專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于圖像灰度共生矩陣的煤巖識(shí)別系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種基于圖像灰度共生矩陣的煤巖識(shí)別系統(tǒng)，用于識(shí)別煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的煤和巖，屬于圖像識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
煤巖識(shí)別即采用ー種方法自動(dòng)識(shí)別出煤巖對(duì)象為煤還是巖。在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，煤巖識(shí)別技術(shù)可廣泛應(yīng)用于滾筒采煤、掘進(jìn)、放頂煤開(kāi)采、原煤選矸等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，對(duì)于減少采掘工作面作業(yè)人員、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、改善作業(yè)環(huán)境 、實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義目前，煤礦生產(chǎn)中的煤巖識(shí)別任務(wù)大部分采用人工操作完成，即工人憑借經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)目視和聽(tīng)噪音等方式來(lái)判斷，隨機(jī)性大，誤判率高。例如在采煤機(jī)滾筒高度調(diào)節(jié)中，由于采煤工作面能見(jiàn)度低、噪聲大，采煤機(jī)司機(jī)很難準(zhǔn)確判斷采煤機(jī)滾筒當(dāng)前的截割對(duì)象是煤還是巖，導(dǎo)致滾筒難免會(huì)截割到頂、底板巖石，由此造成一系列問(wèn)題①大量崩落的巖石混入原煤中，造成煤質(zhì)下降和運(yùn)輸量増大；②增大了采煤機(jī)司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)性加劇截齒磨損，縮短截齒壽命；④截割堅(jiān)硬頂?shù)装蹇赡軙?huì)產(chǎn)生火花，對(duì)于高瓦斯礦極易引起瓦斯爆炸，形成惡性事故；⑤滾筒位置調(diào)節(jié)不當(dāng)還可能造成頂?shù)装迕菏Ａ舨痪鶆?，降低回采率，同時(shí)頂?shù)装灞砻娌黄秸麜?huì)使液壓支架和刮板運(yùn)輸機(jī)推移困難，降低生產(chǎn)效率。世界各主要產(chǎn)煤國(guó)都十分重視煤巖識(shí)別方法的研究，提出了自然Y射線探測(cè)法、雷達(dá)探測(cè)法、應(yīng)カ截齒法、紅外探測(cè)法、有功功率監(jiān)測(cè)法、震動(dòng)檢測(cè)法、聲音檢測(cè)法、粉塵檢測(cè)法、記憶截割法等20多種識(shí)別傳感機(jī)理。目前，較為成熟的技術(shù)有自然Y射線探測(cè)法和記憶截割法，已經(jīng)應(yīng)用到采煤機(jī)上。自然Y射線探測(cè)法對(duì)頁(yè)巖頂板有較好的適應(yīng)性，而對(duì)于砂巖頂板則適應(yīng)性極差，在中國(guó)僅有20%左右的礦井適宜采用自然Y射線探測(cè)法。記憶截割法適合于地質(zhì)條件好、煤層比較平整的礦井，而且必須通過(guò)采煤機(jī)司機(jī)的手動(dòng)操作來(lái)調(diào)整工作參數(shù)，應(yīng)用效果存在一定的局限性。中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01010160335. 1，
公開(kāi)日2010. 9. 22，公開(kāi)了ー種掘進(jìn)機(jī)煤巖識(shí)別自動(dòng)截割控制方法與系統(tǒng)，該方法根據(jù)掘進(jìn)機(jī)截割頭的受カ狀況、截割電機(jī)和回轉(zhuǎn)油缸的參數(shù)來(lái)計(jì)算當(dāng)前截割位置處礦巖的普氏系數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)普氏系數(shù)比較后判斷礦巖類(lèi)型為煤或者巖。中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01010251520. 1，
公開(kāi)日2010. 12. 22，公開(kāi)了ー種煤巖界面識(shí)別方法、識(shí)別系統(tǒng)及識(shí)別探頭，通過(guò)將能夠穿透煤層而不能穿透巖層的特定能級(jí)的高壓水射流向巷道上方的煤層噴射，并實(shí)時(shí)感知被煤層或巖層反射的反射流對(duì)噴嘴形成的不同作用力，據(jù)此判斷采煤機(jī)滾筒截齒上端與煤巖界面的距離。目前的煤巖識(shí)別系統(tǒng)存在以下問(wèn)題①需要在現(xiàn)有設(shè)備上加裝各類(lèi)傳感器獲取信息，導(dǎo)致裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。②采煤機(jī)滾筒、掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中受カ復(fù)雜、振動(dòng)劇烈、磨損嚴(yán)重、粉塵大，傳感器部署比較困難，容易導(dǎo)致機(jī)械構(gòu)件、傳感器和電氣線路受到損壞，裝置可靠性差。③對(duì)于不同類(lèi)型機(jī)械設(shè)備，傳感器的最佳類(lèi)型和信號(hào)拾取點(diǎn)的選擇存在較大區(qū)別，需要進(jìn)行個(gè)性化定制，系統(tǒng)的適應(yīng)性差。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有煤巖識(shí)別系統(tǒng)存在的不足，本實(shí)用新型公開(kāi)了ー種基于圖像灰度共生矩陣的煤巖識(shí)別系統(tǒng)，能夠?qū)崊肌⒆詣?dòng)地識(shí)別出當(dāng)前煤巖對(duì)象的是煤還是巖，為自動(dòng)化采掘、自動(dòng)化放煤、自動(dòng)化選矸等生產(chǎn)過(guò)程提供可靠的煤巖識(shí)別信息。本實(shí)用新型所述的煤巖識(shí)別系統(tǒng)包括光源模塊、成像模塊和處理模塊；所述光源模塊用于照射煤巖對(duì)象；所述成像模塊用于采集煤巖的圖像；所述處理模塊用于完成煤巖識(shí)別任務(wù)。所述光源模塊是由多組LED陣列組成的高亮度環(huán)形白光照明燈，LED陣列點(diǎn)亮的數(shù)量由處理模塊控制，為采集煤巖圖像提供合適的照明。所述成像模塊是一個(gè)電荷耦合器 件(CCD)相機(jī)，具有自動(dòng)調(diào)焦和自動(dòng)調(diào)節(jié)曝光功能，其采集動(dòng)作由處理模塊觸發(fā)。所述處理模塊負(fù)責(zé)光源調(diào)節(jié)、圖像采集、圖像處理和煤巖分類(lèi)識(shí)別任務(wù)；處理模塊通過(guò)通信接ロ與上位機(jī)通信，可接受上位機(jī)控制指令和向上位機(jī)傳送識(shí)別結(jié)果。本實(shí)用新型的有益效果是，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于部署、適應(yīng)性強(qiáng)、識(shí)別率高，能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別出當(dāng)前煤巖對(duì)象的類(lèi)型，為自動(dòng)化采掘、自動(dòng)化放煤、自動(dòng)化選矸等生產(chǎn)過(guò)程提供可靠的煤巖識(shí)別信息。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)ー步的詳細(xì)描述。圖I是煤巖識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是煤巖識(shí)別系統(tǒng)處理模塊的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是煤巖識(shí)別系統(tǒng)工作流程圖；圖4是灰度共生矩陣的提取流程圖；圖5是煤巖類(lèi)型識(shí)別決策流程圖。圖中，1.煤巖對(duì)象,2.成像模塊,3.光源模塊,4.處理模塊,5.上位機(jī),6.控制單元，7.圖像處理與識(shí)別單元，8.采集單元，9.存儲(chǔ)單元，10.通信接ロ。
具體實(shí)施方式
煤和巖的物理性質(zhì)和空間位置的不同導(dǎo)致其對(duì)可見(jiàn)光的反射和吸收存在差異，這種差異最終通過(guò)圖像中各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值體現(xiàn)出來(lái)。圖像的灰度直方圖等統(tǒng)計(jì)結(jié)果能夠反映圖像的ー些全局特征，但是由于煤礦井下圖像采集環(huán)境的特殊性，煤巖圖像的灰度均值波動(dòng)較大、灰度直方圖等特征不具有穩(wěn)定性形態(tài)，不能作為區(qū)分煤巖的依據(jù)。在灰度直方圖中，各個(gè)像素的灰度是獨(dú)立處理的，不能反映各灰度級(jí)的空間相關(guān)性。通過(guò)對(duì)煤、巖塊狀樣本的觀察，煤巖的表面紋理具有較為穩(wěn)定的特質(zhì)和周期性，煤巖的紋理對(duì)比存在較為明顯的差異，具體體現(xiàn)在紋理的粗糙程度、稀疏程度、紋理變化的均勻性、溝紋的深淺等方面。煤和巖的圖像在紋理特征上的自穩(wěn)定性和互異性為煤巖識(shí)別的實(shí)現(xiàn)提供了先決條件。因此，找到ー種或多種能明顯區(qū)分煤和巖的穩(wěn)定的圖像特征即可完成煤巖識(shí)別任務(wù)?；叶裙采仃?gray level co-occurrence matrix, GLCM)是一種用于分析圖像紋理特征的經(jīng)典ニ階統(tǒng)計(jì)法，由于其描繪紋理的有效性，使其在紋理分析中有著廣泛的應(yīng)用。對(duì)主要煤種(煙煤、無(wú)煙煤、褐煤)和主要巖種(頁(yè)巖、砂巖、泥巖)的大量樣本進(jìn)行了圖像分析實(shí)驗(yàn)，提出了一種基于圖像灰度共生矩陣的圖像特征參數(shù)提取方法，該特征參數(shù)能夠有效地識(shí)別煤
山
ゐO首先對(duì)基于圖像灰度共生矩陣的煤巖識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。參照

圖1，煤巖識(shí)別系統(tǒng)由成像模塊2，光源模塊3，處理模塊4組成，各模塊協(xié)同工作采集煤巖對(duì)象I的圖像后進(jìn)行處理、分析、識(shí)別，得出煤巖類(lèi)型后上傳給上位機(jī)5。所述光源模塊3是由多組LED陣列組成的高亮度環(huán)形白光照明燈，LED陣列點(diǎn)亮的數(shù)量由處理模塊4控制，為采集煤巖圖像提供合適照明。 所述成像模塊2是ー個(gè)電荷耦合器件(CXD)相機(jī)，用于采集煤巖對(duì)象I的圖像，具有自動(dòng)調(diào)焦和自動(dòng)調(diào)節(jié)曝光功能，其采集動(dòng)作由處理模塊4觸發(fā)；所述處理模塊4負(fù)責(zé)光源調(diào)節(jié)、圖像采集、圖像處理和煤巖分類(lèi)識(shí)別任務(wù)。圖2是煤巖識(shí)別系統(tǒng)處理模塊的結(jié)構(gòu)框圖，處理模塊由控制單元、成像単元、存儲(chǔ)単元、圖像處理與識(shí)別單元和通信接ロ組成?？刂茊卧?是處理模塊的控制核心，通過(guò)通信接ロ 10與上位機(jī)5通信，可接收上位機(jī)控制指令和向上位機(jī)傳送識(shí)別結(jié)果。圖像處理與識(shí)別單元7控制采集単元8采集成像模塊2所采集的圖像數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元9，圖像處理與識(shí)別單元7再?gòu)拇鎯?chǔ)単元9讀取圖像進(jìn)行圖像處理與識(shí)別。成像模塊2的采集動(dòng)作由控制單元6觸發(fā),光源模塊3中LED點(diǎn)亮數(shù)量由控制單元6控制。圖3是煤巖識(shí)別系統(tǒng)工作流程，具體步驟包括A.在相同的成像條件下，分別采集已知煤樣本和已知巖樣本的彩色圖像f1; f2，成像條件包括光源類(lèi)型、光照、攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)等。為了排除背景對(duì)圖像紋理特征的影響，從圖像f\，f2中分別截取相同大小的不包含背景的子圖S1, S2，子圖的形狀一般采用矩形，為便于計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，可使矩形的重心與原始圖像的重心重合，為便于計(jì)算，矩形的長(zhǎng)和寬取一般取為8的倍數(shù)。最后提取出Sl，S2的灰度共生矩陣P1, P2。B.計(jì)算基于灰度共生矩陣P1, P2的圖像特征值K1, K2。在成像條件固定，煤、巖類(lèi)型不變的情況下，特征值K1, K2具有自穩(wěn)定性。為了進(jìn)ー步提高精度，可以分別對(duì)煤樣本和巖樣本采集多幅圖像，采用相同方法提取多個(gè)特征值后求取平均值。特征值K1, K2作為煤巖識(shí)別的固定參數(shù)值保存下來(lái)。C.在相同成像條件下采集待識(shí)別的未知煤巖對(duì)象的圖像fx，按相同大小截取不包含背景的子圖Sx，提取出sx的灰度共生矩陣Px。D.計(jì)算基于灰度共生矩陣Px的圖像特征值Kx。Ε.根據(jù)特征值Kx與K1, K2的關(guān)系判別煤巖類(lèi)型為煤或者巖，從而獲得煤巖識(shí)別信
O圖4是圖像灰度共生矩陣的提取流程，具體步驟包括(I)將彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像(401)。采集的彩色數(shù)字圖像為f，截取的子圖為S，S的R，G，B分量分別為sK，sG, sB, S的數(shù)據(jù)形式為三維數(shù)組，sE, sg, Sb的數(shù)據(jù)形式為ニ維數(shù)組，數(shù)組元素的位置(X，y)對(duì)應(yīng)圖像中像素點(diǎn)的坐標(biāo)，數(shù)組元素的值為圖像(X，y)處像素點(diǎn)的灰度值，灰度值取區(qū)間[0，255]內(nèi)的整數(shù)，其中O對(duì)應(yīng)黑色，255對(duì)應(yīng)白色。sK，se，sB與s的關(guān)系為[0031 ] sE = s ( , , I) ；sG = s ( , ,2) ； sB = s ( , ,3)；將彩色圖像s轉(zhuǎn)換為灰度圖像F的計(jì)算公式為F(x, y) = O. 299sE(x, y)+0. 587sG(x, y)+0. 114sB(x, y)灰度圖像F的數(shù)據(jù)形式為ニ維數(shù)組，F(xiàn)(x, y)表示圖像F中(x, y)處的灰度值,灰度值取區(qū)間[0，255]內(nèi)的整數(shù)，其中O對(duì)應(yīng)黑色，255對(duì)應(yīng)白色。(2)對(duì)灰度圖像F的灰度級(jí)進(jìn)行粗量化處理，粗化后的灰度級(jí)L不低于64級(jí)(402)。如果一幅圖像的灰度級(jí)為256，灰度共生矩陣大小為256 X 256，計(jì)算量大，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，一般將灰度級(jí)粗量化。經(jīng)過(guò)量化后的圖像雖有失真，但對(duì)紋理特征的影響不大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于煤巖圖像粗化后的灰度級(jí)L高于64級(jí)時(shí)特征值趨于穩(wěn)定。設(shè)灰度圖像F的灰度級(jí)為N，粗化后變?yōu)長(zhǎng)級(jí)，灰度級(jí)范圍為[0，L-1]。其中灰度級(jí)O對(duì)應(yīng)圖像F的實(shí)際最小灰度值，L-I對(duì)應(yīng)圖像F的實(shí)際最大灰度值,其它灰度級(jí)均勻劃分。(3)提取灰度圖像F在0° ,45° ,90° ,135°四個(gè)方向的灰度共生矩陣(403)。矩陣p(s, e)各個(gè)元素的計(jì)算公式為p(s, 0) (i, j) = #{[(x1； Y1), (x2, y2)] e F|F(x1； Y1) = i&F(x2, y2) = j}# 表示像素對(duì)的個(gè)數(shù)，i, j e [O, L-1], X2 = X1+ δ cos θ Y2 = Yi+ δ sin θ，δ 取值為1，θ取值分別為0° ,45° ,90° ,135°，得到的四個(gè)灰度共生矩陣分別為Pa』。)，Ρ(1,
45。) P(l,90° ) P(l,135。)°(4)計(jì)算四個(gè)灰度共生矩陣的均值矩陣(404)。在采煤工作面，煤層和巖層圖像的紋理沒(méi)有明顯的方向性，因此求出四個(gè)矩陣的均值矩陣作為圖像的灰度共生矩陣，計(jì)算公式為
權(quán)利要求1.一種基于圖像灰度共生矩陣的煤巖識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括光源模塊、成像模塊和處理模塊；所述光源模塊用于照射煤巖對(duì)象；所述成像模塊用于采集煤巖的圖像；所述處理模塊用于完成煤巖識(shí)別任務(wù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于圖像灰度共生矩陣的煤巖識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述光源模塊是由多組LED陣列組成的高亮度環(huán)形白光照明燈，LED陣列點(diǎn)亮的數(shù)量由處理模塊控制，為采集煤巖圖像提供合適的照明。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于圖像灰度共生矩陣的煤巖識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述成像模塊是一個(gè)電荷耦合器件相機(jī)，具有自動(dòng)調(diào)焦和自動(dòng)調(diào)節(jié)曝光功能，其采集動(dòng)作由處理模塊觸發(fā)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于圖像灰度共生矩陣的煤巖識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述處理模塊負(fù)責(zé)光源調(diào)節(jié)、圖像采集、圖像處理和煤巖分類(lèi)識(shí)別任務(wù)；處理模塊通過(guò)通信接ロ與上位機(jī)通信，可接受上位機(jī)控制指令和向上位機(jī)傳送識(shí)別結(jié)果。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于圖像灰度共生矩陣的煤巖識(shí)別系統(tǒng)，系統(tǒng)包括光源模塊、成像模塊和處理模塊。光源模塊用于照射煤巖對(duì)象，成像模塊用于采集煤巖的圖像，處理模塊用于完成煤巖識(shí)別任務(wù)。處理模塊通過(guò)通信接口與上位機(jī)通信，可接受上位機(jī)控制指令和向上位機(jī)傳送識(shí)別結(jié)果。本實(shí)用新型采用基于圖像的非接觸式識(shí)別，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于部署、適應(yīng)性強(qiáng)、識(shí)別率高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06K9/46GK202453906SQ20112047200
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2011年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月24日
發(fā)明者孫繼平, 蘇波 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)