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基于边界约束的煤矿井下尘雾图像去雾算法

曹虎晨 姚善化 王仲根

曹虎晨,姚善化,王仲根. 基于边界约束的煤矿井下尘雾图像去雾算法[J]. 工矿自动化,2022,48(6):139-146.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022010010
引用本文: 曹虎晨,姚善化,王仲根. 基于边界约束的煤矿井下尘雾图像去雾算法[J]. 工矿自动化,2022,48(6):139-146.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022010010
CAO Huchen, YAO Shanhua, WANG Zhonggen. Defogging algorithm of underground coal mine dust and fog image based on boundary constraint[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(6):139-146.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022010010
Citation: CAO Huchen, YAO Shanhua, WANG Zhonggen. Defogging algorithm of underground coal mine dust and fog image based on boundary constraint[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(6):139-146.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022010010

基于边界约束的煤矿井下尘雾图像去雾算法

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022010010
基金项目: 安徽省自然科学基金面上项目(2108085MF200)。
详细信息
    作者简介:

    曹虎晨(1998—),男,安徽蚌埠人,硕士研究生,研究方向为图像去雾,E-mail:2917443541@qq.com

  • 中图分类号: TD714

Defogging algorithm of underground coal mine dust and fog image based on boundary constraint

  • 摘要: 现有煤矿井下图像去雾算法主要有基于图像增强的去雾算法、基于CNN的去雾算法和基于物理模型的去雾算法。前两者去雾效果差,易出现过曝光。基于物理模型的去雾算法依据大气散射模型对尘雾进行处理,但将基于暗通道的大气光值估计方法应用到煤矿井下环境中,选取的大气光值会较小,易造成图像过曝光、无法抑制点光源照射等问题。针对上述问题,将基于暗原色先验的图像去雾算法(He算法)与基于边界约束及上下文正则化的去雾算法(Meng算法)进行融合,提出了一种基于边界约束的煤矿井下尘雾图像去雾算法。首先,对输入的图像进行伽马校正,对校正后的图像进行颜色通道开运算处理,得到低分辨率的像素块,并从中选取最大亮度值作为煤矿井下的大气光值。其次,分别用He算法与Meng算法对伽马校正后的图像进行处理,对采用Meng算法得到的边界约束图进行引导滤波,得到更为清晰的边界约束图,并将Meng算法与He算法的粗透射率差值进行比较再融合。最后,对融合后的粗透射率进行上下文正则化得到细化透射率,根据得出的大气光值与细化后的透射率,通过大气散射模型得到去雾后的图像。仿真结果表明,基于边界约束的煤矿井下尘雾图像去雾算法没有出现过曝光等问题,且对浓雾图像的去雾效果更好,去雾后的图像也更明亮,颜色更加接近原图。采用峰值信噪比(PSNR)、结构相似性指标(SSIM)、特征相似性指标(FSIM)3种指标对去雾效果进行客观评价,结果表明,提出的算法在PSNR,SSIM,FSIM上相较于He算法平均提升了61.52%,36.51%,24.57%,相较于文献[9]算法平均提升了15.51%,19.27%,−0.30%,相较于Meng算法平均提升了18.93%,7.19%,1.21%,相较于文献[11]算法平均提升了18.29%,10.54%,1.19%,说明提出的算法在煤矿井下环境中去雾效果更好、图像更加明亮、细节信息保留更多。

     

  • 图  1  去雾算法流程

    Figure  1.  Flow chart of defogging algorithm

    图  2  伽马校正结果

    Figure  2.  Results of Gamma correction

    图  3  大气光值估计方法对比

    Figure  3.  Comparison of atmospheric light estimation algorithms

    图  4  引导滤波结果

    Figure  4.  Results of guiding filtering

    图  5  融合结果

    Figure  5.  Result of fusion

    图  6  去雾效果对比

    Figure  6.  Comparison of defogging effect

    表  1  不同算法去雾图像指标比较

    Table  1.   Indicators comparison of defogging images processed by different algorithms

    图像算法评价指标
    PSNRSSIMFSIM
    图像1He算法18.898 982 450.815 10.917 9
    文献[9]算法14.077 211 430.763 90.954 0
    Meng算法13.873 425 610.753 20.935 5
    文献[11]算法13.996 310 170.735 80.938 0
    本文算法16.683 743 230.856 30.949 9
    图像2He算法18.202 339 150.854 20.878 0
    文献[9]算法18.639 958 140.895 80.950 6
    Meng算法16.317 298 540.871 30.935 9
    文献[11]算法16.454 639 110.847 40.934 7
    本文算法19.681 150 100.812 00.947 1
    图像3He算法15.751 470 560.761 90.854 9
    文献[9]算法15.790 684 380.738 70.957 5
    Meng算法14.872 303 840.721 80.928 1
    文献[11]算法14.984 407 730.672 40.921 0
    本文算法17.286 198 780.821 60.953 0
    图像4He算法11.509 785 380.617 00.756 3
    文献[9]算法14.239 536 230.488 80.940 7
    Meng算法16.248 842 470.784 10.949 4
    文献[11]算法16.348 279 200.780 30.954 3
    本文算法19.326 245 590.869 40.961 3
    图像5He算法6.726 802 2180.357 40.580 8
    文献[9]算法18.191 280 390.783 50.955 4
    Meng算法17.127 039 240.783 50.935 9
    文献[11]算法17.015 085 490.753 70.936 2
    本文算法20.310 984 510.852 20.946 6
    图像6He算法13.360 759 690.706 70.710 5
    文献[9]算法21.630 907 300.809 60.973 6
    Meng算法20.386 995 180.906 20.961 1
    文献[11]算法20.556 107 840.892 40.963 0
    本文算法24.251 961 610.931 30.955 8
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-06
  • 修回日期:  2022-05-30
  • 网络出版日期:  2022-05-05

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