[发明专利]一种基于各向异性扩散的气体红外图像增强方法

说明书

技术领域

本发明属于气体检测领域，涉及被动式气体泄漏红外成像探测系统的后期信号处理技术，特别涉及一种基于各向异性扩散的气体红外图像增强方法，

背景技术

二十世纪八十年代Strachan等人以353K(80℃)的黑体作为背景，用红外热成像技术观察到了从管道里喷出的丁烷，至此红外热成像技术才开始应用于气体探测领域。目前随着红外探测器阵列性能的提高，欧美发达国家的气体泄漏被动式红外成像技术及产品发展得很快，已非常广泛地应用于石化、炼油、电力等行业的气体泄漏探测及污染物排放监测。然而，被动式气体泄漏红外成像系统完全依赖于自然环境的红外辐射，由于缺少主动的红外照明，所获得的气体红外图像往往对比度不高、气体信号微弱、气体云团不明显、背景边缘和细节模糊，尤其是气体泄漏量低的情况下，仅凭肉眼难以判断泄漏的发生。

我们经过大量实验发现，在实际环境中，对于某个固定的泄漏源，在一定的风速和风向条件下，位于下风向的气体云团通常呈现扩散和摆动的运动特点。扩散在物理学上是一种迁移过程，如果介质(如空气)中存在某种杂质，且其浓度分布不均匀，那么杂质将从高浓度区域向低浓度区域迁移。摆动是气体云团与运动的空气相互作用的结果。目前，针对气体红外图像的增强算法还比较少，能够充分考虑气体运动特点的增强算法就更少。

因此，需要设计一种既能整体改善图像对比度、抑制噪声、增强背景细节，又能根据泄漏气体向外扩散时的运动特征来提取和突显气体区域的方法，提高观察者判断气体是否发生泄漏、以及定位泄漏源的能力。

发明内容

针对上述气体红外图像质量和现有处理算法的缺陷，本发明的目的是提出一种基于各向异性扩散的气体红外图像增强方法，突出气体云团目标，增强图像背景，提高图像对比度、抑制噪声，提高气体探测概率。

为实现上述目的，本方法基于各向异性扩散的气体红外图像增强方法，包括以下步骤：

第一步：使用中波或长波红外气体泄漏云团成像仪拍摄气体泄漏视频序列图像，获取气体红外图像序列：

第二步：将获取的当前帧和前N帧视频图像进行对比度拉伸预处理；

第三步：根据当前帧的图像数据扩展气体云团区域；

第四步：根据第三步中扩展后的当前帧和前N帧的图像数据定位气体云团坐标；

第五步：根据第二步中当前帧的图像数据增强背景图像的细节；

第六步：根据第四步确定的气体云团定位坐标与第五步中当前帧背景图像的相应位置彩色化渲染气体云团。

第二步中所述的对比度拉伸预处理方法采用直方图均衡或非线性对比度拉伸，保证之后的处理算法充分发挥增强作用。

第三步中所述的扩展气体云团区域采用正向各向异性扩散方法，扩展图像中表征较高气体浓度的低灰度值区域，并去除噪声。

第四步中所述定位气体云团坐标采用如下方法：首先在气体云团扩展结果的基础上，进行帧差和积分处理，帧差步调和累加次数根据视频采集现场环境的风速以及对处理效果的要求进行设定；初步提取气体云团目标，并增强运动的气体云团的信号强度；然后采用K均值聚类进一步区分气体云团与背景噪声，K均值聚类方法是根据图像像素点的灰度值大小和彼此之间的空间距离，将像素点进行区域性分割，使得灰度值差别小且距离相近的像素点聚合为同一类别；最后获得准确的气体云团区域，记录气体云团在图像中的位置坐标。

第五步所述背景图像增强是采用双向各向异性扩散方法对当前帧图像进行选择性扩散，在灰度值平坦区域进行正向扩散，降低图像噪声，在灰度值变化剧烈的边缘处进行反向扩散，增强背景细节。

第六步所述气体云团彩色化渲染方法是将原处理结果的灰度图像转为RGB颜色空间的彩色图像，然后按照已确定的气体云团坐标，在增强后的背景图像的相应位置赋予用户所选择的颜色，使得彩色化后的气体云团在黑白红外背景图像中更为突出，提高气体云团的可判读性，利于人眼快速探测到气体泄漏时形成的气体云团。

本发明的工作原理：本发明将正在泄漏的气体视为从泄漏点附近高浓度区向周围低浓度区扩散的具有一定面积的、形状和位置不固定的运动目标，正向各向异性扩散进一步扩展表征气体云团的低灰度值区域的面积，双向各向异性扩散对图像进行选择性扩散，在灰度值平坦区域进行正向扩散，降低图像噪声，在灰度值变化剧烈的边缘处进行反向扩散，增强背景细节。

本发明产生的有益效果是：本发明提高气体红外图像质量和突出气体云团目标，相对于以往的气体成像处理方法，具有以下优势：