本發明專利技術涉及一種基于自適應時域濾波與形態學的氣體紅外視頻序列圖像增強方法，屬于氣體泄漏檢測領域。針對信噪比較低、對比度差的中波紅外/長波紅外氣體泄漏視頻序列圖像，自適應時域濾波方法結合了遞歸濾波和均值濾波，最大程度降低背景區域的隨機噪聲；然后，使用幀差運算和差分圖像累積的方法增強氣體擴散區域；接著，使用形態學方法擴展氣體區域，并進行更深層次的降噪；最后，考慮到人眼對彩色更為敏感，對氣體擴散區域進行彩色渲染，獲得氣體區域得以彩色增強、信噪比得以提高的氣體紅外圖像。該方法明顯增強氣體泄漏的可見性，方便觀察者及時發現氣體泄漏、定位氣體泄漏部位以及氣體擴散區域。本發明專利技術可用于檢測多種無色無味氣體的泄漏。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種基于自適應時域濾波和形態學的氣體紅外視頻序列圖像增強方法，屬于氣體泄露檢測領域。
技術介紹
多數危險氣體是無色無味的，氣體泄漏時人很難直接通過視覺或嗅覺覺察到，這給人民的生命財產安全造成了巨大隱患。被動式氣體成像技術使用中波或長波紅外成像技術可視化氣體對3 14 y m波段紅外輻射的吸收，同時采用圖像處理技術改善圖像質量，是一種快速的以人眼觀察為主的定性檢測技術，是定量氣體濃度檢測技術(如氣體傳感器) 和氣體種類辨別技術(如紅外光譜儀)的有益補充。1985年Strachan等人用一個353K(80°C )的黑體作為背景，觀察到從管道里噴出的丁烷氣體，首次實現了氣體泄漏的紅外成像。英國的Jennifer在1995年提出結合中值濾波和遞歸濾波的自適應時域濾波法，該方法在噪聲水平不高時可達到較好的效果。美國 FLIR系統公司的第一代氣體成像產品GasFinder于2005年首次投放市場氣體，目前已占有美國國內和國際上的大部分市場份額。被動式氣體成像屬于一個新興且蓬勃發展的領域， 但是，被動式氣體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信噪比低、對比度差，另外，相比紅外探測器和紅外成像系統整機都很發達的歐美國家，我國自行研制的紅外探測器陣列的性能離歐美國家尚有一定差距， 因此，一方面需要在我國現有探測器性能基礎上提高后端圖像處理的水平，以滿足成像探測微量氣體泄漏的要求，另一方面需針對氣體紅外圖像的特點進行降噪、突顯氣體區域，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。
技術實現思路
針對上述氣體紅外圖像質量和現有處理算法的缺陷，本專利技術的目的是為解決氣體紅外圖像噪聲水平高和氣體可見區域不明顯的問題，提出一種基于自適應時域濾波和形態學相結合的紅外圖像降噪和氣體可視化增強的方法，突出氣體運動目標，增強氣體和背景的對比度，抑制噪聲，并實現對氣體的彩色區域增強。為實現上述目的，本專利技術的技術方案為一種基于自適應時域濾波和形態學的氣體紅外視頻序列圖像增強方法，包括以下步驟步驟一、在時間域內對熱像儀采集獲得的動態視頻進行時域濾波，并使用閾值區分運動氣體擴散區域和靜止的背景區域，獲得濾波后圖像；步驟二、對視頻序列圖像中相鄰多幀進行幀差運算并累加差分圖像，在預定時間范圍內增強氣體區域的面積；步驟三、以濾波后的圖像作為形態學處理的輸入，對圖像依次進行形態學腐蝕和膨脹處理，實現降噪，并將小的氣體區域連接為面積較大的區域；步驟四、將圖像渲染為彩色，并疊加到動態濾波視頻中，得到增強后的彩色化視頻。所述的運動氣體擴散區域與靜止背景區域的初步區分通過一個預設并可調整的閾值，對視頻序列中相鄰兩幀的差值進行判斷如果某位置的差值小于閾值，認為該位置處于靜止的背景區域，如果差值大于閾值，認為該位置處于運動的氣體擴散區域。所述的時域濾波采用以下方法對時間標尺上相鄰視頻幀進行時域遞歸濾波和均值濾波；對于背景圖像，對遞歸濾波結果、當前幀和前一幀圖像取均值，通過均值運算最大程度降低背景區域的隨機噪聲；對于氣體擴散區域，直接輸出當前幀相應位置的數據。所述的運動氣體擴散區域的提取、積累和增強是將某一幀圖像設為參考幀，將其后連續多幀圖像分別與參考幀進行幀差運算，提取運動的擴散區域，并對差分結果進行累加，從而在預定時間范圍內增強氣體區域。所述的形態學處理采用以下方法使用合適的結構元素對圖像進行腐蝕降噪和膨脹增強，擴大運動的氣體區域，將分離的小氣體區域連接為面積較大的氣體擴散區域，并保持氣體云團邊緣的平滑性。所述的氣體擴散區域的彩色化增強采用以下方法對經過自適應時域濾波、差分圖像累加和形態學處理后提取的氣體擴散區域渲染上彩色，然后疊加到自適應時域濾波處理輸出的視頻圖像中。本專利技術的工作原理首先針對氣體紅外圖像信噪比低的特點，通過視頻序列中相鄰兩幀的差值判斷運動的氣體擴散區域和靜止的背景區域，對相鄰兩幀的背景區域進行遞歸濾波和均值濾波，最大程度降低隨機噪聲；然后，將某一幀圖像設為參考幀，將其后連續多幀圖像與參考幀進行幀差運算，提取氣體擴散區域，并累加差分圖像，在一定時間范圍內增強氣體擴散區域；接著，使用形態學方法擴展氣體區域，將分離的小氣體區域連接為面積較大的氣體區域；最后，將氣體擴散區域渲染為彩色，并疊加到降噪后的視頻圖像中，獲得氣體區域得以彩色增強、信噪比得以提高氣體紅外圖像。本專利技術產生的有益效果是本專利技術在對氣體紅外圖像進行降噪和增強時，相對于以往的氣體成像檢測的方法，具有以下優勢(I)現有技術使用中值濾波和遞歸濾波結合的方法對時序圖像進行降噪處理，雖然達到了較好地效果，但是對硬件設備的要求較高，濾光片需要真空制冷。本專利技術提出了一種以均值濾波代替中值濾波并結合形態學腐蝕降噪的方法，降低了對硬件設備的要求，去除了對濾光片制冷的硬性要求。(2)現有技術對氣體檢測的結果沒有對氣體進行增強處理，只針對泄漏量巨大的場景適用。本專利技術使用自適應時域濾波和形態學的方法對氣體區域進行降噪和增強，可有效地檢測氣體泄漏量較小的場景，并能夠準確定位氣體泄露源的位置。附圖說明圖I為本專利技術基于自適應時域濾波方法對紅外氣體圖像進行降噪的流程圖。圖2為本專利技術基于形態學方法對氣體圖像進行增強的流程圖；圖3為具體實施例中使用中波制冷熱像儀拍攝的微量CO2氣體泄漏的視頻中的圖圖4為具體實施例中經過自適應時域濾波降噪后的氣體圖像；圖5為具體實施例中經過形態學方法增強并彩色化后的氣體圖像；圖6為本專利技術圖像增強的詳細流程圖。具體實施例方式為了進一步說明本專利技術的目的和優點，下面結合附圖和具體實施例對本專利技術作進一步的說明。本實施例中采用自適應時域濾波和形態學方法對中波熱像儀拍攝的CO2氣體視頻進行降噪和增強處理。其具體實現過程包括圖I所示的步驟步驟一、在時間域內對熱像儀采集獲得的動態視頻Vik進行自適應時域濾波，并使用閾值分割背景和運動氣體，獲得濾波后圖像Inrean.自適應時域濾波包括遞歸濾波和均值濾波。遞歸濾波法使用權值遞歸的方法對視頻中當前圖像In與之前所有幀的遞歸結果yn-i進行權值求和，得到當前的遞歸結果7 .權值a稱作時間常數，可以由經驗獲得，在經驗值范圍內可以得到最優的遞歸結果。遞歸濾波初值為第一幀圖像Itl,濾波的表達式如下{ 7°(I)然后對得到的遞歸濾波結果圖像以及視頻Vik相鄰的兩幀圖像In和Ilri進行均值濾波。傳統的均值濾波方法是在空間域中以鄰域像素灰度的均值代替中心像素的灰度，將這種方法發展到時域中，即計算當前幀、前一幀和遞歸結果圖像中對應位置三像素灰度的平均值，獲得均值濾波后的圖像Im_。濾波的表達式為 Imean = [Wi+yJ /3 ⑵接著，使用相鄰兩幀圖像的差分圖像與閾值比較，分割氣體運動目標和圖像靜止背景，得到自適應時域濾波結果。氣體目標不斷地進行著擴散運動，表現在相鄰兩幀圖像中就是相同位置像素點的灰度值不同。對相鄰兩幀圖像求差分，差分圖像k中包含氣體的運動信息和隨機產生的噪聲，噪聲灰度水平比氣體目標灰度水平低。選擇合適的閾值T，將 (x,y)坐標位置處的灰度值與閾值比較，前者大該像素點為氣體目標，后者大該像素點屬于背景或噪聲。表達式如下差分圖像k= Iln-I1I (3)目標像素點k(x,y本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：王嶺雪，張長興，高岳，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：
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