蒙建源 胡玲艷 大連大學(xué)信息工程學(xué)院

攝像頭圖像軟件二值化的研究

蒙建源 胡玲艷 大連大學(xué)信息工程學(xué)院

在“恩智浦”杯全國大學(xué)生智能車競賽中攝像頭組識(shí)別路徑的過程中，為了能夠正確的提取到賽道信息，減少單片機(jī)計(jì)算量，提升處理速度，需要對(duì)攝像頭采集到的圖像進(jìn)行二值化處理，從而降低圖像的復(fù)雜度，在單片機(jī)主頻不變的條件下增加賽道識(shí)別的速度。而一個(gè)簡單快速得到圖像二值化閾值的算法能顯著的提升圖像處理的速度。

智能車；圖像處理；軟件二值化

引言

在“恩智浦”杯全國大學(xué)生智能車競賽中，智能車的巡線技術(shù)一直是保證智能車正確行駛的核心技術(shù)之一。攝像頭組作為長期以來智能車競賽的三大組別之一，它通過攝像頭作為傳感器采集賽道信息，再實(shí)時(shí)通過算法處理提取到當(dāng)前車子所處位置從而能夠自主尋跡。而在處理圖像時(shí)，往往因?yàn)閳D像數(shù)據(jù)量巨大因此不能直接使用攝像頭采集到的賽道圖像進(jìn)行識(shí)別，而是首先需要對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，降低圖像的復(fù)雜度，同時(shí)也能大幅降低圖像識(shí)別時(shí)的計(jì)算量[1-3]。本文根據(jù)“大津（Otsu）法”研究簡化的攝像頭軟件二值化處理方法,并使用MATLAB編寫上位得到圖像處理結(jié)果。

灰度圖：把白色與黑色之間按對(duì)數(shù)關(guān)系分為若干等級(jí)，稱為灰度。使用灰度來表示顏色的圖像稱之為灰度圖。

二值圖：二值圖像是指每個(gè)像素不是黑就是白，其灰度值沒有中間過渡的圖像。本文在二值圖中使用0表示黑色，1表示白色。

圖1 原始灰度圖

圖2 二值化后圖

1.大津 （Otsu） 法分析

大津算法也稱為最大類間方差法，有時(shí)也稱之為Otsu法，由日本學(xué)者大津于1979年提出，被認(rèn)為是圖像分割中閾值選取的最佳算法，計(jì)算簡單，不受圖像亮度和對(duì)比度的影響，因此在圖像處理上得到廣泛的應(yīng)用。它是按圖像的灰度特性，將圖像分成背景和前景兩部分。因方差是灰度分布均勻性的一種度量，背景和前景之間的類間方差越大，說明構(gòu)成圖像的兩部分的差別越大，當(dāng)部分前景錯(cuò)分為背景或部分背景錯(cuò)分為前景都會(huì)導(dǎo)致兩部分方差變小。因此使類間方差最大的分割意味著錯(cuò)分概率最小。

2.大津 （Otsu） 法的計(jì)算

對(duì)于圖像I(x,y),設(shè)初始t=為整幅圖像的閾值，L為圖像的灰度等級(jí)，圖像的總像素為N。因此，由t可把圖像分割成[0,t],[t+1,L-1]兩個(gè)區(qū)域，分別命名為區(qū)域1和區(qū)域2，ni為第i個(gè)灰度值所擁有的像素?cái)?shù)量。

設(shè)區(qū)域1和區(qū)域2分別占整個(gè)圖像的面積比θ1與θ2分別為：

在得到整幅圖像的閾值之后，只需要對(duì)圖像進(jìn)行一次簡單的遍歷：當(dāng)當(dāng)前像素值小于閾值的時(shí)候令它為0（黑色），否則令它為1（白色）。這樣對(duì)整幅圖像遍歷一次之后就能把一副灰度圖轉(zhuǎn)換為一幅二值圖。

在MATLAB使用GUI編寫的上位機(jī)上顯示原始灰度圖與二值化之后的圖像對(duì)比效果：

3.結(jié)語

智能車路徑識(shí)別過程中，圖像信息的快速準(zhǔn)確的處理是小車高速、平穩(wěn)運(yùn)行的先決條件。本文針對(duì)小車運(yùn)行中的軟件二值化問題，使用大津法進(jìn)行處理得到圖像閾值從而得到圖像的二值圖減少了單片機(jī)是運(yùn)算壓力，通過軟件仿真以及實(shí)際應(yīng)用都表明這確實(shí)能夠快速穩(wěn)定的處理攝像頭實(shí)時(shí)拍攝的圖像并得到二值圖。并且這套算法計(jì)算簡單不受亮度和對(duì)比度的影響，不只是適用于智能車，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要二值圖的場合下都有比較強(qiáng)的適用性。

[1]劉成龍.精通MATLAB圖像處理[M].清華大學(xué)出版社，2015.

[2]卓晴，黃開勝，邵貝貝.學(xué)做智能車[M].北京:北航出版社，2007.

[3]曹豐等.第十屆“飛思卡爾”杯智能車競賽技術(shù)報(bào)告，2015.

胡玲艷（通訊作者）（1978-），女，河北滄州人，副教授，主要從事智能控制/先進(jìn)工業(yè)過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

地方高校國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201611258059），大連大學(xué)特色專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目。