黃佳琪++王雪琴++曾陳穎++肖江
摘 要:大熊貓作為中國國寶,其監(jiān)測及保護(hù)更受到越來越多的關(guān)注。本文詳細(xì)介紹基于灰度空間的閾值分割方法,用于大熊貓圖片前景的提取,并與基于YCbCr顏色空間的分割算法進(jìn)行對(duì)比,分析閾值分割的適用范圍及分割效果。
關(guān)鍵詞:大熊貓 圖像分割 灰度空間 閾值
中圖分類號(hào):TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2014)03(a)-0011-04
野生動(dòng)物的生存與發(fā)展維系著生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定,伴隨著人類社會(huì)的生存與發(fā)展,已成為人類生產(chǎn)、生活的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略資源,是事關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資本。大熊貓作為中國國寶,其監(jiān)測及保護(hù)更受到越來越多的關(guān)注。在野外監(jiān)測中,如能從上傳圖片中自動(dòng)識(shí)別出大熊貓,將大大提高工作效率,減輕檢測人員勞動(dòng)力強(qiáng)度。
野外采集的大熊貓圖片識(shí)別的過程中,圖像分割是圖像檢索、識(shí)別和圖像理解的基本前提步驟。彩色圖像分割的兩個(gè)主要問題是選著合適的顏色空間和采用合適的方法[1],根據(jù)不同的場合選擇合適的顏色空間和方法,能夠得到符合人們主觀視覺感知的分割結(jié)果。目前在圖像分割領(lǐng)域中,一直沒有一個(gè)通用有效的方法,大多數(shù)方法只針對(duì)特定的應(yīng)用場合,由于實(shí)際圖像質(zhì)量差別很大,不同彩色圖像分割方法的效果也各有參差,所以彩色圖像分割方法的研究具有很重要的意義[2]。本文主要針對(duì)大熊貓圖像提出了三種基于顏色的圖像分割算法,通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析對(duì)比,指出了這些算法的適用場合及不足。
1 圖像分割方法
圖像分割的研究多年來一直受到人們的高度重視,分割算法也層出不窮,對(duì)于圖像分割算法的分類依據(jù)也不統(tǒng)一。圖像分割方法的選擇,在很大程度上依賴于特定的圖像、成像方式以及成像中的可變因素和不變因素(如噪聲和紋理等),這些都會(huì)在很大程度上影響后繼的分割?,F(xiàn)今國內(nèi)外廣泛使用的圖像分割方法主要可分為基于閾值分割、基于變形模型分割、基于區(qū)域生長分割、基于聚類法分割、基于遺傳算法分割等[3]。
1.1 基于閾值的圖像分割
在所有的圖像分割方法中,閾值法是最常用的方法,其實(shí)質(zhì)是利用圖像的灰度直方圖信息得到用于分割的閾值?;陂撝邓惴ǖ膬?yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單,運(yùn)算速度快,缺點(diǎn)是難以處理包含多個(gè)前景物體的情況[4]。
對(duì)于一幅大熊貓的圖像來說,其最顯著的特征便是大熊貓身體顏色的構(gòu)成,除部分區(qū)域因污漬、陰影和光照產(chǎn)生的輕微變化外,大熊貓身體主要由純黑和純白兩種顏色構(gòu)成。而灰度空間是由純黑、純白以及介于二者之間的各種灰色構(gòu)成,在灰度圖像上所占區(qū)間為[0,255],因而將大熊貓彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像能對(duì)其顏色特征進(jìn)行很好描述。本研究采用的是基于灰度空間的分割算法[5]。將大熊貓身體的黑白兩部分區(qū)域分別提取出來后合并到一起,與背景區(qū)域分開。下面將結(jié)合程序具體講解算法。
(1)分別提取大熊貓黑色和白色部分:
Q=imread('1.jpg');
I=rgb2gray(Q);
以上語句將讀取圖片轉(zhuǎn)變成灰度圖像。
BW1=roicolor(I,155,255);
se1=strel('disk',2);BW1=imopen(BW1,se1);
se1=strel('disk',2);BW1=imclose(BW1,se1);
以上語句將灰度圖像中顏色較淺區(qū)域提取出來,先經(jīng)過腐蝕處理將背景及大熊貓邊緣含有白色雜質(zhì)部分去除,再通過膨脹處理將大熊貓主體面積大致恢復(fù)原樣。具體腐蝕膨脹的強(qiáng)度根據(jù)多次調(diào)整strel()函數(shù)中的數(shù)值,使最終效果既不受背景影響,也不改變大熊貓白色毛發(fā)范圍。實(shí)驗(yàn)效果見圖1。
BW2=roicolor(I,0,30);
se1=strel('disk',2);BW2=imopen(BW2,se1);
se1=strel('disk',2);BW2=imclose(BW2,se1);
以上語句將灰度圖像中顏色較深區(qū)域提取出來,先經(jīng)過腐蝕處理將背景及大熊貓邊緣含有黑色雜質(zhì)部分去除,再通過膨脹處理將大熊貓主體面積大致恢復(fù)原樣。實(shí)驗(yàn)效果見圖2。
(2)合并黑白部分后進(jìn)行膨脹腐蝕處理:
ADD=imadd(BW1,BW2);
se2=strel('disk',5);ADD=imclose(ADD,se2);
se1=strel('disk',14);ADDO=imopen(ADD,se1);
se2=strel('disk',50);ADDOC=imclose(ADDO,se2);
ADDOCF=imfill(ADDOC);
BW=im2bw(ADDOCF);
以上語句將大熊貓的深色區(qū)域和淺色區(qū)域合并后,為使大熊貓的區(qū)域更加接近理想狀態(tài),又進(jìn)行以下四步處理:(1)先進(jìn)行膨脹處理,將深色區(qū)域與淺色區(qū)域連接到一起,形成一個(gè)整體;(2)腐蝕處理,將背景中殘留部分消除;(3)膨脹處理,將大熊貓區(qū)域還原;(4)填洞,有時(shí)大熊貓區(qū)域內(nèi)部會(huì)因陰影或大熊貓手持食物而存在未被提取到的部分,造成孔洞,最后使用填洞語句將孔洞補(bǔ)上。實(shí)驗(yàn)效果見圖3。
(3)在原圖中顯示:
[B,L] = bwboundaries(BW,'noholes');
subplot(2,2,2),imshow(Q);
hold on;
for k = 1:length(B)
boundary = B{k};
plot(boundary(:,2), boundary(:,1), 'r', 'LineWidth', 2)endprint
end
為了觀察對(duì)比處理后區(qū)域的效果,我們用上述程序在原圖上用紅線將提取范圍的輪廓標(biāo)出,可以看出,處理達(dá)到了預(yù)期效果。將處理后的大熊貓背景設(shè)置為藍(lán)色,便于后期的特征提取。實(shí)驗(yàn)效果見圖4。
1.2 基于YCbCr顏色空間的分割算法
YCbCr顏色空間廣泛的應(yīng)用于數(shù)字影視圖像中。Y分量存儲(chǔ)亮度信息,Cb,Cr存儲(chǔ)圖像的彩色信息。其中Cb為藍(lán)色和參考值之間的差異,Cr為紅色和參考值之間的差異。YCbCr色彩系統(tǒng)是一種常見的重要的色彩系統(tǒng),JPEG圖片采用的色彩系統(tǒng)就是該系統(tǒng)。它由YUV色彩系統(tǒng)衍生而來,Cb=k1U,Cr=k2V,其中k1、k2分別為壓縮系數(shù),壓縮的目的是防止色差信號(hào)對(duì)亮度信號(hào)的干擾及超過亮度信號(hào)的電平,Cb和Cr則是將U和V做少量調(diào)整而得到的。Y仍為亮度信息(電視機(jī)中稱其為亮度信號(hào))。YCbCr色彩系統(tǒng)與RGB色彩系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:
Y=0.299*R+0.587*G+0.114*B (1)
Cr=(R-Y)*0.713+128 (2)
Cb=(B-Y)*0.564+128 (3)
為了對(duì)背景比較復(fù)雜的大熊貓的彩色圖像準(zhǔn)確快速的進(jìn)行檢測和分割,我們參考了人臉膚色檢測方法。首先利用手工方式采集不同人種的人臉膚色樣本,在YCbCr色彩空間建立膚色樣本模型,然后利用相似度閾值進(jìn)行膚色分割,將原來較大的圖像分割成小塊的矩形區(qū)域,再計(jì)算人臉區(qū)域歐拉數(shù)來縮小搜索范圍,最后用人臉模板進(jìn)行人臉檢測。選擇YCbCr空間(Y分量表示亮度,Cb、Cr表示色度)。作為膚色分布統(tǒng)計(jì)的映射空間,優(yōu)點(diǎn)是可以將亮度和色度分開單獨(dú)處理,Cb、Cr是兩維獨(dú)立分布,能較好的限制膚色分布區(qū)域,膚色點(diǎn)能夠形成較好的聚類。研究表明YCbCr色彩空間對(duì)大熊貓膚色也具有很好的聚類效果,利用Cb和Cr分量能很好地對(duì)大熊貓顏色信息進(jìn)行聚類。為此我們采取了簡單的非參數(shù)化方法來確定膚色,即通過仔細(xì)選擇閾值Cb[Cb1,Cb2]和Cr[Cr1,Cr2]利用判定規(guī)則:一個(gè)象素(i,j)如果同時(shí)滿足Cb1 從圖5的大熊貓圖像分割結(jié)果可知,對(duì)于背景較復(fù)雜,采用基于YCbCr顏色空間Cb和Cr分量聯(lián)合判別分割算法能取得很好的分割效果。 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 傳統(tǒng)的閾值分割方法僅僅考慮了圖像的灰度信息,而忽略了圖像的空間信息,因此對(duì)于圖像中不存在明顯灰度差的圖像得不到滿意的分割結(jié)果。通常在大熊貓身處背景為黑色、白色環(huán)境中或大熊貓白色毛發(fā)被污染時(shí),閾值分割法不能達(dá)到預(yù)期效果。 在大熊貓受到過強(qiáng)光照時(shí),大熊貓黑色毛發(fā)部分會(huì)發(fā)亮,灰度值增大,大熊貓受到過弱光照及毛發(fā)被污染時(shí),白色毛發(fā)部分發(fā)暗,灰度值減小。有可能超出閾值選取范圍,造成大熊貓被提取部分缺失。在大熊貓周圍環(huán)境和大熊貓毛發(fā)顏色接近且范圍較大時(shí),普通的腐蝕無法將其去除,又容易造成提取范圍過大的問題,因此基于閾值的圖像分割存在一定缺陷?;赮CbCr顏色空間的分割算法適用范圍不如前者廣泛,但在一定程度上可以彌補(bǔ)基于閾值的圖像分割的不足,在進(jìn)行大熊貓圖像分割時(shí)可將兩者綜合運(yùn)用,提高分割的成功率。 3 結(jié)語 基于閾值的圖像分割算法在部分大熊貓圖像分割上具有滿意的效果,但不能在使用同一參數(shù)的情況下,使所有大熊貓圖片的主體與背景分離。對(duì)于復(fù)雜多變情況下的圖像分割很難通過一種算法達(dá)到高效通用的目的。作者以后還將繼續(xù)研究更多適用于大熊貓圖像分割的算法,與基于閾值的圖像分割算法配合使用,提高分割適用范圍與效果。 (致謝:本文系北京林業(yè)大學(xué)2013年北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):S1310022034)資助。) 參考文獻(xiàn) [1] Khang Siang Tan,Nor Ashidi Mat Isa.Color images egmentation using histogram thresholding Fuzzy C-means hybrid approach[J].Pattem Reeognition,2011,44(l):1-15 [2] 季曉峰.基于模糊C均值聚類的彩色圖像分割算法研究[D].南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012. [3] 何俊,葛紅,王玉峰.圖像分割算法研究綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2009,31(12). [4] 周鮮成.圖像分割方法及其應(yīng)用研究綜述[J].信息技術(shù),2008,31(12):11-14. [5] 高月紅.灰度圖像分割算法的研究[J].科技信息,2009,27:409-410.
end
為了觀察對(duì)比處理后區(qū)域的效果,我們用上述程序在原圖上用紅線將提取范圍的輪廓標(biāo)出,可以看出,處理達(dá)到了預(yù)期效果。將處理后的大熊貓背景設(shè)置為藍(lán)色,便于后期的特征提取。實(shí)驗(yàn)效果見圖4。
1.2 基于YCbCr顏色空間的分割算法
YCbCr顏色空間廣泛的應(yīng)用于數(shù)字影視圖像中。Y分量存儲(chǔ)亮度信息,Cb,Cr存儲(chǔ)圖像的彩色信息。其中Cb為藍(lán)色和參考值之間的差異,Cr為紅色和參考值之間的差異。YCbCr色彩系統(tǒng)是一種常見的重要的色彩系統(tǒng),JPEG圖片采用的色彩系統(tǒng)就是該系統(tǒng)。它由YUV色彩系統(tǒng)衍生而來,Cb=k1U,Cr=k2V,其中k1、k2分別為壓縮系數(shù),壓縮的目的是防止色差信號(hào)對(duì)亮度信號(hào)的干擾及超過亮度信號(hào)的電平,Cb和Cr則是將U和V做少量調(diào)整而得到的。Y仍為亮度信息(電視機(jī)中稱其為亮度信號(hào))。YCbCr色彩系統(tǒng)與RGB色彩系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:
Y=0.299*R+0.587*G+0.114*B (1)
Cr=(R-Y)*0.713+128 (2)
Cb=(B-Y)*0.564+128 (3)
為了對(duì)背景比較復(fù)雜的大熊貓的彩色圖像準(zhǔn)確快速的進(jìn)行檢測和分割,我們參考了人臉膚色檢測方法。首先利用手工方式采集不同人種的人臉膚色樣本,在YCbCr色彩空間建立膚色樣本模型,然后利用相似度閾值進(jìn)行膚色分割,將原來較大的圖像分割成小塊的矩形區(qū)域,再計(jì)算人臉區(qū)域歐拉數(shù)來縮小搜索范圍,最后用人臉模板進(jìn)行人臉檢測。選擇YCbCr空間(Y分量表示亮度,Cb、Cr表示色度)。作為膚色分布統(tǒng)計(jì)的映射空間,優(yōu)點(diǎn)是可以將亮度和色度分開單獨(dú)處理,Cb、Cr是兩維獨(dú)立分布,能較好的限制膚色分布區(qū)域,膚色點(diǎn)能夠形成較好的聚類。研究表明YCbCr色彩空間對(duì)大熊貓膚色也具有很好的聚類效果,利用Cb和Cr分量能很好地對(duì)大熊貓顏色信息進(jìn)行聚類。為此我們采取了簡單的非參數(shù)化方法來確定膚色,即通過仔細(xì)選擇閾值Cb[Cb1,Cb2]和Cr[Cr1,Cr2]利用判定規(guī)則:一個(gè)象素(i,j)如果同時(shí)滿足Cb1 從圖5的大熊貓圖像分割結(jié)果可知,對(duì)于背景較復(fù)雜,采用基于YCbCr顏色空間Cb和Cr分量聯(lián)合判別分割算法能取得很好的分割效果。 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 傳統(tǒng)的閾值分割方法僅僅考慮了圖像的灰度信息,而忽略了圖像的空間信息,因此對(duì)于圖像中不存在明顯灰度差的圖像得不到滿意的分割結(jié)果。通常在大熊貓身處背景為黑色、白色環(huán)境中或大熊貓白色毛發(fā)被污染時(shí),閾值分割法不能達(dá)到預(yù)期效果。 在大熊貓受到過強(qiáng)光照時(shí),大熊貓黑色毛發(fā)部分會(huì)發(fā)亮,灰度值增大,大熊貓受到過弱光照及毛發(fā)被污染時(shí),白色毛發(fā)部分發(fā)暗,灰度值減小。有可能超出閾值選取范圍,造成大熊貓被提取部分缺失。在大熊貓周圍環(huán)境和大熊貓毛發(fā)顏色接近且范圍較大時(shí),普通的腐蝕無法將其去除,又容易造成提取范圍過大的問題,因此基于閾值的圖像分割存在一定缺陷?;赮CbCr顏色空間的分割算法適用范圍不如前者廣泛,但在一定程度上可以彌補(bǔ)基于閾值的圖像分割的不足,在進(jìn)行大熊貓圖像分割時(shí)可將兩者綜合運(yùn)用,提高分割的成功率。 3 結(jié)語 基于閾值的圖像分割算法在部分大熊貓圖像分割上具有滿意的效果,但不能在使用同一參數(shù)的情況下,使所有大熊貓圖片的主體與背景分離。對(duì)于復(fù)雜多變情況下的圖像分割很難通過一種算法達(dá)到高效通用的目的。作者以后還將繼續(xù)研究更多適用于大熊貓圖像分割的算法,與基于閾值的圖像分割算法配合使用,提高分割適用范圍與效果。 (致謝:本文系北京林業(yè)大學(xué)2013年北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):S1310022034)資助。) 參考文獻(xiàn) [1] Khang Siang Tan,Nor Ashidi Mat Isa.Color images egmentation using histogram thresholding Fuzzy C-means hybrid approach[J].Pattem Reeognition,2011,44(l):1-15 [2] 季曉峰.基于模糊C均值聚類的彩色圖像分割算法研究[D].南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012. [3] 何俊,葛紅,王玉峰.圖像分割算法研究綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2009,31(12). [4] 周鮮成.圖像分割方法及其應(yīng)用研究綜述[J].信息技術(shù),2008,31(12):11-14. [5] 高月紅.灰度圖像分割算法的研究[J].科技信息,2009,27:409-410.
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為了觀察對(duì)比處理后區(qū)域的效果,我們用上述程序在原圖上用紅線將提取范圍的輪廓標(biāo)出,可以看出,處理達(dá)到了預(yù)期效果。將處理后的大熊貓背景設(shè)置為藍(lán)色,便于后期的特征提取。實(shí)驗(yàn)效果見圖4。
1.2 基于YCbCr顏色空間的分割算法
YCbCr顏色空間廣泛的應(yīng)用于數(shù)字影視圖像中。Y分量存儲(chǔ)亮度信息,Cb,Cr存儲(chǔ)圖像的彩色信息。其中Cb為藍(lán)色和參考值之間的差異,Cr為紅色和參考值之間的差異。YCbCr色彩系統(tǒng)是一種常見的重要的色彩系統(tǒng),JPEG圖片采用的色彩系統(tǒng)就是該系統(tǒng)。它由YUV色彩系統(tǒng)衍生而來,Cb=k1U,Cr=k2V,其中k1、k2分別為壓縮系數(shù),壓縮的目的是防止色差信號(hào)對(duì)亮度信號(hào)的干擾及超過亮度信號(hào)的電平,Cb和Cr則是將U和V做少量調(diào)整而得到的。Y仍為亮度信息(電視機(jī)中稱其為亮度信號(hào))。YCbCr色彩系統(tǒng)與RGB色彩系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:
Y=0.299*R+0.587*G+0.114*B (1)
Cr=(R-Y)*0.713+128 (2)
Cb=(B-Y)*0.564+128 (3)
為了對(duì)背景比較復(fù)雜的大熊貓的彩色圖像準(zhǔn)確快速的進(jìn)行檢測和分割,我們參考了人臉膚色檢測方法。首先利用手工方式采集不同人種的人臉膚色樣本,在YCbCr色彩空間建立膚色樣本模型,然后利用相似度閾值進(jìn)行膚色分割,將原來較大的圖像分割成小塊的矩形區(qū)域,再計(jì)算人臉區(qū)域歐拉數(shù)來縮小搜索范圍,最后用人臉模板進(jìn)行人臉檢測。選擇YCbCr空間(Y分量表示亮度,Cb、Cr表示色度)。作為膚色分布統(tǒng)計(jì)的映射空間,優(yōu)點(diǎn)是可以將亮度和色度分開單獨(dú)處理,Cb、Cr是兩維獨(dú)立分布,能較好的限制膚色分布區(qū)域,膚色點(diǎn)能夠形成較好的聚類。研究表明YCbCr色彩空間對(duì)大熊貓膚色也具有很好的聚類效果,利用Cb和Cr分量能很好地對(duì)大熊貓顏色信息進(jìn)行聚類。為此我們采取了簡單的非參數(shù)化方法來確定膚色,即通過仔細(xì)選擇閾值Cb[Cb1,Cb2]和Cr[Cr1,Cr2]利用判定規(guī)則:一個(gè)象素(i,j)如果同時(shí)滿足Cb1 從圖5的大熊貓圖像分割結(jié)果可知,對(duì)于背景較復(fù)雜,采用基于YCbCr顏色空間Cb和Cr分量聯(lián)合判別分割算法能取得很好的分割效果。 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 傳統(tǒng)的閾值分割方法僅僅考慮了圖像的灰度信息,而忽略了圖像的空間信息,因此對(duì)于圖像中不存在明顯灰度差的圖像得不到滿意的分割結(jié)果。通常在大熊貓身處背景為黑色、白色環(huán)境中或大熊貓白色毛發(fā)被污染時(shí),閾值分割法不能達(dá)到預(yù)期效果。 在大熊貓受到過強(qiáng)光照時(shí),大熊貓黑色毛發(fā)部分會(huì)發(fā)亮,灰度值增大,大熊貓受到過弱光照及毛發(fā)被污染時(shí),白色毛發(fā)部分發(fā)暗,灰度值減小。有可能超出閾值選取范圍,造成大熊貓被提取部分缺失。在大熊貓周圍環(huán)境和大熊貓毛發(fā)顏色接近且范圍較大時(shí),普通的腐蝕無法將其去除,又容易造成提取范圍過大的問題,因此基于閾值的圖像分割存在一定缺陷?;赮CbCr顏色空間的分割算法適用范圍不如前者廣泛,但在一定程度上可以彌補(bǔ)基于閾值的圖像分割的不足,在進(jìn)行大熊貓圖像分割時(shí)可將兩者綜合運(yùn)用,提高分割的成功率。 3 結(jié)語 基于閾值的圖像分割算法在部分大熊貓圖像分割上具有滿意的效果,但不能在使用同一參數(shù)的情況下,使所有大熊貓圖片的主體與背景分離。對(duì)于復(fù)雜多變情況下的圖像分割很難通過一種算法達(dá)到高效通用的目的。作者以后還將繼續(xù)研究更多適用于大熊貓圖像分割的算法,與基于閾值的圖像分割算法配合使用,提高分割適用范圍與效果。 (致謝:本文系北京林業(yè)大學(xué)2013年北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):S1310022034)資助。) 參考文獻(xiàn) [1] Khang Siang Tan,Nor Ashidi Mat Isa.Color images egmentation using histogram thresholding Fuzzy C-means hybrid approach[J].Pattem Reeognition,2011,44(l):1-15 [2] 季曉峰.基于模糊C均值聚類的彩色圖像分割算法研究[D].南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012. [3] 何俊,葛紅,王玉峰.圖像分割算法研究綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2009,31(12). [4] 周鮮成.圖像分割方法及其應(yīng)用研究綜述[J].信息技術(shù),2008,31(12):11-14. [5] 高月紅.灰度圖像分割算法的研究[J].科技信息,2009,27:409-410.