一种基于DCT同态滤波的煤矿井下图像增强方法

本发明属于井下图像增强，尤其涉及一种基于dct同态滤波的煤矿井下图像增强方法。

背景技术：

1、煤矿井下高质量图像是保证煤矿井下安全生产的重要组成部分，但是由于煤矿井下不存在自然光照，综掘过程中需使用照明设备改善巷道的黑暗环境，使得传感器采集到的图像相较于地面图像具有低照度、明暗差距较大等问题，这对后续井下监控图像的分析与安全监管产生严重影响，因此针对井下低照度图像进行增强处理具有重要意义。

2、目前适用于煤矿井下的图像增强技术主要分为基于空间域和基于频率域两大方面，基于空间域图像增强的方法包括了直方图均衡化方法(histogram equalization，he)和retinex方法等，基于频率域的方法包括同态滤波方法。其中he算法只是根据图像的灰度概率分布函数进行简单的全局拉伸，没有考虑像素间的灰度联系情况，会造成细节的丢失。为了改善这一问题，采用限制对比度的自适应直方图均衡化算法(contrast limitedadaptive histogram equalization，clahe)。在原图像的直方图基础上设定一个阈值，假设直方图的某个灰度级超过了阈值，就对此灰度值进行裁剪，并且对于超出阈值的部分，将其平均分配到各个灰度级，解决图像边缘信息缺失、自适应直方图均衡算法(adaptivehistogram equalization，ahe)过度放大噪音的问题。而retinex方法假定空间照度是缓慢变化的，在图像明暗变化剧烈的区域，容易出现光晕现象。因此在处理井下光照差异很明显的图片，基于频率域的同态滤波方法有更好的效果。同态滤波是一种结合了频率过滤和灰度变换的方法，它以图像的照度反射模型作为频域的处理基础，分别对低频信息进行增强，高频信息进行抑制，可以有效解决图像上照度不均匀和动态范围过大对图像产生影响的问题，在不损失亮区细节信息的同时，有效增强暗区的细节信息。但全局同态滤波操作，对图像的亮度增强存在盲目性，容易对部分像素造成过度增强的同时忽略了局部对比度。且传统的同态滤波是基于傅里叶变换和反变换的，傅里叶变换的参数均为复数，使得运算数据量大，运算过程复杂，实时性差。

技术实现思路

1、针对煤矿井下低照度和光照不均匀导致的图像传感器成像局部区域明暗不一、图像的整体对比度和清晰度较低的情况。本发明的目的在于提供一种基于dct同态滤波的煤矿井下图像增强方法，在计算量减少的同时很大程度改善了光照不均匀、低照度对视觉传感器的影响，有效提高了图像清晰度及对比度，保留了图像局部区域的特征信息。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于dct同态滤波的煤矿井下图像增强方法，包括：

3、对煤矿井下的灰度图像数据进行方阵处理；

4、对方阵处理后的所述灰度图像数据进行单参数dct同态滤波处理，获取同态滤波后的图像数据；

5、对所述同态滤波后的图像数据进行clahe处理，获取增强后的灰度图像数据。

6、可选地，对方阵处理后的所述灰度图像数据进行单参数dct同态滤波处理包括：

7、对方阵处理后的所述灰度图像数据取对数处理；

8、将取对数处理后的所述灰度图像数据进行dct变换，获取空间域的所述灰度图像数据；

9、使用预设传递函数对空间域的所述灰度图像数据进行滤波处理，再进行dct逆变换；其中，所述预设传递函数中引入了单参数同态滤波；

10、对dct逆变换后的所述灰度图像数据进行指数处理得到同态滤波后的图像数据。

11、可选地，取对数处理后的所述灰度图像数据为：

12、f(x,y)＝i(x,y)×r(x,y)

13、其中，f(x,y)为取对数处理后的所述灰度图像数据，i(x,y)为照射分量，r(x,y)代表反射部分。

14、可选地，空间域的所述灰度图像数据为：

15、

16、其中，f(u,v)为空间域的灰度图像数据，n为图像大小，c(u)为归一化系数，c(v)为归一化系数，i为图像的空间行坐标，j为图像的空间列坐标，f(i,j)为输入图像在空间域的像素值，u为频域的频率行坐标，v为频域的频率列坐标。

17、可选地，所述预设传递函数为：

18、

19、其中，h(u,v)为预设传递函数，e为指数，k为调节参数，d0为截止频率，d(u,v)为频率(u,v)到中心频率(u0,v0)的距离。

20、可选地，所述同态滤波后的图像数据为：

21、g(x,y)＝exp[hf(x,y)]＝exp[hi(x,y)]exp[hr(x,y)]

22、其中，g(x,y)为同态滤波后的图像数据，hf(x,y)为滤波后的频谱域图像进行逆dct变换到空间域的图像，hi(x,y)为i(x,y)dct变换后与传递函数h(u,v)的乘积进行反dct变换的结果，hr(x,y)为r(x,y)dct变换后与传递函数h(u,v)的乘积进行反dct变换的结果。

23、可选地，对所述同态滤波后的图像数据进行clahe处理包括：

24、对所述同态滤波后的图像数据进行分割，分为互不叠加、大小相等的若干块区域；

25、以每块区域为单位计算直方图；

26、对所述直方图进行预处理，获取增强后的灰度图像数据。

27、可选地，对所述直方图进行预处理包括：

28、计算所述直方图的裁剪幅值；

29、基于所述裁剪幅值，对所述直方图进行裁剪，并在每一个灰度级上将裁剪掉的像素数平均分配，获取新的直方图；

30、对新的直方图进行均衡化处理；

31、对均衡化处理后的直方图进行插值运算，获取增强后的灰度图像数据。

32、可选地，对新的直方图进行均衡化处理包括：

33、根据新的直方图的图像灰度级计算概率密度函数；

34、所述概率密度函数为：

35、

36、其中，pr(rk)为灰度级k的概率密度，k为灰度值的等级，nk为第k级灰度值的像素个数，mn为图像总像素数，l为灰度级数量，r为输入图像的灰度，rk为灰度值级数；

37、基于所述概率密度函数，计算累积分布函数；

38、所述累积分布函数的离散形式为：

39、

40、其中，sk为输入灰度级r对应输出灰度级值的累积分布函数离散值，t(rk)为为将原始直方图转换到均衡后的直方图的变换函数；

41、基于所述累积分布函数对新的直方图中每个素进行映射，完成均衡化处理。

42、可选地，所述插值运算的方法为：

43、

44、其中，f'(x,y)为所求点的像素坐标值，f′1、f′2、f′3、f′4为图像边缘区域的像素值通过周围四个子块的映射函数变换得到的映射值，(x1,y1)、(x2,y2)为所求点相邻两个子块的中心点像素坐标，(x′1,y′1)、(x′2,y′2)、(x′3,y′3)、(x′4,y′4)分别表示周围四个子块的中心像素坐标，x为所求点的像素值，y为待求点像素值，x2为子块中心点像素值，x22此处指x′2。

45、本发明具有以下有益效果：

46、针对煤矿井下图像有存在局部亮度差距大、特征细节信息丢失和对比度低等问题，提出一种基于dct同态滤波的煤矿井下图像增强方法。首先，使用基于改进的离散余弦(dct)变换的单参数同态滤波算法，在降低计算量的同时提高图像清晰度；然后将滤波后的图像使用限制对比度的自适应直方图均衡化(clahe)算法处理，完成图像的增强。本发明能有效改善光照不均匀对图像的影响，提高图像清晰度和对比度，在保留图像特征细节信息的同时，改善经典同态滤波对明暗差距大图像的过增强现象。