基于多种群遗传算法的模板匹配研究
基于多种群遗传算法的模板匹配研究
【摘要】模板匹配是图像处理中的重要应用，本文提出将多种遗传算法与模板匹配想结合，解决传统模板匹配中计算量大、效率低等问题，并且避免了单种群遗传算法中出现的收敛缓慢和早熟收敛以及容易丢失优良基因等现象。
【关键词】模板匹配;多种群;遗传算法
1.引言
传统模板匹配由于采取在原图中逐个选取参考点进行比较，比较次数过高、时间长、效率低，后将遗传算法引入到模板匹配中。但是简单遗传算法常常发生早熟收敛和收敛缓慢现象，经常陷入局部最优而停止进化。因此本文将多种群遗传算法引入模板匹配中，避免发生早熟收敛和收敛缓慢现象，从而找到模板图像在原图中的精确位置。
2.模板匹配原理
模板匹配是通常指在不同成像条件或不同时间下对同一事物获取的不同图像在空间上的对准，或者说是根据已知模板图像到原图中寻找相应模式的处理方法。简单来说就是通过比对计算在原图中寻找模板图像最优匹配位置的过程。最简单的比对方法是SAD法，如图1所示，原图为M×N个像素的图像，其中某个像素点的灰度值为S（m，n）。模板图像为X×Y个像素的图像，其中某个像素点的灰度值为T（x，y）。当在原图中选取（m，n）作为参考点时，将模板图像的左上角像素点与其对齐，对于当前参考点（m，n）的匹配计算值是将两个图像按照参考点重合，计算对应的像素点灰度值之差的平方求和，计算公式为：
将公式展开为：
上式中，第一项为原图对应模板图像的能量，与选取的参考点（m，n）有关。第三项为模板图像的能量，只与模板图像有关。因此原图与模板图像的相关只有第二项，将第二项称为原图与模板图像的相似性度量，它随着参考点的不同，变化迅速。
图1 原图和模板图像
但简答的SAD方法鲁棒性较差，一般的模板匹配选择相关系数法作为相关性的度量，其公式为：
从公式可以看出对于每一个参考点来说，都要进行一次上式的复杂运算，以求得参考点的相关性，对于一个M×N像素的原图像和X×Y像素的模板图像来说，计算次数为（M-X+1）×（N-Y+1）次，假设对一个1000×1000像素的原图和100×100像素的模板图像做一次比对计算，要求出最优解的计算量高达81万
基于模板匹配算法的数字识别讲解
中南民族大学 毕业论文(设计) 学院: 计算机科学学院 专业: 软件工程年级:2009 题目: 基于模板匹配算法的数字识别学生姓名: 李成学号:09065093指导教师姓名: 李波职称: 讲师 2013年5月
中南民族大学本科毕业论文（设计）原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：2013年月日
摘要 (1) Abstract (1) 1 绪论 (2) 1.1 研究目的和意义 (2) 1.2 国内外研究现状 (2) 2 本文基本理论介绍 (3) 2.1 位图格式介绍 (3) 2.2 二值化 (3) 2.3 去噪 (3) 2.4 细化 (4) 2.5 提取骨架 (4) 3 图像的预处理 (5) 3.1 位图读取 (5) 3.2 二值化及去噪声 (5) 3.3 提取骨架 (6) 4 基于模板匹配的字符识别 (8) 4.1 样本训练 (8) 4.2 特征提取 (8) 4.3 模板匹配 (9) 4.4 加权特征模板匹配 (10) 4.5 实验流程与结果 (10) 5 结论 (16) 5.1 小结 (16) 5.2 不足 (16) 6 参考文献 (17)
基于模板匹配算法的数字识别 摘要 数字识别已经广泛的应用到日常生活中，典型的数字自动识别系统由图像采集、预处理、二值化、字符定位、字符分割和字符识别等几部分组成, 这些过程存在着紧密的联系。传统的模板匹配算法因为图像在预处理之后可能仍然存在较大的干扰，数字笔画粗细不均匀，有较大的噪声，识别效率不高。本文采的主要思想就是对字符进行分类，之后对字符进行细化，提取细化后字符的特征矢量，与模板的特征矢量进行加权匹配，误差最小的作为识别结果。本文在模板匹配法的基础上, 采用了特征值加权模板匹配法, 并且改进了匹配系数的求法。应用该法取得了满意的效果, 提高了识别率。 关键词：模板匹配；数字识别；特征值加权；字符识别； Template matching algorithm-based digital identification Abstract Digital identification has been widely applied to daily life, the typical digital automatic identification system by the image acquisition, pre-processing, binarization, character positioning, character segmentation and character recognition several parts, there is a close link these processes. Traditional template matching algorithm because the image may still exist after pre-greater interference, digital strokes uneven thickness, the noise, the identification efficiency is not high. Adopted herein main idea is to classify the character after character refinement, the characters feature vector extraction refinement, and the template feature vector is weighted matching, the minimum error as a recognition result. Template matching method based on feature weighted template matching method, and improve the matching coefficient method. The application of the method to obtain satisfactory results, to improve the recognition rate. Key words：Template matching; digital identification; characteristic value weighted; character recognition;
遗传算法在图像处理中的应用
遗传算法在图像处理中的应用 束道胜 P201002117 1引言 遗传算法( genetic algorithm, GA)是一种自适应启发式群体型概率性迭代式的全局收敛搜索算法,其基本思想来源于生物进化论和群体遗传学,体现了适者生存、优胜劣汰的进化原则。使用遗传算法求解科学研究工作和工程技术中各种组合搜索和优化计算问题这一基本思想早在20世纪60年代初期就由美国Michigan大学的Holland教授提出,其数学框架也于20世纪60年代中期形成。由于GA的整体搜索策略和优化计算不依赖于梯度信息,所以它的应用范围非常广泛,尤其适合于处理传统方法难以解决的高度复杂的非线性问题。它在自适应控制、组合优化、模式识别、机器学习、规划策略、信息处理和人工生命等领域的应用中越来越展示出优越性。 图像处理是计算机视觉中的一个重要研究领域,在图像处理过程中,如扫描、特征提取、图像分割等不可避免地会存在一些误差,从而影响图像的效果。如何使这些误差最小是使计算机视觉达到实用化的重要要求, GA 在这些图像处理中的优化计算方面找到了用武之地,目前已在图像分割、图像恢复、图像重建、图像检索和图像匹配等方面得到了广泛的应用。 2 遗传算法的原理、基本性质和改进 GA把问题的解表示成染色体(也称串) , GA的求解步骤如下: (1) 编码定义问题的解空间到染色体编码空间的映射,一个候选解(个体)用一串符号表示。 (2) 初始化种群在一定的限制条件下初始化种群,该种群是解空间的一个子空间。 (3) 设计适应度函数将种群中的每个染色体解码成适于计算机适应度函数的 形式,计算其数值。 (4) 选择根据适应度大小选择优秀个体繁殖下一代,适应度越高,则选择概率越大。 (5) 交叉随机选择两个用于繁殖下一代的个体的相同位置,在选中的位置实行交换。 (6) 变异对某个串中的基因按突变概率进行翻转。 (7) 从步骤4开始重复进行,直到满足某一性能指标或规定的遗传代数。 步骤1、2和3是实际应用中的关键,步骤4～步骤6进行3种基本基因操作,选择实现
遗传算法和蚁群算法的比较
全局优化报告 ——遗传算法和蚁群算法的比较 某：X玄玄 学号：3112054023 班级：硕2041
1遗传算法 1.1遗传算法的发展历史 遗传算法是一种模拟自然选择和遗传机制的寻优方法。20世纪60年代初期，Holland教授开始认识到生物的自然遗传现象与人工自适应系统行为的相似性。他认为不仅要研究自适应系统自身，也要研究与之相关的环境。因此，他提出在研究和设计人工自适应系统时，可以借鉴生物自然遗传的基本原理，模仿生物自然遗传的基本方法。1967年，他的学生Bagley在博士论文中首次提出了“遗传算法”一词。到70年代初，Holland教授提出了“模式定理”，一般认为是遗传算法的基本定理，从而奠定了遗传算法的基本理论。1975年，Holland出版了著名的《自然系统和人工系统的自适应性》，这是第一本系统论述遗传算法的专著。因此，也有人把1975年作为遗传算法的诞生年。 1985年，在美国召开了第一届两年一次的遗传算法国际会议，并且成立了国际遗传算法协会。1989年，Holland的学生Goldberg出版了《搜索、优化和机器学习中的遗传算法》，总结了遗传算法研究的主要成果，对遗传算法作了全面而系统的论述。一般认为，这个时期的遗传算法从古典时期发展了现代阶段，这本书则奠定了现代遗传算法的基础。 遗传算法是建立在达尔文的生物进化论和孟德尔的遗传学说基
础上的算法。在进化论中，每一个物种在不断发展的过程中都是越来越适应环境，物种每个个体的基本特征被后代所继承，但后代又不完全同于父代，这些新的变化，若适应环境，则被保留下来；否则，就将被淘汰。在遗传学中认为，遗传是作为一种指令遗传码封装在每个细胞中，并以基因的形式包含在染色体中，每个基因有特殊的位置并控制某个特殊的性质。每个基因产生的个体对环境有一定的适应性。基因杂交和基因突变可能产生对环境适应性强的后代，通过优胜劣汰的自然选择，适应值高的基因结构就保存下来。遗传算法就是模仿了生物的遗传、进化原理，并引用了随机统计原理而形成的。在求解过程中，遗传算法从一个初始变量群体开始，一代一代地寻找问题的最优解，直到满足收敛判据或预先假定的迭代次数为止。 遗传算法的应用研究比理论研究更为丰富，已渗透到许多学科，并且几乎在所有的科学和工程问题中都具有应用前景。一些典型的应用领域如下： （1）复杂的非线性最优化问题。对具体多个局部极值的非线性最优化问题，传统的优化方法一般难于找到全局最优解；而遗传算法可以克服这一缺点，找到全局最优解。 （2）复杂的组合优化或整数规划问题。大多数组合优化或整数规划问题属于NP难问题，很难找到有效的求解方法；而遗传算法即特别适合解决这一类问题，能够在可以接受的计算时间内求得满意的近似最优解，如著名的旅行商问题、装箱问题等都可以用遗传算法得到满意的解。
遗传算法在图像处理中应用
课程：新技术讲座 题目：遗传算法在图像处理中的应用XX： 学号：
目录 摘要2 1.引言3 2.遗传算法的基本原理和基本性质4 3.遗传算法在图像处理中的应用6 3.1在图像增强中的应用6 3.2在图像恢复中的应用7 3.3在图像分割中的应用8 3.4在图像压缩中的应用10 3.5在图像匹配中的应用11 4.遗传算法在图像处理中的问题及发展方向12 参考文献12
遗传算法在图像处理中的应用 摘要 遗传算法是一种模拟生命进化机制，基于生物自然选择与遗传机理的随机搜索与优化方法。近几年来，遗传算法广泛应用在生物信息学、系统发生学、计算科学、工程学、经济学、化学、制造、数学、物理、药物测量学和其他领域之中，这种算法得到快速发展，尤其是在计算机科学人工智能领域中。本文将在系统并且深入的介绍遗传算法基本理论的基础上，重点综述遗传算法在数字图像处理中的主要应用，深入研究目前遗传算法在图像处理领域中存在的问题，并对这些问题作出了一些个人的见解，阐述了遗传算法在图像处理应用的发展方向。 关键词：遗传算法，数字图像处理 Abstract Genetic Algorithm is a simulation of the life evolution mechanism,random search and optimization method which is based on the natural selection and genetic mechanism.In recent years,due to the enormous potential of solving plex optimization problems and the successful applications in the industrial field,the Genetic Algorithm developed rapidly,Especially in the field of artificial intelligence in puter science.This article not only describes the basic theoretical foundation of genetic algorithms,but also focus on
遗传算法在图像处理中的应用
. . 课程：新技术讲座 题目：遗传算法在图像处理中的应用姓名： 学号：
目录 摘要 (2) 1.引言 (3) 2.遗传算法的基本原理和基本性质 (3) 3.遗传算法在图像处理中的应用 (5) 3.1在图像增强中的应用 (5) 3.2在图像恢复中的应用 (6) 3.3在图像分割中的应用 (7) 3.4在图像压缩中的应用 (8) 3.5在图像匹配中的应用 (9) 4.遗传算法在图像处理中的问题及发展方向 (10) 参考文献 (10)
遗传算法在图像处理中的应用 摘要 遗传算法是一种模拟生命进化机制，基于生物自然选择与遗传机理的随机搜索与优化方法。近几年来，遗传算法广泛应用在生物信息学、系统发生学、计算科学、工程学、经济学、化学、制造、数学、物理、药物测量学和其他领域之中，这种算法得到快速发展，尤其是在计算机科学人工智能领域中。本文将在系统并且深入的介绍遗传算法基本理论的基础上，重点综述遗传算法在数字图像处理中的主要应用，深入研究目前遗传算法在图像处理领域中存在的问题，并对这些问题作出了一些个人的见解，阐述了遗传算法在图像处理应用的发展方向。 关键词：遗传算法，数字图像处理 Abstract Genetic Algorithm is a simulation of the life evolution mechanism, random search and optimization method which is based on the natural selection and genetic mechanism.In recent years,due to the enormous potential of solving complex optimization problems and the successful applications in the industrial field,the Genetic Algorithm developed rapidly,Especially in the field of artificial intelligence in computer science.This article not only describes the basic theoretical foundation of genetic algorithms,but also focus on Genetic Algorithm in digital image processing.Moreover,it studies the problems of the Genetic Algorithm in the field of image processing and the direction of development in the future，Moreover,the author elaborates the personal opinion in the end. keyword ：Genetic Algorithm,Digital image processing
多种群遗传算法的函数优化算法
多种群遗传算法的函数优化算法 多种群遗传算法的函数优化算法2010年12月15日星期三21：30【注】原帖网址：、案例背景 针对遗传算法所存在的问题，一种多种群遗传算法结构模型(Multiple Population GA，简称MPGA)可以用来取代常规的标准计算模型(SGA)。 MPGA在SGA的基础上主要引入了以下几个概念： (1)突破SGA仅靠单个群体进行遗传进化的框架，引入多个种群同时进行优化搜索；不同的种群赋以不同的控制参数，实现不同的搜索目的。 (2)各个种群之间通过移民算子进行联系，实现多种群的协同进化；最优解的获取是多个种群协同进化的综合结果。 (3)通过人工选择算子保存各种群每个进化代中的最优个体，并作为判断算法收敛的依据。 2、案例目录： 第7章多种群遗传算法的函数优化算法 7.1理论基础 7.1.1遗传算法早熟问题 7.1.2多种群遗传算法概述 7.2案例背景 7.2.1问题描述 7.2.2解决思路及步骤 7.3 MATLAB程序实现
7.3.1移民算子 7.3.2人工选择算子 7.3.3目标函数 7.3.4标准遗传算法主函数 7.3.5多种群遗传算法主函数 7.3.6结果分析 7.4延伸阅读 7.5参考文献 3、主程序： %%多种群遗传算法 clear； clc close all NIND=40；%个体数目 NVAR=2；%变量的维数 PRECI=20；%变量的二进制位数 GGAP=0.9；%代沟 MP=10；%种群数目 FieldD=[rep(PRECI,[1,NVAR])；[-3,4.1；12.1,5.8]；rep([1；0；1；1],[1,NVAR])]；%译码矩阵 for i=1：MP Chrom{i}=crtbp(NIND,NVAR*PRECI)；%创建初始种群
多种群遗传算法的函数优化算法
多种群遗传算法的函数优化算法 1、案例背景 针对遗传算法所存在的问题，一种多种群遗传算法结构模型（Multiple Population GA，简称MPGA）可以用来取代常规的标准计算模型（SGA）。 MPGA在SGA的基础上主要引入了以下几个概念： （1）突破SGA仅靠单个群体进行遗传进化的框架，引入多个种群同时进行优化搜索；不同的种群赋以不同的控制参数，实现不同的搜索目的。 （2）各个种群之间通过移民算子进行联系，实现多种群的协同进化；最优解的获取是多个种群协同进化的综合结果。 （3）通过人工选择算子保存各种群每个进化代中的最优个体，并作为判断算法收敛的依据。 图 7-1 MPGA的算法结构示意图 复杂二元函数求最值：
图 7-2 二元函数图像 2、案例目录： 第7章多种群遗传算法的函数优化算法7.1 理论基础 7.1.1遗传算法早熟问题 7.1.2多种群遗传算法概述 7.2案例背景 7.2.1问题描述 7.2.2解决思路及步骤 7.3 MATLAB程序实现 7.3.1移民算子 7.3.2人工选择算子 7.3.3目标函数 7.3.4标准遗传算法主函数 7.3.5多种群遗传算法主函数 7.3.6结果分析 7.4延伸阅读 7.5 参考文献 3、主程序： %% 多种群遗传算法 clear; clc close all NIND=40; %个体数目
NVAR=2; %变量的维数 PRECI=20; %变量的二进制位数 GGAP=0.9; %代沟 MP=10; %种群数目 FieldD=[rep(PRECI,[1,NVAR]);[-3,4.1;12.1,5.8];rep([1;0;1;1],[1,NVAR])]; %译码矩阵 for i=1:MP Chrom{i}=crtbp(NIND, NVAR*PRECI); %创建初始种群 end pc=0.7+(0.9-0.7)*rand(MP,1); %在【0.7,0.9】范围i内随机产生交叉概率 pm=0.001+(0.05-0.001)*rand(MP,1); %在【0.001,0.05】范围内随机产生变异概率 gen=0; %初始遗传代数 gen0=0; %初始保持代数 MAXGEN=10; %最优个体最少保持代数 maxY=0; %最优值 for i=1:MP ObjV{i}=ObjectFunction(bs2rv(Chrom{i}, FieldD));%计算各初始种群个体的目标函数值 end MaxObjV=zeros(MP,1); %记录精华种群 MaxChrom=zeros(MP,PRECI*NVAR); %记录精华种群的编码 while gen0<=MAXGEN gen=gen+1; %遗传代数加1 for i=1:MP FitnV{i}=ranking(-ObjV{i}); % 各种群的适应度 SelCh{i}=select('sus', Chrom{i}, FitnV{i},GGAP); % 选择操作 SelCh{i}=recombin('xovsp',SelCh{i}, pc(i)); % 交叉操作 SelCh{i}=mut(SelCh{i},pm(i)); % 变异操作 ObjVSel=ObjectFunction(bs2rv(SelCh{i}, FieldD)); % 计算子代目标函数值 [Chrom{i},ObjV{i}]=reins(Chrom{i},SelCh{i},1,1,ObjV{i},ObjVSel); %重插入操作 end [Chrom,ObjV]=immigrant(Chrom,ObjV); % 移民操作 [MaxObjV,MaxChrom]=EliteInduvidual(Chrom,ObjV,MaxObjV,MaxChrom); % 人工选择精华种群YY(gen)=max(MaxObjV); %找出精华种群中最优的个体 if YY(gen)>maxY %判断当前优化值是否与前一次优化值相同 maxY=YY(gen); %更新最优值 gen0=0; else gen0=gen0+1; %最优值保持次数加1 end end %% 进化过程图 plot(1:gen,YY) xlabel('进化代数') ylabel('最优解变化') title('进化过程')
比较专家系统、模糊方法、遗传算法、神经网络、蚁群算法的特点及其适合解决的实际问题
比较专家系统、模糊方法、遗传算法、神经网络、蚁群算法的特点及其适合解决的实际问题 一、专家系统(Expert System) 1，什么是专家系统？ 在日常生活中大家所认知的“专家”一般都拥有某一特定领域的大量专业知识，以及丰富的实际经验。在解决问题时，专家们通常拥有一套独特的思维方式，能较圆满地解决一类困难问题，或向用户提出一些建设性的建议等。 专家系统一般定义为一个具有智能特点的计算机程序。 它的智能化主要表现为能够在特定的领域内模仿人类专家思维来求解复杂问题。因此，专家系统必须包含领域专家的大量知识，拥有类似人类专家思维的推理能力，并能用这些知识来解决实际问题。 专家系统的基本结构如图1所示，其中箭头方向为数据流动的方向。 图1 专家系统的基本组成 专家系统通常由知识库和推理机两个主要组成要素。 知识库存放着作为专家经验的判断性知识,例如表达建议、 推断、 命令、 策略的产生式规则等, 用于某种结论的推理、 问题的求解,以及对于推理、 求解知识的各种控制知识。 知识库中还包括另一类叙述性知识, 也称作数据,用于说明问题的状态,有关的事实和概念,当前的条件以及常识等。
专家系统的问题求解过程是通过知识库中的知识来模拟专家的思维方式的，因此，知识库是专家系统质量是否优越的关键所在，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。一般来说，专家系统中的知识库与专家系统程序是相互独立的，用户可以通过改变、完善知识库中的知识内容来提高专家系统的性能。 推理机实际上是一个运用知识库中提供的两类知识,基于木某种通用的问题求解模型,进行自动推理、 求解问题的计算机软件系统。 它包括一个解释程序, 用于决定如何使用判断性知识推导新的知识, 还包括一个调度程序, 用于决定判断性知识的使用次序。 推理机的具体构造取决于问题领域的特点,及专家系统中知识表示和组织的方法。 推理机针对当前问题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得新的结论，以得到问题求解结果。在这里，推理方式可以有正向和反向推理两种。正向推理是从前件匹配到结论，反向推理则先假设一个结论成立，看它的条件有没有得到满足。由此可见，推理机就如同专家解决问题的思维方式，知识库就是通过推理机来实现其价值的。 人机界面是系统与用户进行交流时的界面。通过该界面，用户输入基本信息、回答系统提出的相关问题，并输出推理结果及相关的解释等。 综合数据库专门用于存储推理过程中所需的原始数据、中间结果和最终结论，往往是作为暂时的存储区。解释器能够根据用户的提问，对结论、求解过程做出说明，因而使专家系统更具有人情味。 知识获取是专家系统知识库是否优越的关键，也是专家系统设计的“瓶颈”问题，通过知识获取，可以扩充和修改知识库中的内容，也可以实现自动学习功能。 2，专家系统的特点 在功能上, 专家系统是一种知识信息处理系统, 而不是数值信息计算系统。在结构上, 专家系统的两个主要组成部分 – 知识库和推理机是独立构造、分离组织, 但又相互作用的。在性能上, 专家系统具有启发性, 它能够运用专家的经验知识对不确定的或不精确的问题进行启发式推理, 运用排除多余步骤或减少不必要计算的思维捷径和策略；专家系统具有透明性, 它能够向用户显示为得出某一结论而形成的推理链, 运用有关推理的知识(元知识)检查导出结论的精度、一致性和合理性, 甚至提出一些证据来解释或证明它的推理；专家系统具有灵活性, 它能够通过知识库的扩充和更新提高求解专门问题的水平或适应环境对象的某些变化,通过与系统用户的交互使自身的性能得到评价和监护。 3，专家系统适合解决的实际问题 专家系统是人工智能的一个应用，但由于其重要性及相关应用系统之迅速发展，它已是信息系统的一种特定类型。专家系统一词系由以知识为基础的专家系统(knowledge-based expert system)而来，此种系统应用计算机中储存的人类知识，解决一般需要用到专家才能处理的问题，它能模仿人类专家解决特定问题时的推理过程，因而可供非专家们用来增进问题解决的能力，同时专家们也可把它视为具备专业知识的助理。由于在人类社会中，专家资源确实相当稀少，有了专家系统，则可使此珍贵的专家知识获得普遍的应用。 专家系统技术广泛应用在工程、科学、医药、军事、商业等方面，而且成果相当丰硕，甚至在某些应用领域，还超过人类专家的智能与判断。其功能应用领
遗传算法和蚁群算法的比较
全局优化报告——遗传算法和蚁群算法的比较 姓名：玄玄 学号：3112054023 班级：硕2041
1遗传算法 1.1遗传算法的发展历史 遗传算法是一种模拟自然选择和遗传机制的寻优方法。20世纪60年代初期，Holland教授开始认识到生物的自然遗传现象与人工自适应系统行为的相似性。他认为不仅要研究自适应系统自身，也要研究与之相关的环境。因此，他提出在研究和设计人工自适应系统时，可以借鉴生物自然遗传的基本原理，模仿生物自然遗传的基本方法。1967年，他的学生Bagley在博士论文中首次提出了“遗传算法”一词。到70年代初，Holland教授提出了“模式定理”，一般认为是遗传算法的基本定理，从而奠定了遗传算法的基本理论。1975年，Holland出版了著名的《自然系统和人工系统的自适应性》，这是第一本系统论述遗传算法的专著。因此，也有人把1975年作为遗传算法的诞生年。 1985年，在美国召开了第一届两年一次的遗传算法国际会议，并且成立了国际遗传算法协会。1989年，Holland的学生Goldberg 出版了《搜索、优化和机器学习中的遗传算法》，总结了遗传算法研究的主要成果，对遗传算法作了全面而系统的论述。一般认为，这个
时期的遗传算法从古典时期发展了现代阶段，这本书则奠定了现代遗传算法的基础。 遗传算法是建立在达尔文的生物进化论和孟德尔的遗传学说基础上的算法。在进化论中，每一个物种在不断发展的过程中都是越来越适应环境，物种每个个体的基本特征被后代所继承，但后代又不完全同于父代，这些新的变化，若适应环境，则被保留下来；否则，就将被淘汰。在遗传学中认为，遗传是作为一种指令遗传码封装在每个细胞中，并以基因的形式包含在染色体中，每个基因有特殊的位置并控制某个特殊的性质。每个基因产生的个体对环境有一定的适应性。基因杂交和基因突变可能产生对环境适应性强的后代，通过优胜劣汰的自然选择，适应值高的基因结构就保存下来。遗传算法就是模仿了生物的遗传、进化原理，并引用了随机统计原理而形成的。在求解过程中，遗传算法从一个初始变量群体开始，一代一代地寻找问题的最优解，直到满足收敛判据或预先假定的迭代次数为止。 遗传算法的应用研究比理论研究更为丰富，已渗透到许多学科，并且几乎在所有的科学和工程问题中都具有应用前景。一些典型的应用领域如下： （1）复杂的非线性最优化问题。对具体多个局部极值的非线性最优化问题，传统的优化方法一般难于找到全局最优解；而遗传算法可以克服这一缺点，找到全局最优解。 （2）复杂的组合优化或整数规划问题。大多数组合优化或整数规划问题属于NP难问题，很难找到有效的求解方法；而遗传算法即特别
遗传算法及蚂蚁算法作业
（1）用遗传算法来做： 第一步：确定决策变量及其约束条件 s.t. -5<=x<=5 第二步：建立优化模型 第三步：确定编码方法，用长度为50位的二进制编码串来表示决策 变量x 第四步：确定解码方法 第五步：确定个体评价方法 个体的适应度取为每次迭代的最小值的绝对值加上目标函数值，即 第六步：确定参数 本题种群规模n=30,迭代次数ger=200,交叉概率pc=0.65,变异概率 pm=0.05 代码： clear all; close all; clc; tic; n=30; ger=200; pc=0.65; pm=0.05; % 生成初始种群
v=init_population(n,50); [N,L]=size(v); disp(sprintf('Number of generations:%d',ger)); disp(sprintf('Population size:%d',N)); disp(sprintf('Crossover probability:%.3f',pc)); disp(sprintf('Mutation probability:%.3f',pm)); % 待优化问题 xmin=-5; xmax=5; ymin=-5; ymax=5; f='-(2-exp(-(x.^2+y.^2)))'; [x,y]=meshgrid(xmin:0.1:xmax,ymin:0.1:ymax); vxp=x; vyp=y; vzp=eval(f); figure(1); mesh(vxp,vyp,-vzp); hold on; grid on; % 计算适应度，并画出初始种群图形x=decode(v(:,1:25),xmin,xmax);
遗传算法在数字图像处理中的应用
遗传算法在数字图像中的应用 摘要：遗传算法是一种基于生物自然选择与遗传机理的随机搜索与优化方法。本文将在系统介绍遗传算法的基本理论基础上，重点综述其在数字图像处理领域的主要应用，探讨目前遗传算法在图像处理领域中存在的问题及其在今后的发展方向。 关键词：遗传算法，数字图像处理 Abstract：Genetic algorithm is a random search and optimization method based on natural selection and genetic mechanism of the living beings。This paper discusses and surveys the status and advances in Genetic algorithm research，the basic algorithms，theory，implementation techniques of GA are outlined first ，then many applications of Genetic algorithm in image processing field are reviewed，at lastseveral key problems in this field are discussed as well as their development in the future。 Keywords:genetic algorithm，digital image processing
1 引言：遗传算法(genetic algorithm，GA)是一种自适应启发式群体型概率性迭代式的全局收敛搜索算法，其基本思想来源于生物进化论和群体遗传学，体现了适者生存、优胜劣汰的进化原则。使用遗传算法求解科学研究工作和工程技术中各种组合搜索和优化计算问题这一基本思想早在20世纪60年代初期就由美国Michigan大学的Holland教授提出，其数学框架也于20世纪60年代中期形成。由于GA的整体搜索策略和优化计算不依赖于梯度信息，所以它的应用范围非常广泛，尤其适合于处理传统方法难以解决的高度复杂的非线性问题。它在自适应控制、组合优化、模式识别、机器学习、规划策略、信息处理和人工生命等领域的应用中越来越展示出优越性。 图像处理是计算机视觉中的一个重要研究领域，在图像处理过程中，如扫描、特征提取、图像分割等不可避免地会存在一些误差，从而影响图像的效果。如何使这些误差最小是使计算机视觉达到实用化的重要要求，GA在这些图像处理中的优化计算方面找到了用武之地，目前已在图像分割、图像恢复、图像重建、图像检索和图像匹配等方面得到了广泛的应用。 本文将从遗传算法的理论和技术两方面描述遗传算法的主要特点、基本原理以及各种改进算法，介绍了遗传算法在数字图像处理领域中的应用。 2 遗传算法的基本原理 遗传算法是建立在自然选择和群体遗传学机理基础上的随机迭代和进化，具有广泛适用性的搜索方法，具有很强的全局优化搜索能力。它模拟了自然选择和自然遗传过程中发生的繁殖、交配和变异现象，根据适者生存、优胜劣汰的自然法则，利用遗传算子(选择、交叉和变异)逐代产生优选个体(即候选解)，最终搜索到较优的个体。经典遗传算法的计算流程如图1 所示。从图中可以看出，遗传算法是一种种群型操作，该操作以种群中的所有个体为对象。具体求解步骤如下： 1) 参数编码：遗传算法一般不直接处理问题空间的参数而是将待优化的参数集进行 编码，一般总是用二进制将参数集编码成由0 或 1 组成的有限长度的字符串。 2) 初始种群的生成：随机地产生n 个个体组成一个群体，该群体代表一些可能解的集合。GA 的任务是从这些群体出发，模拟进化过程进行择优汰劣，最后得出优秀的群体和 个体，满足优化的要求。 3) 适应度函数的设计：遗传算法在运行中基本上不需要外部信息，只需依据适应