龔波 陸玲 曹旭光

摘要：提出了一種基于道路灰度特征的分割方法，首先對(duì)道路圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像分割、灰度化、平滑濾波等，再對(duì)圖像進(jìn)行分塊標(biāo)記并計(jì)算特征值，然后利用改進(jìn)的區(qū)域生長法提取道路區(qū)域。該方法具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：非結(jié)構(gòu)化道路；區(qū)域生長；道路分塊

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）26-0147-03

Unstructured Road Segmentation based on Gray feature

GONG Bo， LU Ling， CHAO Xu-guang

（School of Information Engineering， East China Institute of Technology， Nanchang 330013，China）

Abstract： We propose a segmentation method based on the gray level of the road. In this method， the road image is pre processed， including image segmentation， gray scale， smooth filtering， and then the image is segmented into the small image and the feature value is calculated. Then the road area is extracted by the improved region growing method. This method has a certain practical value.

Key words： unstructured road； regional growth； road block

1 緒論

隨著科技的不斷發(fā)展和人類生活水平的不斷提高，人們對(duì)智能汽車的關(guān)注也在不斷提升，智能汽車的研究具有較大的現(xiàn)實(shí)意義，其中最重要的作用之一是可以提高汽車駕駛的安全性。道路識(shí)別算法是智能車無人駕駛研究的一個(gè)重要部分。

常見的行駛道路主要分為結(jié)構(gòu)化道路和非結(jié)構(gòu)化道路兩種，本文重點(diǎn)對(duì)非結(jié)構(gòu)化道路進(jìn)行分割。許多學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究，如賈嫣等[1]針對(duì)雨雪天氣的特殊性利用HSV空間中的H空間進(jìn)行模糊增強(qiáng)，并選取閾值進(jìn)行道路的粗分，使用形態(tài)學(xué)對(duì)圖像的降噪，最后使用邊緣檢測(cè)得到道路邊緣。熊思等[2]利用高斯金字塔對(duì)圖像進(jìn)行降采樣，對(duì)圖像進(jìn)行雙邊濾波抑制噪聲，采用基于小波變換求模極大值的方法對(duì)濾波后的圖像提取邊緣，通過閾值法去除非道路邊緣點(diǎn)，給出基于斜率和截距的K-means聚類算法，實(shí)現(xiàn)道路方程擬合。呂艷鵬等[3]應(yīng)用MATLAB使用Otsu法對(duì)道路圖像進(jìn)行分割，再利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和閥值面積消去法對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理，然后利用Roberts算子檢測(cè)出道路邊緣，最后利用最小二乘法對(duì)圖像進(jìn)行曲線擬合，得到平滑的道路邊界曲線。呂艷鵬等[4]對(duì)非結(jié)構(gòu)化道路的彩色圖片，利用熵、對(duì)比度等紋理特征值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。，然后將圖片中的每一個(gè)20×20小塊的紋理特征值輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，經(jīng)過運(yùn)算判斷小塊是否為道路部分。龔建偉等[5]提出了一種結(jié)合多線程技術(shù)和多層感知器自監(jiān)督在線學(xué)習(xí)技術(shù)的道路識(shí)別算法，算法中道路圖像采集、分類器訓(xùn)練、訓(xùn)練集更新、分類器識(shí)別等計(jì)算操作分別在各自線程中實(shí)現(xiàn) ，算法具有較好的自適應(yīng)性及實(shí)時(shí)性。

我們根據(jù)道路的灰度特征，利用分塊方法計(jì)算每塊的灰度方差，并通過區(qū)域生長分割道路區(qū)域。

2 道路圖像預(yù)處理

道路圖像預(yù)處理主要是為了去除一些與道路無關(guān)系的干擾信息以及對(duì)道路圖像特征信息進(jìn)行增強(qiáng)處理。

2.1 圖像分割

根據(jù)道路圖像中的道路分布可知，一般情況下道路處于圖像的中下部。為了提高處理速度，去除每一幅圖像的1/3上部部分，只保留與道路信息相關(guān)的下部2/3部分，如圖1所示。

2.2 圖像灰度化

由于大多數(shù)道路及邊緣沒有顏色特征，而道路中的灰度變化比道路邊緣小，因此先將彩色圖像（圖1a）進(jìn)行灰度化處理，采用平均法將道路的彩色圖像變?yōu)榛叶葓D像，如圖2a所示：。

Gray=（B+G+R）/3

2.3 圖像平滑濾波

平滑濾波是對(duì)圖像進(jìn)行模糊處理和降低噪聲，常用的3×3和5×5均值濾波器如下[6]：

3 道路圖像分塊

為了區(qū)分道路與道路邊緣的區(qū)域，同時(shí)又為了消除一定的干擾信息，對(duì)圖像進(jìn)行分塊處理，以每個(gè)塊作為一個(gè)處理單元（以下稱為單元塊），根據(jù)道路及邊緣的特征，通過對(duì)單元塊中的像素灰度分析，確定單元塊的位置是否處于道路內(nèi)部及道路邊緣。

3.1 單元塊的大小

單元塊的大小確定是道路識(shí)別的關(guān)鍵。單元塊過大，會(huì)導(dǎo)致塊中灰度信息過多，不能突出道路邊緣的特征；單元塊過小，會(huì)突出干擾信息，使道路識(shí)別結(jié)果出錯(cuò)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出w/20×w/20（w為圖像寬度）單元塊的處理效果較好，考慮到要突出彎曲道路邊緣信息，單元塊選定為長矩形區(qū)域較合適，即單元塊的寬度為w/20左右，高度為w/30左右。如圖3a所示。

3.2 單元塊的特征值

為了區(qū)分道路與道路邊緣，采用單元塊中的像素灰度均方差作為單元塊的特征值。

灰度均值 [A=1MNi=1Mj=1NI（i，j）]

均方差 [σ=（1MNi=1Mj=1N[I（i，j）-A]）12]

使用如下簡(jiǎn)化式代替均方差：

[σ=1MNi=1Mj=1N|I（i，j）-A|]

式中：I（i，j）-----單元塊中像素灰度值

M、N-----單元塊的寬與高（以像素為單位）

可以得出，單元塊處于道路中時(shí)，特征值較?。粏卧獕K處于道路邊緣時(shí)，特征值偏大。而單元塊處于道路外時(shí)，其特征值不確定，取決于道路外的環(huán)境特征。如圖3b所示，圖中的灰度大小代表特征值的大小。從圖中可以看出，道路中的單元塊特征值基本上都小于道路邊緣上的特征值，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，設(shè)定合適的閾值（稱為單元塊閾值），從道路中部開始進(jìn)行區(qū)域生長，將道路提取出來。

3.3 單元塊閾值的確定

單元塊的閾值取決于道路中的灰度變化情況，如果道路較少裂痕與干擾信息，道路區(qū)域內(nèi)是一個(gè)特征值較小的連通域，所選的閾值可偏??；否則選的閾值偏大些。如圖4顯示了不同閾值效果圖。當(dāng)閾值較小為8時(shí)，如圖4a，道路中的水印及接縫影響較大；當(dāng)閾值較大為22時(shí)（如圖4d），道路的連通域延伸到邊緣外部，不能提取出道路信息?？梢?，閾值的取值范圍還是較大的。經(jīng)過對(duì)大量道路圖像的試驗(yàn)，閾值取值在14左右比較好。圖5為不同道路的提取結(jié)果。

從圖5中可以看出，低于閾值的區(qū)域除了道路區(qū)域外，還有道路外的部分區(qū)域，為了從這些低于閾值的區(qū)域中定位道路區(qū)域，本文提出使用改進(jìn)的區(qū)域生長法識(shí)別道路區(qū)域。

4 道路分割

4.1 區(qū)域生長法

區(qū)域生長是從滿足檢測(cè)準(zhǔn)則的點(diǎn)開始，在各個(gè)方向上生長區(qū)域，當(dāng)其鄰近點(diǎn)滿足一致性準(zhǔn)則就并入小塊區(qū)域中，當(dāng)新點(diǎn)并入后再用新的區(qū)域重復(fù)這一過程，直到?jīng)]有可并入的鄰近點(diǎn)時(shí)生成過程就完成。區(qū)域生長的分割方法的關(guān)鍵是在于定義一個(gè)一致性準(zhǔn)則，用來判斷兩個(gè)鄰接的區(qū)域是否可以合并[6]。

區(qū)域生長法的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是選取起始生長點(diǎn)和確定生長準(zhǔn)則。一般情況下，起始生長點(diǎn)的選取是隨機(jī)性的，但對(duì)于本文中的道路識(shí)別，需要生長道路區(qū)域而不是其他區(qū)域，因此必須選擇道路區(qū)域中的單元塊種子作為起始生長塊，即在道路區(qū)域內(nèi)選擇單元塊小于愈生長的單位也是以單元塊為單位而不是像素。根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，生長的規(guī)則是單元塊的特征值小于閾值，是全局特征而不是局部特征，這樣可以消除道路中的干擾因素，否則如果起始生長點(diǎn)的特征值偏大或偏小，會(huì)影響整體生長結(jié)果。

4.2 改進(jìn)型區(qū)域生長法

改進(jìn)型的區(qū)域生長法基本思想是：1）根據(jù)道路圖像的分布特點(diǎn)定位道路區(qū)域中的一個(gè)種子單元塊。一般可取圖像中下位置處的單元塊。如果種子單元塊的特征值大于閾值，則把該單元塊合并到道路區(qū)域；否則不合并到道路區(qū)域。2）對(duì)其四鄰域單元塊進(jìn)行搜索，計(jì)算四鄰域單元塊的特征值，如果大于閾值，則把該單元塊合并到道路區(qū)域。3）對(duì)每個(gè)新合并的單元塊重復(fù)（2），直到?jīng)]有大于特征值的單元塊為止，就完成了區(qū)域生長的分割。

5 結(jié)束語

本文提出了基于單元塊的道路區(qū)域分割算法，該方法是根據(jù)道路中灰度特征，以單元塊作為單位，選取合適特征值和閾值，通過改進(jìn)的區(qū)域生長法，對(duì)道路區(qū)域和非道路進(jìn)行分割處理，該方法可以降低噪聲的影響。改進(jìn)的區(qū)域生長法是以單元塊為生長單位，生長的規(guī)則考慮的是全局特征，可以消除生長區(qū)域的誤差引起整體生長結(jié)果。本文方法比較適用于道路路面灰度比較均勻且沒有大面積的障礙物覆蓋道路邊緣的情況下，而實(shí)際道路環(huán)境路況會(huì)比較復(fù)雜，在以后的研究中應(yīng)該考慮各種因素的影響的情況。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賈嫣，李硯軼. 雨雪天非結(jié)構(gòu)化道路識(shí)別算法研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2014.10（24）：5741-5756.

[2] 熊思，李磊民.黃玉清.基于小波變換和K-means的非結(jié)構(gòu)化道路檢測(cè)[J].計(jì)算機(jī)工程，2014，40（2）：158-161.

[3] 呂艷鵬，潘玉田.基于MATLAB圖像處理的非結(jié)構(gòu)化道路識(shí)別[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014 （2）：32-33.

[4] 呂艷鵬，潘玉田.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非結(jié)構(gòu)化道路識(shí)別[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014（3）：178-180.

[5] 龔建偉，葉春蘭，姜巖，熊光明.多層感知器自監(jiān)督在線學(xué)習(xí)非結(jié)構(gòu)化道路識(shí)別[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（3） ：261-266.

[6] 陸玲，李金萍. Visual C++數(shù)字圖像處理[J].中國電力出版社，2014.