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        基于自適應(yīng)閾值和形態(tài)學(xué)的改進(jìn)分水嶺分割算法*

        2018-12-24 07:42:42張冬梅
        山西電子技術(shù) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:分水嶺形態(tài)學(xué)梯度

        羅 山,張冬梅

        (攀枝花學(xué)院交通與汽車工程學(xué)院,四川 攀枝花 617000)

        0 引言

        分水嶺比較經(jīng)典的計(jì)算方法是L.Vincent提出的[1],一些學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)的分水嶺算法提出了改進(jìn)。畢浩宇等人提出了一種基于形態(tài)學(xué)分水嶺算法的圖像分割改進(jìn)算法[2]。孫惠杰等人提出了一種基于粒子群和區(qū)域生長(zhǎng)的改進(jìn)分水嶺算法,有效地解決了分水嶺算法的過(guò)分割問(wèn)題,分割結(jié)果更加有效、準(zhǔn)確[3]。張秀再等人提出了一種閾值自適應(yīng)的Sobel邊緣檢測(cè)算法[4]。

        針對(duì)分水嶺分割算法的不足[5],本文對(duì)傳統(tǒng)分水嶺算法進(jìn)行改進(jìn)。首先通過(guò)中值濾波抑制噪聲,采用多模板Sobel算子求梯度;然后對(duì)梯度圖像進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算,得到重建圖像,該操作保留了圖像區(qū)域重要輪廓,同時(shí)去除了噪聲和細(xì)節(jié);接著對(duì)重建圖像應(yīng)用Otsu算法,得到自適應(yīng)閾值分割圖像,該操作增強(qiáng)了系統(tǒng)魯棒性;最后對(duì)上述結(jié)果作分水嶺變換,實(shí)現(xiàn)精確分割。

        1 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理

        數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是一門基于集合論的非線性學(xué)科,其基本思想是利用具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去度量和提取圖像中的對(duì)應(yīng)形狀以達(dá)到對(duì)圖像分析和識(shí)別的目的。有膨脹、腐蝕、開啟和閉合四種基本運(yùn)算,利用這些基本運(yùn)算可以組合成多種實(shí)用的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法。

        設(shè)f表示圖像,B表示結(jié)構(gòu)元素,x表示平移量,⊕表示膨脹運(yùn)算符號(hào),Θ表示腐蝕運(yùn)算符號(hào);則f被B膨脹的定義為:

        (1)

        膨脹運(yùn)算可以填補(bǔ)目標(biāo)內(nèi)部孤立的小孔洞,將背景邊緣轉(zhuǎn)化為目標(biāo)的邊緣,使目標(biāo)增大而背景縮小。f被B腐蝕的定義為:

        fΘB={x|(B)x?f}.

        (2)

        腐蝕運(yùn)算可以消除目標(biāo)外部孤立的噪聲點(diǎn),但也會(huì)丟失目標(biāo)外邊緣和內(nèi)空邊緣的一些信息,使目標(biāo)縮小而背景增大。

        設(shè)° 表示開啟運(yùn)算符號(hào),·表示閉合運(yùn)算符號(hào);則開啟運(yùn)算的定義為:

        f°B=(fΘB)⊕B.

        (3)

        閉合運(yùn)算的定義為:

        f·B=(f⊕B)ΘB.

        (4)

        結(jié)構(gòu)元素對(duì)處理效果有決定性影響。小尺度結(jié)構(gòu)元素的去噪能力弱,檢測(cè)到的邊緣比較細(xì),邊緣定位較準(zhǔn)確且邊緣細(xì)節(jié)豐富;大尺度結(jié)構(gòu)元素的去噪能力強(qiáng),檢測(cè)到的邊緣比較粗,會(huì)丟失部分小的邊緣細(xì)節(jié)。

        本文采用多尺度多種類型的結(jié)構(gòu)元素對(duì)梯度圖像進(jìn)行開閉重建運(yùn)算,得到的重建圖像保留了圖像區(qū)域重要輪廓,同時(shí)去除了噪聲和細(xì)節(jié)。

        2 自適應(yīng)閾值分割

        本文使用了一種二維最大熵自適應(yīng)閾值[6]選取方法,簡(jiǎn)稱Otsu,避免了人為設(shè)定閾值的不合理性。Otsu自適應(yīng)閾值分割算法步驟為:

        1) 計(jì)算圖像的歸一化直方圖pi;

        7) 用最佳閾值T*對(duì)圖像進(jìn)行分割。

        圖1(b)所示為對(duì)含噪圖像中值濾波、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理后自適應(yīng)閾值分割的結(jié)果,可見,分割精度高,極大地減少了“過(guò)分割”和“欠分割”區(qū)域。

        3 基于自適應(yīng)閾值和形態(tài)學(xué)的改進(jìn)分水嶺算法

        3.1 分水嶺算法數(shù)學(xué)表示[7]

        令g(x,y)表示一幅梯度圖像,M1,M2,…,MR表示由所有區(qū)域極小值點(diǎn)構(gòu)成的集合,用min與max表示g(x,y)的最小、最大算子。假設(shè)M[n]表示使g(s,t)

        M[n]={(s,t)|g(s,t)

        (5)

        M[n]的幾何意義為圖像g(x,y)中出現(xiàn)在平面g(x,y)=n下方的全部像素的坐標(biāo)集合。假設(shè)A為一個(gè)連通集合,A中任意兩點(diǎn)p,q的測(cè)地距離為A中連接p,q兩點(diǎn)的最短距離。定義為:

        dA(p,q)=min{L(p)|p1=p,p1=q,p?A}.

        (6)

        當(dāng)K為A中的一個(gè)集合,它由s個(gè)連通子集K1,K2,K3,…構(gòu)成,連通子集Ki的測(cè)地影響區(qū)IZ(Ki)定義為A中到Ki的測(cè)地距離小于到K中其他任意連通成分的距離的點(diǎn)的集合。定義為:

        IZA(Ki)={p∈A|?j≠i,dA(p,Ki)

        (7)

        A中除K以外的測(cè)地影響區(qū)的點(diǎn)集合稱為測(cè)地影響區(qū)骨架SKIZA(K)。定義為:

        (8)

        假設(shè)圖像為f(x,y),用CB(M)表示與區(qū)域極小域?qū)?yīng)的積水盆地,CBh(M)表示該積水盆地上高度小于或等于h的點(diǎn),即為分水嶺變換。定義為:

        CBh(M)={p∈CB(M)|f(p)≤h}=CB(m)∩Tt≤h(f).

        (9)

        3.2 本文算法

        綜合以上論述,本文算法步驟為:

        1) 原始圖像經(jīng)濾波降噪后,采用Sobel算子得到梯度圖像;

        2) 對(duì)梯度圖像進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)開閉重建運(yùn)算,得到重建圖像;

        3) 對(duì)重建圖像應(yīng)用Otsu算法,得到自適應(yīng)閾值分割圖像;

        4) 最后對(duì)上述結(jié)果作分水嶺變換,得到精確分割圖像。

        3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        3.3.1 分割算法實(shí)現(xiàn)

        3.3.2 結(jié)果分析

        本文算法與傳統(tǒng)算法性能對(duì)比分析如表1所示。

        表1 兩種算法之間的比較

        傳統(tǒng)分水嶺算法未對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理,且直接對(duì)梯度圖像進(jìn)行分水嶺分割,產(chǎn)生了嚴(yán)重的過(guò)分割現(xiàn)象,如圖1(c)所示。本文算法考慮圖像邊緣和細(xì)節(jié)信息,對(duì)其進(jìn)行中值濾波去噪,對(duì)梯度圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)開閉重建運(yùn)算,保留區(qū)域重要輪廓的同時(shí)去除了噪聲和細(xì)節(jié)。從圖2(d)可以看出,過(guò)分割得到了較好的抑制,產(chǎn)生的分割區(qū)域明顯減少,邊緣定位也更加準(zhǔn)確,視覺效果更好,同時(shí)分割精度也有所提高。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        實(shí)際圖像受到噪聲、陰影等諸多因素的影響,灰度分布不均勻,難以對(duì)圖像進(jìn)行準(zhǔn)確分割。針對(duì)分水嶺分割算法對(duì)噪聲比較敏感和過(guò)度分割現(xiàn)象,本文提出了一種基于自適應(yīng)閾值和形態(tài)學(xué)的改進(jìn)分水嶺分割算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法邊緣提取更準(zhǔn)確,具有很強(qiáng)的噪聲抑制能力,較好地削弱了過(guò)分割現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)精確分割。

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