一種礦井視頻圖像融合方法與裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種礦井視頻圖像融合方法，用于實現礦井圖像的采樣、融合和重構。該方法首先對礦井視頻圖像分塊壓縮采樣，然后對圖像塊壓縮采樣信號進行信源熵融合，最后對融合的信號進行重構、拼接后恢復變成原始圖像。本發明專利技術進一步公開了一種礦井視頻圖像融合裝置，該裝置包括礦井圖像采集設備、礦井圖像融合節點和礦井圖像接收設備。該裝置采用無線傳輸方式，圖像壓縮處理和傳輸能力強，視頻圖像處理的冗余計算少，所需存儲空間小，井下傳輸信道帶寬要求低，滿足井下特定的使用環境，有效提高了井下視頻圖像的壓縮處理和傳輸能力，保證了礦井WSN、Zigbee無線網絡環境下視頻信號的實時性傳輸。

【技術實現步驟摘要】
一種礦井視頻圖像融合方法與裝置
本專利技術涉及一種無線通信和圖像融合技術，具體地說，涉及一種礦井視頻圖像融合方法與裝置。
技術介紹
現有的礦井圖像信息融合技術需要考慮圖像的所有像素點，即需要對壓縮編碼的圖像信息解壓縮恢復后再對其融合，采用這種技術裝置存在設計復雜、傳輸帶寬要求高、存儲空間需求大等問題。尤其是，礦井環境中視頻圖像受噪聲干擾影響較大，在礦井視頻中存在分辨率低、圖像模糊等現象，但由于礦井監控和視頻通信對礦井視頻圖像質量和實時性要求較高，加之井下通信環境帶寬資源有限，采用傳統的圖像融合技術難以解決視頻圖像壓縮處理時出現的視頻信號傳輸延遲、圖像抖動等問題。因此，迫切需要研究和專利技術一種新的礦井視頻圖像融合方法及裝置，以解決現存問題。2006年，Donoho等提出了壓縮感知(CompressedSensing，CS)理論，通過分析信號本身的稀疏矩陣，試圖突破傳統信息論中的帶寬瓶頸，對信號處理和壓縮極限產生了很大的提升。該理論表明，如果信號是可壓縮的或在某個變換域是稀疏的，那么就可以用一個與變換基不相關的隨機觀測矩陣將變換所得的高維信號投影到一個低維空間上，然后通過求解一個稀疏優化問題來實現信號的精確重構，可以用遠低于采樣定理要求的采樣次數重構信號。而且，已有研究表明使用信息熵作為加權系數在感知域進行信息的融合，可以完整地重構原圖像，能夠降低傳輸性能的要求，硬件設計的復雜度以及存儲空間的需求。因此，基于上述CS理論，研究索基于壓縮感知理論的礦井視頻圖像融合技術和方法，將為礦井無線網環境下礦井無線視頻圖像的壓縮處理提供了一個新思路。
技術實現思路
本專利技術主要解決現有技術所存在的問題，專利技術了一種基于分塊壓縮感知的礦井視頻圖像融合方法與裝置。將分塊壓縮感知和信源熵融合算法運用于礦井視頻圖像的壓縮采樣和圖像融合，采用分塊壓縮感知的算法，降低了信號的采樣速率和隨機觀測矩陣的復雜性，從而減少視頻圖像處理的冗余計算、節省存儲空間；采用信源熵融合算法，能夠在圖像重構之前實現信息融合，從而減少對傳輸信道帶寬的要求。本專利技術采用的技術方案是：一種礦井視頻圖像融合方法與裝置，采用基于分塊壓縮感知的信源熵融合算法，用于實現礦井視頻圖像信號的采樣、融合和重構。所述礦井視頻圖像融合方法，包括如下步驟：步驟1、信號的采樣，包括以下子步驟：1.1)將輸入的礦井視頻圖像信號分成S個大小K×K像素的圖像塊，其中S，K∈N；1.2)構建第s(s＝1，2，...S)個圖像塊對應的觀測矩陣為ΦK，其中，ms＜K2，且ΦK為Hadamard矩陣；1.3)獲得第s個圖像塊的不同觀測向量分別為x1＝ΦKΘ1和x2＝ΦKΘ2，其中且Θ1，Θ2分別為源圖像第s塊的列向量；步驟2、信號的融合，包括以下子步驟：2.1)計算觀測向量x1和x2的信源熵entropy(x1)和entropy(x2)、聯合熵entropy(x1，x2)、互信息量MI(x1，x2)，2.2)計算觀測向量x1和x2的權系數，2.3)融合不同的觀測向量為最終的觀測值xb＝t1x1+t2x2，其中，t1，t2經過歸一化處理，滿足t1+t2＝1；步驟3、信號的重構，根據圖像塊信號對應的感知矩陣，采用正交匹配追蹤算法重構圖像塊信號對應的重構值；步驟4、信號的整合，根據對源圖像塊劃分的方法，將各個塊對應的重構值進行拼接、重整，獲得重構圖像。本專利技術進一步公開了一種基于壓縮感知的礦井視頻圖像融合裝置，應用于所述礦井視頻圖像融合方法，該裝置包括：礦井圖像采集設備、礦井圖像融合節點和礦井圖像接收設備；其中，所述礦井圖像采集設備，用于礦井圖像分塊采集、圖像壓縮編碼；所述礦井圖像融合節點用于在感知域上圖像融合；所述礦井圖像接收設備用于礦井圖像重構解碼、視頻處理和圖像顯示；所述礦井圖像采集設備、礦井圖像融合節點和礦井圖像接收設備通過無線通信接口連接，用于對采集的礦井圖像信號融合后傳輸給礦井圖像接收設備；所述無線通信接口采用Zigbee、WiFi或/和WCDMA、WiMAX或/和LTE空中接口。所述礦井圖像采集設備包括：視頻采集單元和圖像編碼單元；所述視頻采集單元用于連續圖像的分塊采集，包括圖像分塊模塊和圖像采集模塊；所述圖像分塊模塊用于礦井圖像分塊處理。所述圖像采集模塊用于采集連續的分塊圖像并將采集到的分塊圖像信息傳輸到圖像編碼單元進行壓縮編碼。所述圖像編碼單元，用于對采集到的分塊圖像信息進行壓縮編碼，包括矩陣模塊、存儲模塊和乘法模塊。所述矩陣模塊用于生成壓縮觀測矩陣。所述存儲模塊用于存儲矩陣模塊生成的壓縮觀測矩陣。所述乘法模塊用于將視頻采集單元采集到的分塊圖像信號與存儲模塊存儲的壓縮觀測矩陣相乘，以得到壓縮編碼后的分塊圖像編碼。所述礦井圖像融合節點包括信源熵計算單元和加權融合處理單元；所述信源熵計算單元，用于相關信源熵的計算，包括信源熵模塊、聯合熵模塊、互信息量模塊和存儲模塊；所述信源熵模塊、聯合熵模塊和互信息量模塊分別用于計算分塊采集信號的信源熵、聯合熵和互信息量。所述存儲模塊用于存儲分塊采集信號的信源熵、聯合熵和互信息量。所述加權融合處理單元，用于對采樣信號的加權融合處理，包括權計算模塊和融合模塊。所述權計算模塊用于計算分塊采集圖像信息的權系數。所述融合模塊用于分塊采集圖像信息的加權融合處理。所述礦井圖像接收設備包括圖像重構單元和視頻合成單元；所述圖像重構單元，用于對分塊壓縮融合后的圖像進行解碼恢復，包括矩陣模塊、存儲模塊、乘法模塊、校正模塊和塊合成模塊。所述矩陣模塊用于生成稀疏表達矩陣；所述存儲模塊用于存儲矩陣模塊生成的稀疏表達矩陣；所述乘法模塊用于計算分塊壓縮編碼后的圖像編碼與矩陣稀疏表達矩陣的正交基矩陣；所述校正模塊用于計算正交基矩陣與分塊壓縮編碼后的圖像的噪聲殘差，并迭代計算、校正得到稀疏解碼后的恢復圖像；所述塊合成模塊用于將分塊圖像信息拼接、重整成原圖像；所述視頻合成單元用于將稀疏編碼后的恢復圖像合并為連續視頻。所述礦井視頻圖像融合裝置包括無線攝像機、車載移動臺和手持移動臺等通信設備。所述礦井圖像采集設備、礦井圖像融合節點和礦井圖像接收設備為本質安全型防爆裝置。本專利技術的有益效果在于：本專利技術采用分塊壓縮采樣，所需隨機觀測矩陣簡單，有效減少了圖像編碼和壓縮處理的冗余計算量和存儲需求；特別是采用礦井視頻圖像融合方法，在圖像重構之前，就已進行數據融合，從而降低了礦井視頻圖像對傳輸信道的要求。附圖說明圖1為一種礦井視頻圖像融合方法原理圖；圖2為一種基于分塊壓縮感知的礦井視頻圖像融合處理示意圖；圖3為一種礦井視頻圖像融合裝置示意圖；具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的具體實施方式進行詳細描述。參照圖1，為一種礦井視頻圖像融合方法原理圖，其礦井視頻圖像信號采樣和融合過程如下：首先對原始礦井視頻圖像分塊，然后對分塊礦井圖像進行隨機觀測，再對觀測得到的信號即為礦井圖像的分塊壓縮信號進行信源熵融合，最后對融合所得信號進行重構、拼接，得到原始礦井圖像。將分塊壓縮感知和信源熵融合算法運用于礦井視頻圖像的壓縮采樣和圖像融合，采用分塊壓縮感知的算法，降低了信號的采樣速率和隨機觀測矩陣的復雜性，從而減少視頻圖像處理的冗余計算，節省存儲空間；采用信源熵融合算法，在圖像重構之前融合信息，旨在減少傳輸信道帶寬要求。參本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種礦井視頻圖像融合方法，用于實現礦井視頻圖像信號的采樣、融合和重構，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、信號的采樣，包括以下子步驟：1.1)將輸入的礦井視頻圖像信號分成S個大小K×K像素的圖像塊，其中S，K∈N；1.2)構建第s(s＝1，2，...S)個圖像塊對應的觀測矩陣為Φ

【技術特征摘要】
1.一種礦井視頻圖像融合方法，用于實現礦井視頻圖像信號的采樣、融合和重構，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、信號的采樣，包括以下子步驟：1.1)將輸入的礦井視頻圖像信號分成S個大小K×K像素的圖像塊，其中S，K∈N；1.2)構建第s(s＝1，2，...S)個圖像塊對應的觀測矩陣為ΦK，其中，ms＜K2，且ΦK為Hadamard矩陣；1.3)獲得第s個圖像塊的不同觀測向量分別為x1＝ΦKΘ1和x2＝ΦKΘ2，其中且Θ1，Θ2分別為源圖像第s塊的列向量；步驟2、信號的融合，包括以下子步驟：2.1)計算觀測向量x1和x2的信源熵entropy(x1)和entropy(x2)、聯合熵entropy(x1，x2)、互信息量MI(x1，x2)，2.2)計算觀測向量x1和x2的權系數，2.3)融合不同的觀測向量為最終的觀測值xb＝t1x1+t2x2，其中，t1，t2經過歸一化處理，滿足t1+t2＝1；步驟3、信號的重構，根據圖像塊信號對應的感知矩陣，采用正交匹配追蹤算法重構圖像塊信號對應的重構值；步驟4、信號的整合，根據對源圖像塊劃分的方法，將各個塊對應的重構值進行拼接、重整，獲得重構圖像。2.一種基于壓縮感知的礦井視頻圖像融合裝置，應用于所述礦井視頻圖像融合方法，其特征在于，包括：礦井圖像采集設備(10)、礦井圖像融合節點(20)和礦井圖像接收設備(30)；其中，所述礦井圖像采集設備(10)，用于礦井圖像分塊采集、圖像壓縮編碼；所述礦井圖像融合節點(20)用于在感知域上圖像融合；所述礦井圖像接收設備(30)用于圖像重構解碼、視頻處理和圖像顯示；所述礦井圖像采集設備(10)、礦井圖像融合節點(20)和礦井圖像接收設備(30)通過無線通信接口連接，用于將采集的礦井圖像信號融合后傳輸給礦井圖像接收設備(30)；其特征還在于，所述無線通信接口采用Zigbee、W...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張帆，閆秀秀，李亞杰，
申請(專利權)人：中國礦業大學北京，
類型：發明
國別省市：北京,11