基于均值平移算法的圖像分割技術(shù)

在圖像分割領(lǐng)域，灰度閾值分割法是最常見的圖像分割方法，由于難以選取合理的灰度閾值制約了閾值圖像分割的應(yīng)用。均值平移算法在復(fù)雜背景下的分割具有較好的實(shí)時(shí)性和可靠性。本文基于均值平移算法對(duì)圖像分割進(jìn)行了研究，結(jié)果表明均值偏移算法可以較好對(duì)圖像進(jìn)行分割，顏色參數(shù)和空間參數(shù)對(duì)分割效果有較為明顯的作用，且空間域窗寬在圖像分割的平滑效果的影響更為顯著。

【關(guān)鍵詞】均值平移 圖像分析 閾值分割 算法設(shè)計(jì)

隨著科技進(jìn)步，越來越多的科學(xué)領(lǐng)域需要通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像分析工作，例如在公共交通領(lǐng)域，需要對(duì)各類汽車的車牌進(jìn)行牌號(hào)準(zhǔn)確識(shí)別；在材料科學(xué)領(lǐng)域，需要對(duì)適時(shí)對(duì)材料的破壞進(jìn)行檢測(cè)，尤其是材料表面出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行分析；在國防軍事領(lǐng)域，打擊區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)圖像識(shí)別尤其重要。而在圖像分析中最基礎(chǔ)的工作之一即是圖像分割，其任務(wù)在于將相關(guān)區(qū)域中的重點(diǎn)區(qū)域從原圖像區(qū)域中分割出來，以達(dá)到信息提取的目的。所以不難發(fā)現(xiàn)，圖像分割技術(shù)始終是計(jì)算機(jī)圖像圖形學(xué)中的熱點(diǎn)問題之一。

在圖像分割領(lǐng)域，灰度閾值分割法是最常見的圖像分割方法。其思想是根據(jù)圖像中各像素的不同灰度，將不同灰度進(jìn)行分類并設(shè)置灰度閾值，確定目標(biāo)區(qū)域的邊界，從而對(duì)圖像進(jìn)行分割。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，易于計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，故常認(rèn)為是圖像分割的推薦算法。然而由于實(shí)際拍攝的圖像往往受到來自外界干擾和設(shè)備自身原因等噪聲影響，選取合理的灰度閾值并不容易，灰度閾值分割法下的圖像分割效果很難令人滿意。所以一種無需過多人工干預(yù)的自適應(yīng)圖像分割方法，成為了圖像研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。均值平移算法就是這樣一種有效的圖像分割算法，在圖像分割、邊緣提取、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等眾多應(yīng)用中廣泛使用，本文擬對(duì)該方法進(jìn)行較為深入的研究。

1 數(shù)學(xué)原理

2 模型及算法

灰度閾值分割算法是研究比較多的圖像分割算法，其原理是將圖像各像素的不同灰度進(jìn)行量化，通過設(shè)置灰度閾值，將目標(biāo)區(qū)域邊界進(jìn)行較好的識(shí)別，從而對(duì)圖像進(jìn)行分割?；诰灯揭频膱D像分割算法，可克服灰度閾值分割算法的不足。其算法過程如下：

（1）均值平移圖像分割算法特點(diǎn)是將像素點(diǎn)坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度或者RGB三分量在數(shù)據(jù)密度下進(jìn)行組裝，形成一個(gè)5維的向量：[x，y，r，g，b]?？臻g信息和色彩信息轉(zhuǎn)化到一個(gè)5維特征空間{xi}，i=1，2...中，并用{Ti}，i=1，2...對(duì)圖像信息進(jìn)行記憶；

（2）輸入均值平移圖像分割算法的相關(guān)參數(shù)：空間域窗寬hs，色彩域窗寬hr；

（3）初始化k=1，從{xi}，i=1，2...中選擇第一個(gè)像素點(diǎn)，依次遍歷圖像，令Gk=xi，表示均值平移過程中不斷變化的超球體中心位置；

（4）在以Gk為中心的超球體中利用均值平移算法迭代計(jì)算Gk+1，k=k+1；

（5）若||Gk+1-Gk||<ε，則停止迭代，否則Gk+1=Gk，繼續(xù)迭代。

經(jīng)過上述步驟，圖像中相鄰或色彩一致的像素就被歸為一類，從而達(dá)到圖像分割的目的，其算法流程圖如圖1所示。

3 實(shí)驗(yàn)及仿真

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：算法運(yùn)行環(huán)境為Windows 7，64位操作系統(tǒng)；處理器為英特爾E5-2670，2.60GHz；內(nèi)存64GB；考慮到Matlab軟件具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算能力和豐富圖像處理命令，選擇在Matlab下基于均值平移算法對(duì)圖像進(jìn)行分割實(shí)驗(yàn)。

圖2（a）、（b）、（c）、（d）表示在運(yùn)用均值平移算法進(jìn)行分割處理后的結(jié)果圖像。對(duì)比可知，顏色參數(shù)hr和空間參數(shù)hs對(duì)分割效果有較為明顯的作用。對(duì)比圖（c）和圖（d）看出，易發(fā)現(xiàn)空間參數(shù)hs對(duì)圖像分割的平滑效果影響更為顯著。

通過多次實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于較為簡(jiǎn)單的圖像，可以選擇如（8，8） 相對(duì)較大的窗寬，在準(zhǔn)確分割圖像的同時(shí)，時(shí)間耗費(fèi)相對(duì)較少；對(duì)于較為復(fù)雜的圖像，通常需要選取較小的窗寬，以期對(duì)圖像進(jìn)行精細(xì)分割的同時(shí)節(jié)省時(shí)間運(yùn)算成本。

4 小結(jié)

均值平移算法是一種有效的統(tǒng)計(jì)迭代算法，其數(shù)學(xué)思想是基于密度函數(shù)的梯度估計(jì)，在迭代過程中搜索到密度函數(shù)的局部極大值。因?yàn)轭伾珔?shù)hr和空間參數(shù)hs對(duì)分割效果有較為明顯的作用，所以在實(shí)際應(yīng)用中兩參數(shù)往往通過實(shí)驗(yàn)確定可使得圖像分割更為精準(zhǔn)。該算法不僅可用在對(duì)圖像的分割分析中，也將在視頻分割、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等實(shí)際背景中有著越來越廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介

方浩鋮，男，湖北省鄂州市人。研究方向電氣工程及其自動(dòng)化。

作者單位

武漢輕工大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院 湖北省武漢市 430048