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矿岩破碎粒度的智能识别与测量
2011-08-04
把小波边缘检测技术应用于爆堆图像分割处理中, 采用基于最优条件下二次B样条小波和自适应模极大值的 图像边缘检测算法,综合运用膨胀技术和短链删除技术,很 好的去除了伪边缘。在边缘提取的基础上,系统利用自主设 计的一套算法快速实现了对图像中岩块几何特征量(面积、 周长)的计算。
ISSN 1005 - 2763 CN 43 - 1215 /TD 矿 业 研 究 与 开 发 第 27卷 M IN ING  R & D, Vol. 27,No. 4 第 4期   2007年 8月 Aug. 2007   3 矿 岩 破 碎 粒 度 的 智 能 识 别 与 测 量 栾 丽 华 ,郭 连 军 (鞍 山 科 技 大 学 土 木 与 交 通 工 程 学 院 ,辽 宁 鞍 山 市 114044) 摘 要 :把 小 波 边 缘 检 测 技 术 应 用 于 爆 堆 图 像 分 割 处 理 中 , 采 用 基 于 最 优 条 件 下 二 次 B样 条 小 波 和 自 适 应 模 极 大 值 的 图 像 边 缘 检 测 算 法 ,综 合 运 用 膨 胀 技 术 和 短 链 删 除 技 术 ,很 好 的 去 除 了 伪 边 缘 。 在 边 缘 提 取 的 基 础 上 ,系 统 利 用 自 主 设 计 的 一 套 算 法 快 速 实 现 了 对 图 像 中 岩 块 几 何 特 征 量 (面 积 、 周 长 )的 计 算 。 1   小 波 变 换 用 于 边 缘 检 测 的 原 理 令 f ( x 横 坐 标 与 纵 坐 标 ;ψ ( x , x ) 表 示 ψ ( x 1 , x 2 ) 表 示 一 个 二 维 信 号 , x , x ) 是 二 维 的 基 本 小 波 , x ) 的 尺 度 伸 缩 与 二 维 1 2 , x 分 别 是 其 [ 1 ] 。 1 2 令 ψ a; b1, b2 ( x 1 2 1 2 位 移 : 关 键 词 :爆 堆 ;块 度 ;图 像 处 理 ;边 缘 检 测 ;小 波 中 图 分 类 号 : TD231. 1  文 献 标 识 码 : A x1 - b1 x2 - b2 ) a 1 ψ a; b1, b2 ( x1 , x2 ) = aψ ( , 文 章 编 号 : 1005 - 2763 (2007) 04 - 0059 - 02 a 则 : ( b ; a) W T , b = f 1 2 In telligent Size Detection and M ea sure of Fragmented Rock Luan L ihua, Guo L ianjun ( Department of Civil and Transtortation Engineering, Anshan University of Science and Technology, Anshan, L iaoning 114044, China) < f ( x 1 , x 2 ) ,ψ a; b1, b2 ( x 1 , x 2 ) > = - b f ( x , x 2 )ψ ( x1 - b 1 , x 2 2 ) dx dx 2 1 a 1 1 ∫∫ a a Abstract:W avelet edge detection technology was applied to im2 age segmentation of blasted muck - pile, in which quadric B - sp line wavelet and a method of adaptive thresholds edge detec2 tion for image based on wavelet transform were applied, and methods of expanding and deleting short chain were used to de2 lete untrue edge better. Based on edge detection, the system im2 plemented the quick calculation on rocks area and perimeterwith the developed arithmetic. 小 波 变 换 具 有 天 然 的 多 分 辨 率 特 性 ,可 分 离 情 况 下 的 二 维 多 分 辨 率 分 析 如 下 : Key W ords: Blasted muck - pile, Rock fragmentation, Image p rocessing, Edge delection, W avelet 假 设 φ ( x 是 理 想 的 低 通 及 高 通 滤 波 器 , 则 两 个 方 向 上 的 低 频 成 分 , D ) ,ψ ( x ) 的 对 应 频 谱 Φ (ω ) ,Ψ (ω ) , x f ( x ) 反 映 的 , x f ( x ) 反 映 i i 近 年 来 ,在 爆 堆 矿 岩 块 度 分 布 研 究 领 域 ,计 算 机 图 像 块 度 分 析 法 越 来 越 受 到 关 注 ,该 方 法 的 关 键 是 岩 石 边 界 的 自 动 识 别 。 但 国 内 至 今 还 没 有 能 够 自 动 测 定 的 专 用 系 统 。 笔 者 在 总 结 各 种 测 定 爆 破 块 度 分 布 理 论 和 方 法 的 基 础 上 ,深 入 研 究 了 当 前 数 字 图 像 处 理 分 析 的 主 要 技 术 及 其 在 爆 堆 矿 岩 块 度 分 析 中 的 应 用 ,把 小 波 变 换 技 术 应 用 于 爆 堆 图 像 分 割 处 理 中 , 利 用 小 波 变 换 的 多 分 辨 率 特 性 ,实 现 了 矿 岩 边 界 的 自 动 识 别 ,并 建 立 了 一 套 爆 堆 矿 岩 块 度 图 像 处 理 分 析 软 件 系 统 。 该 系 统 岩 块 边 界 定 位 准 确 ,克 服 了 以 往 矿 岩 分 割 中 所 遇 到 的 “ 阴 影 问 题 ”。 A 1 1 2 ( 1) 是 x 1 , x 2 1 1 2 的 是 水 平 方 向 的 低 频 成 分 和 垂 直 方 向 的 高 频 成 分 , ( 3) D 1 f ( x ) 反 映 的 是 水 平 方 向 的 高 频 成 分 和 垂 直 , x 1 2 ( 3) 方 向 的 低 频 成 分 ,而 D 1 f ( x ) 则 反 映 , x x , x 两 个 1 2 1 2 方 向 的 高 频 成 分 。 图 像 之 所 以 适 于 采 用 多 分 辨 率 分 析 ,是 因 为 它 的 结 构 和 纹 理 可 以 分 别 表 现 在 不 同 分 辨 层 次 上 :轮 廓 信 息 可 以 在 低 分 辨 率 下 提 取 边 沿 来 提 取 ,纹 理 信 息 则 在 较 高 分 辨 率 下 表 现 。 矿 岩 图 像 要 的 是 轮 廓 ,所 以 可 以 在 低 分 辨 率 下 来 提 取 边 缘 ,同 3 收 稿 日 期 : 2006 - 09 - 03 作 者 简 介 :栾 丽 华 (1977 - ) ,女 ,辽 宁 人 ,硕 士 ,讲 师 ,主 要 研 究 方 向 为 计 算 机 图 像 处 理 , Email: luanlihua@ tom. com。 矿 业 研 究 与 开 发 2007, 27 (4) (7) 自 适 应 阈 值 检 测 先 对 原 图 像 f ( x, y) 进 行 6 0 [ 2 ] 。 时 可 以 通 过 一 定 途 径 将 信 号 与 噪 声 分 离 小 波 变 换 , 生 成 模 图 像 族 M 2 j ( x, y) 和 相 角 图 像 族 2   系 统 实 现 A 2 j ( x, y) ,在 每 一 尺 度 ,通 过 检 测 相 角 方 向 的 小 波 变 2 . 1图 像 预 处 理 换 模 的 局 部 极 大 值 点 得 到 可 能 的 边 缘 图 像 D D 2 j ( x, 2 j ( x, 由 于 从 外 部 获 取 的 爆 堆 矿 岩 图 像 可 能 是 彩 色 图 y) ;采 用 64 最 64的 窗 口 ,对 可 能 的 边 缘 图 像 像 ,为 了 使 得 彩 色 图 像 能 为 本 系 统 处 理 ,系 统 提 供 了 颜 色 变 换 处 理 功 能 ,可 以 将 非 灰 度 图 像 转 换 成 256 级 灰 度 图 。 综 合 运 用 各 种 滤 波 器 ,主 要 是 高 斯 滤 波 和 自 适 应 平 滑 滤 波 ,对 图 像 进 行 平 滑 处 理 (见 图 1) 。 y) 进 行 扫 描 ,由 窗 口 内 的 小 波 变 换 系 数 求 出 阈 值 , 0 计 算 公 式 为 :W =W + a 最 ρi, j ci, j, 其 中 , W 是 阈 值 , 是 初 始 值 , ci, j 是 与 当 前 窗 口 相 对 应 的 小 波 系 数 , 是 一 比 例 系 数 ,用 以 决 定 与 当 前 窗 口 相 对 应 的 小 波 系 数 对 阈 值 的 影 响 程 度 。 分 割 后 的 效 果 见 图 2。 0 W 0 a 0 图 1平 滑 处 理 结 果 图 2图 像 分 割 后 的 效 果 2. 2  图 像 分 割 根 据 边 缘 检 测 的 评 价 标 准 ,参 照 最 佳 边 缘 滤 波 2. 3  删 除 伪 边 缘 器 的 设 计 要 求 ,确 定 选 择 用 于 边 缘 检 测 的 小 波 母 函 数 的 一 般 准 则 ,并 在 此 基 础 上 构 造 出 二 次 B样 条 小 用 一 个 正 方 形 窗 口 与 图 像 匹 配 ,判 断 短 线 是 否 在 窗 口 内 ,即 判 断 正 方 形 的 每 一 条 边 的 所 有 像 素 的 值 是 否 都 为 0,若 是 ,则 正 方 形 窗 口 内 没 有 短 线 或 者 短 线 全 部 包 含 在 窗 口 内 ,这 时 正 方 形 窗 口 内 所 有 像 素 值 都 设 为 0,即 删 除 短 线 。 用 户 可 以 根 据 边 缘 检 测 后 的 图 像 中 短 线 存 在 的 情 况 ,设 置 任 意 长 的 正 方 形 边 长 ,删 除 任 意 长 的 短 线 (见 图 3)。 [ 3 ] 。 用 小 波 变 换 后 得 到 的 局 部 极 大 值 对 应 边 缘 波 点 ,将 各 个 尺 度 下 图 像 的 边 缘 点 找 出 来 ,然 后 得 到 各 个 尺 度 下 图 像 边 界 。 为 了 除 去 由 噪 声 引 起 的 虚 假 边 界 ,需 设 置 一 阈 值 。 对 整 幅 图 像 若 采 用 同 一 个 阈 值 , 则 在 除 去 噪 声 的 同 时 ,图 像 中 的 微 弱 边 缘 也 会 被 除 去 ,将 影 响 检 测 效 果 。 为 此 ,对 传 统 的 固 定 阈 值 法 做 了 一 些 改 进 ,设 计 一 种 自 适 应 的 阈 值 法 ,该 方 法 较 传 统 方 法 具 有 更 高 的 抗 噪 能 力 ,并 在 消 噪 的 同 时 ,能 较 好 的 保 留 微 弱 边 缘 。 ( 1) 定 义 第 一 尺 度 的 滤 波 器 。 double first_scale _ 0 filter_h[ 11 ] = {0, 0, 0. 1250, 0, 0. 3750, 0, 0. 3750, , 0. 1250, 0, 0}。 ( 2) 求 低 通 平 滑 分 量 ,分 别 用 滤 波 器 H对 二 维 图 3删 除 短 线 后 的 效 果 图 像 的 行 和 列 进 行 卷 积 。 2. 4  膨 胀 闭 合 后 部 分 手 工 链 接 ( 3) 求 高 通 细 节 分 量 ,分 别 用 滤 波 器 G对 二 维 膨 胀 是 数 学 形 态 学 中 的 一 种 基 本 运 算 ,它 是 对 二 值 化 物 体 边 界 点 进 行 扩 充 ,如 果 两 个 物 体 之 间 的 距 离 比 较 近 ,则 膨 胀 运 算 可 能 会 把 两 个 物 体 连 通 到 图 像 的 行 和 列 进 行 卷 积 。 ( 4) 求 各 个 尺 度 的 模 : 2 2 f ( x, y) | 。 M s = | M s f ( x, y) | +| M s [ 4 ] 。 一 起 ,它 对 连 接 图 象 分 割 后 的 边 缘 断 点 很 有 用 S = X Ý B = { x, y | Bx, y ∩ X ≠ φ } ( ( 5) 获 取 边 缘 ,即 求 局 部 模 极 大 值 。 6) 利 用 多 尺 度 属 性 去 噪 。 在 s = 1和 s = 2尺 (下 转 第 63页 ) 度 上 求 边 缘 ,分 别 滤 除 噪 声 点 。   廖 成 孟 ,等 : 无 底 柱 分 段 崩 落 法 回 采 爆 破 参 数 计 算 机 辅 助 设 计 6 3 [ [ [ 2 ] 曹 青 ,邱 李 华 ,郭 志 强 ,等 . Visual Basic程 序 设 计 教 程 [M ]. 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 , 2002. [ 5 ] 熊 国 华 ,赵 怀 遥 . 无 底 柱 分 段 崩 落 法 [M ]. 北 京 : 冶 金 工 业 出 版 社 , 1998, 7. 3 ] 冷 向 君 ,于 振 宇 . Visual Basic5. 0中 文 版 入 门 与 提 高 [M ]. 北 京 :清 华 大 学 出 版 社 , 1998. [ 6 ] 李 江 . 同 排 孔 间 微 差 爆 破 在 无 底 柱 采 矿 法 中 的 应 用 [ J ]. 化 工 矿 物 与 加 工 . 1998, (6) : 19~ 21. 4 ] 刘 宪 权 . 计 算 机 技 术 在 采 矿 设 计 中 的 应 用 [ J ]. 露 天 采 煤 技 术 , 2000, 3: 35~ 377.   (上 接 第 60页 ) 式 中 : S ——— 膨 胀 后 的 二 值 图 像 集 合 ; B ——— 进 行 膨 胀 的 结 构 元 素 ,结 构 元 素 内 的 每 一 个 元 素 取 值 为 0或 1; X ——— 原 图 像 经 过 二 值 化 后 的 像 素 集 合 。 矿 岩 图 像 经 过 膨 胀 处 理 后 能 够 对 较 小 距 离 的 断 点 处 实 现 自 动 边 缘 链 接 ,对 于 较 大 的 断 线 处 可 以 部 分 手 工 链 接 ,图 4是 经 过 膨 胀 并 手 工 链 接 的 结 果 。 图 5几 何 特 征 量 计 算 3   结 论 该 系 统 不 仅 包 括 图 像 预 处 理 、图 像 分 割 及 图 像 后 处 理 等 功 能 ,最 主 要 的 是 把 小 波 变 换 应 用 到 矿 岩 图 像 分 割 中 去 ,并 取 得 了 非 常 好 的 效 果 ,同 时 设 计 了 简 单 的 求 三 角 形 面 积 方 法 来 计 算 矿 岩 的 面 积 和 周 长 。 本 系 统 克 服 了 以 往 矿 岩 分 割 中 所 遇 到 的 “ 阴 影 问 题 ”,把 “ 阴 影 ”部 分 自 动 地 当 作 岩 块 来 处 理 ,这 虽 然 给 系 统 带 来 一 定 的 误 差 ,但 从 统 计 意 义 上 来 说 ,这 样 的 误 差 可 以 忽 略 。 本 系 统 虽 然 有 一 部 分 是 采 用 人 工 交 互 的 手 段 ,但 比 以 往 先 用 手 工 描 绘 出 矿 岩 边 界 再 进 行 计 算 机 识 别 的 效 率 要 高 得 多 ,可 以 作 为 爆 堆 图 4膨 胀 并 部 分 手 工 连 接 的 效 果 2 . 5几 何 特 征 量 计 算 对 每 个 闭 合 区 域 边 界 定 数 等 分 ,从 每 个 闭 合 区 域 边 界 某 个 等 分 点 开 始 顺 次 求 由 等 分 点 组 成 的 三 角 形 面 积 的 和 则 为 该 区 域 的 面 积 ;从 某 个 等 分 点 开 始 顺 次 连 接 每 个 等 分 点 的 线 段 长 度 的 和 为 该 区 域 的 周 长 ,如 图 5所 示 。 矿 岩 块 度 分 析 研 究 工 作 者 的 有 利 工 具 。 参 考 文 献 : 面 积 : [ 1 ] 杨 福 生 . 小 波 变 换 的 工 程 分 析 与 应 用 [M ]. 北 京 :科 学 出 版 社 , a i i + b + bi+1 2 003, 4: 1~ 6. P i = = 2 [ 2 ] 崔 锦 泰 . 白 居 宪 审 校 . 小 波 分 析 导 论 [M ]. 程 正 兴 ,译 . 西 安 :西 安 交 通 大 学 出 版 社 , 1995, 1. 3 i S i P ( P i - a i i i i - b - bi+1 ) ( P ) ( P ) + ⋯ + S [ 3 ] 甘 斌 ,张 雄 伟 . 基 于 小 波 变 换 的 多 尺 度 图 像 边 缘 处 理 [ J ]. S = S 周 长 : C = a1 + a2 + ⋯ + ai + ⋯ + an 1 + S 2 + ⋯ + S i n 电 视 技 术 , 2001, 8. [ 4 ] 王 新 成 . 高 级 图 像 处 理 技 术 [M ]. 北 京 :中 国 科 学 技 术 出 版 社 2001, 5 (1) : 42~ 50. ,
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