高频范围内，故所设计的同态滤波函数对半径Dtjl以内的低频分量进行抑制，对半径Dt52以上的高频分量进行增强，而半径Dtjl至Dt52之间的频率较低范围内的低频分量基本保持原来的值不变，从而实现减小强光照影响，提高图像对比度，同时避免对较大范围内低频分量的过度抑制。将图像预处理方法中，同态滤波函数的设计思路与巴特沃思低、高通滤波函数结合，设计如下同态滤波函数
「00371 H{u,v) = I----r—^-----Z-
L 」l + c*[D{u,v)/Djn \ + c*[Do2/D(u,v)]2n其中，D(u, v)为频域范围内任意点到原点的距离，単位为像素数ル为低频分量抑制半径(0 < D01彡15)，单位为像素数山。2为高频分量增强半径(Dt52彡15)，单位为像素数；系数4控制半径Dtjl以内低频分量的抑制程度(0< I);系数％控制半径Dt52以上高频分量的增强程度(a H > 0);常数c可调节函数形状(c > 0) ；n为滤波器阶数(最佳取值为2，以减小振铃效应)；在半径Dtjl至Dt52之间的频率较低的低频范围内，基本保持原值的I倍不变。在所设计的传递函数H(u，v)中，图像的低频分量在原来的基础上减小4倍，图像的高频分量在原来的基础上增加a H倍。(4)对步骤(3)中的同态滤波函数參数进行赋值，并对实施例图3、图4在步骤(2)得到的频域函数进行同态滤波。根据步骤(3)中对照射分量抑制的分析得到同态滤波函数低频抑制半径Dtjl取5最佳。根据原图像的光照特征和对图像的处理要求选取同态滤波函数中其他參数。其中，0< aL< I, 取值越大，图像光照削弱程度越大，处理后的图像越暗，因此对于整体光照较暗的图像，4取值应小于0. 5，以减少对整体亮度的削弱；a H取值越大，图像对比度增强程度越大，％越小，增强程度越不明显，通常Ci11取值最好大于I。高频增强半径Dt52根据、处理需要而定，可參考巴特沃思高通滤波器的滤波效果选择。若需要增强图像整体对比度，显示更多细节特征，半径Dtj2宜选取较小值，以扩大所增强的高频分量的范围，否则，若只想增强图像边界等灰度梯度变化较大的地方，半径Dt52宜选取较大值。滤波器阶数n宜取2，以减小振铃效应。系数c > O，其选择对同态滤波器函数的形状有一定影响，宜取O至5以内的数。
根据以上分析，设直n = 2，c = I，Dol = 5, ct L = 0. 3, Do2 = 15, a H = 4，对头施例图3、图4在步骤(2)得到的频域函数进行同态滤波将频域函数Z(u，v)与所设计的同态滤波传递函数H(u，v)相乘，公式如下S (u, v) = Z (u, V) *H(u, V)；其中，Z(u, V)为经过傅立叶变换的频域函数，H(u, V)为同态滤波传递函数，S(u,v)为滤波输出的图像的傅立叶变换。(5)对同态滤波结果进行中心傅立叶逆变换，得到函数s (X，y)；(6)对步骤(5)所得结果取指数，得到同态滤波后的结果图像图7和图8，其中图7是图3的同态滤波結果，图8是图4的同态滤波結果。公式如下g(x,y) = es(x'y),其中s(x，y)为步骤(5)所得結果，g(x, y)为同态滤波结果图像。
权利要求
1.ー种处理矿工人脸图像与煤面光照不均的图像预处理方法，其特征在于包括如下步骤 (1)如果原图像是彩色图像，则先将其转化为灰度图像再取对数，如果原图像是灰度图像，则直接取对数； (2)进行中心傅立叶变换，得到频域函数； (3)构建同态滤波函数，进行同态滤波，削弱低光照度坏境下强光照和强反光对图像的影响，增强图像对比度，同时避免过度抑制照射分量； (4)中心傅立叶逆变换并取指数，得到结果图像。
2.根据权利要求I所述的ー种处理矿工人脸图像与煤面光照不均的图像预处理方法，其特征在于该预处理方法中同态滤波函数为 H(u.v) = \--^-厂 +-^-- l + c*[D(u,v)/Djn l + cnDo2/D(u,v)]2n 其中，D(u，v)为频域范围内任意点到原点的距离，単位为像素数为低频分量抑制半径，O < D01 ^ 15，单位为像素数山。2为高频分量增强半径，Dt52 ^ 15，单位为像素数；系数4控制半径Dtjl以内低频分量的抑制程度，O < aL<l ;系数％控制半径Dt52以上高频分量的增强程度，a H > O ;常数c可调节函数形状，c>0；n为滤波器阶数，n = 2 ;在半径Dtjl至Dt52之间的频率较低的低频范围内，保持原值的I倍不变。
3.根据权利要求2所述的ー种处理矿工人脸图像与煤面光照不均的图像预处理方法，其特征在于同态滤波函数实现对低频范围分量分段不同程度的处理，对半径Dtjl以内的低频分量进行抑制，而半径Dtjl至Dt52之间的频率较低范围内的低频分量保持原来的值不变。
4.根据权利要求3所述的ー种处理矿工人脸图像与煤面光照不均的图像预处理方法，其特征在于同态滤波函数的低频抑制半径Dtjl的取值为5。
5.根据权利要求I所述的ー种处理矿工人脸图像与煤面光照不均的图像预处理方法，其特征在于该预处理方法中同态滤波函数对低频、高频分量分别处理，増加了对照射分量和反射分量控制的可调节性，半径Dtjl控制低频处理范围、半径Dt52控制高频处理范围，而在半径Dtjl至Dt52之间的低频范围分量保持原信不变。
全文摘要
本发明公开了一种处理矿工人脸图像与煤面光照不均的图像预处理方法，该图像预处理方法运用同态滤波原理算法，实现削弱照射分量，增强反射分量，同时避免对低频分量的过度抑制，该预处理方法的同态滤波函数对低频分量和高频分量分开处理，并对低频范围分量进行分段不同程度处理，低频分量抑制半径根据传统低通滤波器在截止频率半径为5时的图像滤波效果确定为5个像素数，该图像预处理方法对于处理矿工人脸图像与煤面图像中的强光照影响针对性强，效果明显。
文档编号G06T5/00GK102750682SQ20121024611
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月17日 优先权日2012年7月17日
发明者田子建, 贾旭芬 申请人:中国矿业大学(北京)