[發明專利]一種基于各向異性擴散的氣體紅外圖像增強方法

無效

• 申請號: 201210009196.1
• 申請日: 2012-01-12
• 公開（公告）號: CN102609906A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 王嶺雪;李家琨;高岳;金偉其
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 張利萍;高燕燕

技術領域

本發明屬于氣體檢測領域，涉及被動式氣體泄漏紅外成像探測系統的后期信號處理技術，特別涉及一種基于各向異性擴散的氣體紅外圖像增強方法，

背景技術

二十世紀八十年代Strachan等人以353K(80℃)的黑體作為背景，用紅外熱成像技術觀察到了從管道里噴出的丁烷，至此紅外熱成像技術才開始應用于氣體探測領域。目前隨著紅外探測器陣列性能的提高，歐美發達國家的氣體泄漏被動式紅外成像技術及產品發展得很快，已非常廣泛地應用于石化、煉油、電力等行業的氣體泄漏探測及污染物排放監測。然而，被動式氣體泄漏紅外成像系統完全依賴于自然環境的紅外輻射，由于缺少主動的紅外照明，所獲得的氣體紅外圖像往往對比度不高、氣體信號微弱、氣體云團不明顯、背景邊緣和細節模糊，尤其是氣體泄漏量低的情況下，僅憑肉眼難以判斷泄漏的發生。

我們經過大量實驗發現，在實際環境中，對于某個固定的泄漏源，在一定的風速和風向條件下，位于下風向的氣體云團通常呈現擴散和擺動的運動特點。擴散在物理學上是一種遷移過程，如果介質(如空氣)中存在某種雜質，且其濃度分布不均勻，那么雜質將從高濃度區域向低濃度區域遷移。擺動是氣體云團與運動的空氣相互作用的結果。目前，針對氣體紅外圖像的增強算法還比較少，能夠充分考慮氣體運動特點的增強算法就更少。

因此，需要設計一種既能整體改善圖像對比度、抑制噪聲、增強背景細節，又能根據泄漏氣體向外擴散時的運動特征來提取和突顯氣體區域的方法，提高觀察者判斷氣體是否發生泄漏、以及定位泄漏源的能力。

發明內容

針對上述氣體紅外圖像質量和現有處理算法的缺陷，本發明的目的是提出一種基于各向異性擴散的氣體紅外圖像增強方法，突出氣體云團目標，增強圖像背景，提高圖像對比度、抑制噪聲，提高氣體探測概率。

為實現上述目的，本方法基于各向異性擴散的氣體紅外圖像增強方法，包括以下步驟：

第一步：使用中波或長波紅外氣體泄漏云團成像儀拍攝氣體泄漏視頻序列圖像，獲取氣體紅外圖像序列：

第二步：將獲取的當前幀和前N幀視頻圖像進行對比度拉伸預處理；

第三步：根據當前幀的圖像數據擴展氣體云團區域；

第四步：根據第三步中擴展后的當前幀和前N幀的圖像數據定位氣體云團坐標；

第五步：根據第二步中當前幀的圖像數據增強背景圖像的細節；

第六步：根據第四步確定的氣體云團定位坐標與第五步中當前幀背景圖像的相應位置彩色化渲染氣體云團。

第二步中所述的對比度拉伸預處理方法采用直方圖均衡或非線性對比度拉伸，保證之后的處理算法充分發揮增強作用。

第三步中所述的擴展氣體云團區域采用正向各向異性擴散方法，擴展圖像中表征較高氣體濃度的低灰度值區域，并去除噪聲。

第四步中所述定位氣體云團坐標采用如下方法：首先在氣體云團擴展結果的基礎上，進行幀差和積分處理，幀差步調和累加次數根據視頻采集現場環境的風速以及對處理效果的要求進行設定；初步提取氣體云團目標，并增強運動的氣體云團的信號強度；然后采用K均值聚類進一步區分氣體云團與背景噪聲，K均值聚類方法是根據圖像像素點的灰度值大小和彼此之間的空間距離，將像素點進行區域性分割，使得灰度值差別小且距離相近的像素點聚合為同一類別；最后獲得準確的氣體云團區域，記錄氣體云團在圖像中的位置坐標。

第五步所述背景圖像增強是采用雙向各向異性擴散方法對當前幀圖像進行選擇性擴散，在灰度值平坦區域進行正向擴散，降低圖像噪聲，在灰度值變化劇烈的邊緣處進行反向擴散，增強背景細節。

第六步所述氣體云團彩色化渲染方法是將原處理結果的灰度圖像轉為RGB顏色空間的彩色圖像，然后按照已確定的氣體云團坐標，在增強后的背景圖像的相應位置賦予用戶所選擇的顏色，使得彩色化后的氣體云團在黑白紅外背景圖像中更為突出，提高氣體云團的可判讀性，利于人眼快速探測到氣體泄漏時形成的氣體云團。

本發明的工作原理：本發明將正在泄漏的氣體視為從泄漏點附近高濃度區向周圍低濃度區擴散的具有一定面積的、形狀和位置不固定的運動目標，正向各向異性擴散進一步擴展表征氣體云團的低灰度值區域的面積，雙向各向異性擴散對圖像進行選擇性擴散，在灰度值平坦區域進行正向擴散，降低圖像噪聲，在灰度值變化劇烈的邊緣處進行反向擴散，增強背景細節。

本發明產生的有益效果是：本發明提高氣體紅外圖像質量和突出氣體云團目標，相對于以往的氣體成像處理方法，具有以下優勢：