图像分割中阴影去除算法的研究
shadow参数-概述说明以及解释

shadow参数-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述在计算机图形学中,shadow参数是一种用于模拟光线与物体之间交互的参数。
通过设置shadow参数,我们可以实现阴影的效果,使得场景显得更加逼真和真实。
在计算机渲染的过程中,光线与物体相互作用是非常重要的。
通过模拟光线射入物体并与物体表面反射的过程,我们可以实现光照效果的渲染。
然而,仅仅考虑光线的投射和反射远远不够,阴影的存在使得场景的渲染更加有层次感和真实感。
在现实世界中,当物体遮挡光源时,我们会看到一个阴影的投射。
同样,在计算机图形学中,我们可以通过设置shadow参数来模拟这种效果。
shadow参数可以在光线的计算中加入阴影的考虑,使得被遮挡的部分呈现出暗影的效果。
通过设置shadow参数,我们可以实现不同类型的阴影效果,例如平行光、点光源和聚光灯等。
不同的光源类型和参数设置会产生不同的阴影效果,从而使得场景的渲染更加精细和真实。
总而言之,shadow参数在计算机图形学中起着至关重要的作用。
通过设置shadow参数,我们可以实现阴影的效果,增加场景的真实感和层次感。
在光线的计算中考虑阴影的因素,使得场景的渲染更加细致和逼真。
下面将会详细介绍shadow参数的具体设置和应用。
1.2文章结构文章结构部分的内容应该对整篇文章的组织和布局进行介绍。
在撰写文章结构部分时,我们可以考虑以下内容:文章结构的目的是为了确保文章有清晰的逻辑顺序和易于阅读的结构。
通过合理的结构安排,读者可以更好地理解文章的内容并跟随作者的思路。
首先,我们可以介绍文章的整体布局。
这包括文章的引言、正文和结论部分。
引言部分通常用于引入文章的主题,并提供背景信息。
正文部分则是文章的主体,包含了详细的论述和分析。
结论部分则是对文章内容进行总结和归纳,并提出作者的观点。
其次,我们可以说明每个部分的作用和主要内容。
引言部分的作用是吸引读者的注意并引入文章的主题。
在引言部分,我们可以概述文中要介绍的内容,并提出问题或观点,激发读者的兴趣。
一种基于骨架的彩色图像分割方法

KEYW ORDS:ma e s g n ai n; h d w; k ltn I g e me tt o S a o S eeo
sg et i f a rl cn , doti astfc r g et i slcni et i u a ’ betevsa e n t no n t a se e a ban iat ysm na o r ut os t t h m n S u jcv i l m ao u n as o e tn e sn w h s i u
d n h a g trg o s i h d w a e )a o n h i a e e t t n r s l a e me g d i r t e y i t ig rr - i gt e t e in n a s a o r a r u d t e i t s g n ai e u t r e t ai l n o ab g e e r e n i l m o r e v
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g o c o dn h k l tn mo e fte t r e n e efa w r fh p te i a d v r c t n h x e i n i n a c r i g t te s e eo d lo a g t d rt r me o k o y o ss n e f ai .T ee p rme - o h u h h i i o t e ut h w t a h t o f c ie t a a t l n t e i u n e o l mi ai n v r t n o ei g l a r s l s o t e meh d i e e t .I c n p rl ei ae t n e c f l s h t s v y mi h f l i u n t ai i n t ma e o ao h
基于HSI和LAB颜色空间的彩色图像分割

基于HSI和LAB颜色空间的彩色图像分割一、本文概述随着科技的发展,图像处理技术在众多领域中的应用日益广泛,如医疗影像分析、卫星遥感、机器视觉等。
在这些应用中,彩色图像分割作为图像处理的核心技术之一,其重要性不言而喻。
彩色图像分割旨在将图像中的像素划分为若干个具有相似特性的区域,从而便于后续的图像分析和理解。
本文主要探讨基于HSI(Hue, Saturation, Intensity)和LAB (Lightness, a, b)颜色空间的彩色图像分割方法。
HSI颜色空间更接近人类视觉感知,能够较好地反映颜色的本质特征,而LAB颜色空间则具有感知均匀性,能够更好地适应不同光照条件下的图像分割。
本文首先介绍HSI和LAB颜色空间的基本原理及其在彩色图像分割中的应用优势。
接着,详细阐述基于这两种颜色空间的彩色图像分割算法,包括预处理、特征提取、分割策略等关键步骤。
通过实验验证所提方法的有效性和准确性,并与现有方法进行比较分析,以展示其在彩色图像分割领域的应用潜力。
二、相关技术研究综述彩色图像分割是计算机视觉领域的一个重要任务,旨在将图像划分为多个具有相似性质的区域。
这一过程的实现依赖于颜色空间的选择和相应的分割算法。
在众多颜色空间中,HSI(色调、饱和度、强度)和LAB(亮度、a通道、b通道)因其与人类视觉感知的紧密关联而受到广泛关注。
HSI颜色空间以人类视觉系统对颜色的感知为基础,其中色调(Hue)描述了颜色的基本属性,如红色、绿色或蓝色饱和度(Saturation)表示颜色的纯度或鲜艳程度强度(Intensity)则与颜色的亮度或明暗程度相关。
这种颜色空间对于颜色分割特别有用,因为它与人类对颜色的直观感知更为接近。
LAB颜色空间则是一种基于人眼对颜色亮度和色差的感知而设计的颜色模型。
L通道表示亮度信息,而a和b通道则分别表示绿色到红色以及蓝色到黄色的色差。
LAB颜色空间的一个显著优点是它的色域比RGB更广,且其亮度通道与色度通道是分离的,这有助于在分割过程中保持颜色的一致性。
B超医学图像分割技术的研究

收稿日期:2003-07-02 基金项目:河南省科技攻关项目(0124140137) 作者简介:苗凤君(1970-),女,河南郑州人,硕士,讲师. 第15卷第2期中原工学院学报V ol.15 N o.22004年4月JOURNA L OF ZH ONG YUAN INSTITUTE OF TECHN OLOG Y Apr.,2004 文章编号:1671-6906(2004)02-0004-05B 超医学图像分割技术的研究苗凤君(中原工学院计算机科学系,河南郑州 450007)摘 要: 图像分割是图像处理过程中一个关键的环节.本文探讨了对B 超图像的分割技术,对目前文献中常用的B 超图像的分割算法———阈值分割法、结合特定理论工具的方法进行了分析和研究,总结了使用活动轮廊模型进行B 超图像轮廓提取的关键技术,同时,联合使用动态阈值分割及最优阈值分割法,实现了对B 超图像的二值处理.关 键 词: 图像分割;活动轮廓模型;二值化中图分类号: F297.23文献标识码: A 对各种结构的分割是临床决策的常规做法.举例来说,测量胎儿的生长要对胎儿头部、腹部及大腿骨进行测量,这是依赖于图像的分割来完成的;被广泛使用的前列腺检波超声图像的分割用来为诊断和治疗癌症而确定病灶大小和病人特定三维解剖模型;评价心脏的各种功能需要分割心脏的边缘等等[1].人工分割超声图像既繁琐又易受不同临床医生对相同图像的不同解释的影响,而计算机辅助分割超声图像却使得:①对同一图像的解释受不同临床医生影响的可能性减小;②同传统方法相比,精确度有所提高;③同手工方法相比,决策的速度提高.图像分割是由图像处理到图像分析的关键步骤,它在大量的生物医学图像的应用中起着至关重要的作用[2].1 图像分割技术简介利用图像特征把图像分解成一系列有意义的目标或区域的过程称为图像的分割.图像的特征指图像场中可用作标志的属性,它可分为图像的统计特征和视觉特征两类.图像的统计特征是指一些人为定义的特征,通过变换才能得到,如图像的直方图、矩、频谱等;图像的视觉特征是指人的视觉可直接感受到的自然特征,如区域的亮度、纹理或轮廓等.图像分割可以采用三种不同的原理来实现:①利用区域的方法把各像素划归到各个物体或区域中;②利用边界的方法需确定存在于区域间的边界;③利用边缘的方法先确定边缘像素并把它们连接在一起以构成所需的边界[3].2 生物医学图像分割方法医学图像是反映人体生物组织的复杂图像,信息量大,而且缺少可供使用的能够刻画生物组织的数学模型,对这种图像进行分割处理,欲得到满意的结果仅仅依靠常规方法是难以奏效的.医学图像分割方法的选择,在很大程度上依赖于特定的图像、成像方式以及其它因素.比如:对脑组织分割的要求就不同于对肝脏的要求,MR 图像有异于超声图像.更进一步的情况,成像中的人为和不可抗拒的天然因素(例如噪声和物体的运动等)也会在很大程度上影响后继的分割.所以,至今没有一种适用于任何医学图像的通用的分割技术,也不存在判断分割是否有效的客观标准.总结现今国内外广泛使用的生物医学图像分割方法,大致可分为4类:阈值法、区域生长法、结合特定理论工具的方法和其它方法,下面着重介绍本文用到的两种方法.2.1 阈值法———动态阈值分割及最优阈值分割的联合使用取阈值是最常见的、并行的直接检测区域的分割方法.阈值分割技术对于分割前景和背景对比鲜明的图像以及对象区域与周围对象或背景具有显著不同的灰度级的图像,其计算简单,可以获得封闭连接边界的区域[4].2.1.1 阈值法原理在利用取阈值法来分割灰度图像时,一般都对图像有一定的假设,最常用的模型可描述如下:假设图像由具有单峰灰度分布的目标和背景组成,在目标或背景内部的相邻像素间的灰度值是高度相关的,但在目标和背景交界处两边的像素在灰度值上有很大的差别.如果一幅图像满足这些条件,它的灰度直方图基本上可看作是由分别对应目标和背景的2个单峰直方图混合而成.此时,如果这2个分布大小(数量)接近且均值相距足够远,而且均方差也足够小,则直方图应是双峰的.对这类图像常可用取阈值方法来较好地分割.只用1个阈值分割图像称为单阈值法,如果用多个阈值分割图像称为多阈值法.不管用何种方法选取阈值,取单阈值分割后的图像可定义为:g(x,y)=1如f(x,y)>T0如f(x,y)<T(1)2.1.2 动态阈值分割及最优阈值分割的联合使用一般医学图像对比度差,图像的目标和背景的灰度相差较小,灰度直方图没有明显的双峰.对于这样的图像,如果采用全局阈值法,通过双峰的谷底来确定阈值的很多阈值选择方法效果不佳,如笔者曾采用的直接采用直方图变换或简单使用最优阈值等方法效果均不理想,而采用局部阈值技术,能较好地利用图像的局部信息,在每个局部找到最优阈值,从而较好地对医学图像进行分割.下面介绍在本文中运用的图像分割方法:动态阈值与最优阈值联合使用的医学图像分割技术.(1)最优阈值分割技术这种阈值分割方法的基本思想是找到一个门限阈值,使按这个阈值划分目标和背景的错误分割概率为最小,这是一种基于统计方法的寻求最优阈值的分割方法.设一幅图像由目标和背景两部分组成,其灰度分布概率密度函数分别为p1(x)和p2(x),如果已知目标和背景像素出现的先验概率分别为P1和P2,则该图像总的概率密度函数为:p(x)=P1p1(x)+P2p2(x)(2) 由于假设图像只由目标和背景组成,所以应有P1 +P2=1.设选定灰度阈值为T,即认为凡是x<T的像素均归为背景,而x>T的像素归为目标(假设暗的背景上有亮的目标物),对于x=T的像素属于哪一类可以做一个约定(如图1所示):图1 图像灰度分布概率密度函数则把目标像素错化为背景像素的概率为:E1(T)=∫T-∞p2(x)d x(3) 把背景像素错划为目标像素的概率为:E2(T)=∫∞T p1(x)d x(4) 因此总的错误概率为:E(T)=P2E1(T)+P1E2(T)(5) 最优阈值就是当E(T)为最小的阈值T.为了求E(T)的最小值,对上式求导,并令导数为0,即5E(T)5T=0(6) 解得P1p1(T)+P2p2(T),因此,满足该式的T是错误概率为最小的最优阈值.若p1(x)和p2(x)满足正态分布,且背景与物体的两类像素灰度值的方差相等,而两类像素的先验概率相等,则可以求出单一阈值T:T=μ1+μ22(7)其中μ1和μ2分别为目标与背景像素灰度级的平均值.在实际应用的过程中,可以使用迭代法求图像最优分割阈值,即不断求得新阈值,当此次求得的新阈值与上次迭代求得的阈值相等时迭代结束,从而求得最优分割阈值.(2)动态阈值分割技术・5・ 第2期 苗凤君:B超医学图像分割技术的研究 当图像中有不同的阴影(例如由于照度影响),或各处的对比度不同时,如果只用一个固定的全局阈值对整幅图像进行分割,则由于不能兼顾图像各处的情况而使分割效果受到影响.解决的办法是用与阈值相关的一系列阈值来对图像进行分割,这种与坐标相关的阈值叫动态阈值法,或称变化阈值法.它的基本思想是:首先将图像分成一系列子图像,这些子图像可以互相重叠也可以只相邻,如果子图像比较小,则由阴影或对比度的空间变化带来的问题就会比较小,然后对每个子图像计算1个阈值,此时阈值可用任一种固定阈值法(如最优阈值法)来选取.通过对这些子图像所得阈值的插值就可得到对图像中每个像素进行分割所需的阈值.分割就是将每个像素和与之对应的阈值相比较而实现的,对这一过程可用下式来表示[4]:T =F[(m ,n ),f (m ,n ),s (m ,n )](8)其中阈值T 是关于像素(m ,n )、像素的灰度值f (m ,n )以及像素(m ,n )邻域的局部性质s (m ,n )[例如,(m ,n )的邻域的平均灰度值]的函数 F.本文中利用该方法的思想将B 超图像分割成几个子块,对每个子块采用最优阈值法确定相应阈值,实验结果表明,这种基于局部特性的动态阈值法对B 超图像的分割效果较为理想.2.2 结合特定理论工具的方法———活动轮廓模型法结合特定理论工具的方法中比较典型的有:模式识别法(分类器法,聚类法);人工神经网络法;活动轮廓模型法.活动轮廓模型法(Active C ontour M odel )又称可变模型法,是一种基于模型的、使用闭合参数曲线或曲面描绘边界的分割方法.因为曲线或曲面的移动类似于蛇,所以这个模型又叫做Snake 模型.活动轮廓模型在几何上可以被描述为一个二维空间图像平面(x ,y )上的一条参数化曲线:r (s )=(x (s ),y (s )) s ∈[0,1](9)其中,曲线上的每一点r (s )称为蛇点,每个蛇点用它在图像中的坐标(x ,y )来表示,把这些蛇点用直线或曲线连接起来即构成了整个轮廓.这样,整个轮廓就可以只用这些蛇点来表示,而活动轮廓的变形也就可以通过蛇点的运动来完成.活动轮廓模型实质上是一个能量最小化模型,其变形过程就是活动轮廓在外部能量(模拟外力)和内部能量(内力)的作用下向物体边缘靠近的过程,外力推动活动轮廓向着物体边缘运动,而内力则保持活动轮廓的光滑性和拓扑性,当蛇点到达平衡位置时(此时对应于能量最小),活动轮廓就会收敛到所要检测物体的边缘.活动轮廓的能量定义为E ,实际使用中,一般将E 取为如下形式:E =E int +E ext (10)其中,E int 为内部能量,影响曲线的形状;E ext 为外部势能,其大小取决于原图像的某些性质,如灰度、梯度等,另外,还可以根据需要加入一些外力的约束.活动轮廓模型的能量函数完全定义了它的形变行为,物理上,一个活动轮廓模型的能量函数可以看成是施加在它上面的所有不同力的作用.内部能量用于保持轮廓的平滑性,而外部能量则用来将轮廓吸引到真实的轮廓边缘.最常用的内部能量方程为:E int =∫l 0(α|5r 5s |2+β|52r 5s2|2)d s (11)其中:α和β分别为控制曲线的弹性系数和刚性系数的权值参数,两个参数共同控制曲线的变化行为,实际应用中,α和β通常都设定为常数.外部势能一般定义为如下形式:E ext =∫lγp (r (s ))d s (12)其中:P (x ,y )是图像平面上定义的标量势能函数,它的局部最小值将吸引蛇点.从一个初始的位置开始,“蛇”在内力和外力联合的影响下不断的移动.在实际的应用中,“蛇”被分离成逐段的线性线段,在每个像素点“力”都被计算.“蛇”的运动使用梯度下降法或拉格朗日动力学法进行计算.在各种力的作用下,模型不断发生演变,当所有的作用力达到一种平衡状态时,演变过程停止.活动轮廓模型经证明对于医学图像的分割非常成功,轮廓逼近的算法可描述如下[5]:按式(11)计算初始轮廓的内部能量按式(12)计算初始轮廓的外部能量while 不满足中止条件do for 每个蛇点do 利用梯度下降法或拉格朗日动力学法计算蛇点的新位置 按式(11)计算初始轮廓的内部能量 按式(12)计算初始轮廓的外部能量end・6・ 中原工学院学报 2004年 第15卷 3 用活动轮廓模型方法分割B 超医学图像 在对B 超图像的分割算法中,目前绝大多数采用基于活动轮廓模型(或称可变模型)的各种改进方法[6,7].由M.K ass 等人在1998年首次提出的活动轮廓模型,是一种有效的区域分割、边缘跟踪方法,它把图像中感兴趣的物体轮廓看作一条连续的、封闭的或开放的链条结构,并设计了一类能量函数,通过求取能量的最小值,来获得最优轮廓.该模型将几何学、物理学、近似理论等结合在一起,已成为一种重要的图像分析手段.尽管针对不同的人体器官所采用的分割细节不同,但利用活动模型求取各类器官的轮廓的方法,总结起来却大体相同,一般都包括以下几个步骤:(1)预处理.预处理的主要工作集中在对超声图像斑点噪声的抑制上.对于斑点噪声的抑制目前一般采用自适应加权中值滤波、小波域内细节抛弃等方法[5,8];(2)初始轮廓的提取.对于初始轮廓图的获取,针对不同的器官使用不同的方法,对于某些器官的部位如心腔、胃窦的初始轮廓可以采用自动的方法来获取,而有些器官部位如膝盖的胫骨的初始轮廓却无法采用自动的方法获得,对于这些无法自动获得初始轮廓的部位的通常的做法是人工在真实边缘附近选择若干点,然后用直线或曲线将这些点连接起来,以此作为初始轮廓.自动获取器官某一部位的初始轮廓的步骤归纳起来大概有以下几步:①二值化.因B 超图像整体一般分为两类对象物:器官组织和背景,因此可通过二值化处理等阈值分割方法将原始图像分为器官与背景两部分.B 超图像质量较差,无法得到有明显双峰的直方图,一般的全局阈值方法很难得到满意的阈值,本文采用动态阈值加最优阈值的方法:即先将B 超图像划分为几个子图像,对每个子图像内部采用最优阈值法求取阈值,如果子图像的数目取得比较恰当,会取得很好的效果,我们采用此动态阈值方法实现了对B 超图像的二值化,与理论上能行得通的直方图变换法相比,该方法取得了更令人满意的效果.进行二值化处理后,如果目标物已形成封闭区域,便可直接使用轮廓跟踪技术来分割目标物,获得初始轮廓,否则,就需要进入下一步处理;②封闭性处理.对原始图像进行二值化处理后,有一部分图像的目标并未封闭,可进行目标封闭处理,通常采用数学形态学的开运算处理或利用像素梯度的幅度和方向进行边界闭合的方法.这里使用形态学变换的目的是使目标轮廓断裂的部分连接起来,因而要采用开运算:先对二值图像进行腐蚀,使得器官轮廓有缩小的趋势,可以使轮廓封闭,然后进行膨胀操作,以尽量使其恢复到原始的轮廓;(3)活动轮廓模型逼近.在这一步,对上述得到的初始轮廓使用活动轮廓模型曲线进行逼近.利用超声图像的器官边缘信息,可定义外部势能ρ(ri )定义为:ρ(r i )=-|Edge (denoise (I (x i ,y i )))|(13) 即先对超声图像进行去噪处理,然后用边缘检测算子来提取边缘,方法可利用我们前面介绍的任何两种相组合.图2是按照上面步骤进行的心腔轮廓的自动提取的效果图:图2 基于活动轮廓模型的超声心脏轮廓自动提取实验图・7・ 第2期 苗凤君:B 超医学图像分割技术的研究 4 实验结果分析在上述的应用中,预处理采用自适应加权中值滤波(AW MF )方法来去除斑点噪声;二值化采用基于最优阈值的动态阈值二值化方法;滤除噪声孔采用对目标进行开启操作,结构元素取3×3的全“1”阵;初始边缘提取使用K irsch 算子;轮廓逼近采用活动轮廓模型方法对初始轮廓进行优化,其中内部能量按公式(11)计算,外部能量ρ(r i )定义为:ρ(r i )=-|S obel (AW MF(I (x i ,y i )))|,即先对图像进行自适应中值滤波,然后用S obel 算子来提取边缘信息,曲线的弹性系数α=0.1,刚性系数β=0.1,迭代次数为100次,完成最终的轮廓优化.采用这种方法进行B 超图像的分割,针对不同的器官要人工获得不同的初始轮廓,此类算法不具备通用性,但针对某一具体问题处理的步骤却基本相似,寻找一种能自动提取初始轮廓的方法仍然是这一领域需要解决的问题.参考文献:[1] 赵树魁,李德玉,汪天富,等.超声医学图像滤波算法研究发展[J ].生物医学工程杂志,2001,18(1):145-148.[2] 庄天戈.计算机在生物医学中的应用[M].北京:科学出版社,1998.[3] 章毓晋.图像处理和分析[M].北京:清华大学出版社,2000.[4] 谷口庆治.数字图像处理基础篇[M].北京:科学出版社共立出版,2002.[5] Loupas T ,Mcdicken W N ,Allan P L.An Adaptive Weighted Median Filter for S peckle Suppression in Medical Ultras onic Images[J ].IEEET rans.on Circuits Syst ,1989,36(1):129-135.[6] 廖志宁,张 艳,伍晓平,等.一种对胃窦B 超图像进行自动分割的方法[J ].计算机技术与自动化,2000,19(1):31-35.[7] 何爱军,汪天富,郑昌琼,等.基于活动轮廓模型的超声心脏图像轮廓的自动检测[J ].生物医学工程杂志,2001,18(2):242-246.[8] 郝晓辉,高上凯,高小榕.一种新的超声图像斑点噪声抑制方法[J ].中国生物医学工程学报,2001,20(6):494-501.R esearch of the Im age Segmentation T echnology of B 2scan Medical Im agesMI AO Feng 2jun(Zhongyuan Institute of T echnology ,Zhengzhou 450007,China ) Abstract : Image segmentation is a crucial step in image processing field.In this paper the image segmentation technol 2ogy in B 2scan medical images field is discussed detailedly ,including threshoiding and combing special tool segmentation ,and s ome alg orithm being used frequently is researched and analyzed at the same time.The paper sums up s ome im portant tech 2niques about B 2scan medical image contour extracting with active contour m odel.It als o realizes the threshold processing of B 2scan medical image using the combination of dynamic threshold and threshold optimization.K ey w ords : image segmentation ;active contour m odel ;thresholding・8・ 中原工学院学报 2004年 第15卷 。
基于BP神经网络的苹果图像分割算法

图像 。光 照情 况可 分 为 4种 : 向光 ; 背 光 ; 果 实 ① ② ③
在阴影中; 阴天 。由于光照情况的差异 , ④ 所采集 图 像 的质量肯定有所不 同, 这将直接影响下一 步图像处
理 的结 果 。 因此 , 择一 种 能 够适 应 所 有光 照 条 件 的 选
机器视 觉 系统工 作 的关 键 环 节 是 图像 处 理 , 要 而
0 引 言
苹果 采摘 机 器 人 两 个 主要 任 务 : 别 和 定 位 , 识 并 且无 损 的采摘 到果 实 。第 一个 任 务 是识 别 和 定 位 … 。 本文描述 的 机器 视觉 系统 包 括 一 个用 来 捕 获 果 园 中 富士苹 果图像 的彩 色 C D摄 像 头 和 一 个处 理 已捕 获 C 图像 的 P C机 。
20 0 8年 1 1月
农 机 化 研 究
第 1 1期
基 于 B 神 经 网 络 的 苹 果 图 像 分 割 算 法 P
王津 京 ,赵 德安 ,姬 伟 ,蔡 纪鹤 ,李 发 忠
22 1 ) 1 0 3
( 江苏 大学 电气 信 息工 程 学 院 ,江苏 镇 江
摘
要: 针对 目前苹 果采 摘 机器 人 图像 分 割运 算 量大 、 时多 等 问题 , 过分 析选 取 3×3邻 域 像 素 色度 值 作 为 耗 通
( —G +( R ) R—B) G—B) (
s = 1一 m n 尺, ) i( G, () 2
1 图像特征提取
试验 采用 从 江 苏 省 徐 州 市 丰 县苹 果示 范 基 地 实 地拍 摄 的红 富士苹 果 图像 , 数 码 相机 在 实 际 环境 自 为
收 稿 日期 :2 0 0 0 8— 3—3 1
基于Qtsu法和直方图规定化相结合的苹果图像分割研究

基于Qtsu法和直方图规定化相结合的苹果图像分割研究作者:杜云郑羽纶孟凡华来源:《科技创新与应用》2019年第28期摘 ;要:针对自然光下,苹果分割易受光线影响而导致目标区域分割受损的问题,提出了一种基于最大类方差阈值分割法(Qtsu法)和直方图规定化相结合的图像分割方法。
对预处理后的苹果图像先进行直方图规定化处理,然后再利用Qtsu法对图像进行分割。
实验结果表明,利用论文的方法对苹果进行分割后缩小了目标区域边缘的缺失,对目标与背景进行了有效的区分。
关键词:图像分割;灰度化;Qtsu法;直方图规定化中图分类号:TP391.41 ; ; ;文献标志码:A ; ; ; ; 文章编号:2095-2945(2019)28-0015-03Abstract: Aiming at the problem that apple segmentation is easily affected by light, an image segmentation method based on maximum variance threshold segmentation (Qtsu) and histogram specification are proposed. The pre-processed apple image is first processed by histogram specification, and then the image is segmented by Qtsu method. The experimental results show that after the segmentation of the apple, the lack of the edge of the target region is reduced, and the target and background are distinguished effectively.Keywords: image segmentation; grayscale; Qtsu method; histogram specification引言中国是世界苹果生产大国,苹果按照大小、颜色、有无缺陷被分为不同等级,而基于图像处理的苹果分级,对苹果进行目标分割是后续分级工作的关键。
单幅室外自然场景中的阴影检测与消除

在室 外 自然 场景 中 , 由于 阳光 被建 筑 物 、 木 树
Absr c I r e o i r v h b lt fRe i x ag rt m n s a w e v l ano e lo ih i t a t:n o d rt mp o e t e a iiy o t ne lo ih i h do r mo a , v la g rt m s
V0 . 5 1 3 No 1 .
Fe 2 1 b. 01
单 幅 室 外 自然 景 的 阴 影 检 与 消 场 中 测 除
胡 勇 , 春 霞 赵
( 京 理 工 大学 计 算 机 科 学 与 技 术 学 院 , 苏 南 京 2 09 ) 南 江 10 4
摘 要 : 了改进 R t e 为 e nx算法在 阴影 消除 中的不 足 , 文提 出 了一 种基 于 高斯 分布 与 R t e 模 i 该 enx i 型的 阴影检 测 与消除算 法 , 过灰度 分布将 图像 分割 为 阴影 区域 、 影 区域 和 正常光 照 区域 , 用 通 半 采 R te ei x算法分 别对 阴影 区域和 正常光照 区域提 取 光照 , n 并消 除光照 影响 , 然后 对 半影 区域进 行 双 线性插值 , 到 消除 阴影后 的 图像 。该 算 法对 大 面积 阴影 的检 测 与 消除具 有很 好 的效 果 , 时避 得 同 免了Rte e n x算法在灰度 变化剧 烈 区域 产生的模糊 问题 , 证 实 了该算 法的有效性 。 i 实验
a g rt m i t e h g d n m i r n e a e i a ode lo ih n h i h y a c a g r a s v i d. Ex e i n a r s ls d mo sr t te p rme tl e u t e n ta e h ef ci e e s o h s ag rt m . fe tv n s ft i l o i h K e o ds: h d w t ci n;ha o r mo a ; u sa srbu in; tn x yw r s a o dee to s d w e v l Ga s in diti t o Rei e
高分辨率航空影像阴影自动检测和去除

第35卷第2期2020年4月遥感信息R e m o t eS e n s i n g In f o r m a t i o n V o l .35,N o .2A pr .,2020㊀收稿日期:2019G02G22㊀㊀修订日期:2019G04G23基金项目:武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室开放基金项目(16E 01);国家自然科学基金项目(41771457);国家重点研发计划项目(2016Y F B 0502600).作者简介:涂继辉(1979 ),男,博士,副教授,主要研究方向为遥感图像目标识别.E Gm a i l :t u j h @y a n g t z e u .e d u .c n 通信作者:眭海刚(1973 ),男,博士,教授,主要研究方向为遥感影像处理.E Gm a i l :h a i g a n g_s u i @263.n e t 高分辨率航空影像阴影自动检测和去除涂继辉1,2,杜红1,眭海刚2,徐川2(1.长江大学电信学院,湖北荆州434023;2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉430079)摘要:针对高分辨率航空影像的阴影检测与去除问题,通过对阴影的光谱特征的分析,提出了一种新的自动化阴影检测和去除的方法.该方法首先利用约束颜色不变量和水平集分割相结合的方法对阴影进行自动检测,获取完整的阴影区域和精确的阴影轮廓线;然后利用阴影轮廓点的邻域作为同质区域,进行补偿因子估算达到去除阴影.实验证明,该方法能够自动准确地对阴影进行检测和去除,不但提升了阴影区域的亮度,而且使得地物细节得到了很好的恢复.关键词:高分辨率航空影像;颜色不变量;水平集;阴影检测;阴影去除d o i :10.3969/j.i s s n .1000G3177.2020.02.007中图分类号:T P 751㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1000G3177(2020)02G0038G08A u t o m a t i c S h a d o wD e t e c t i o na n dR e m o v a l i nH i g hR e s o l u t i o nA e r i a l I m a g e r yT UJ i h u i 1,2,D U H o n g 1,S U IH a i g a n g 2,X U C h u a n 2(1.E l e c t r o n i c s&I n f o r m a t i o nS c h o o l ,Y a n g t z eU n i v e r s t i y ,J i n gz h o u ,H u b e i 434023,C h i n a ;2.S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f R e m o t eS e n s i n g a n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ,W u h a nU n i v e r s i t y ,W u h a n 430079,C h i n a )A b s t r a c t :I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e mt h a t s h a d o w i n t e r f e r e s t h e i n f o r m a t i o n e x t r a c t i o n i n h i g h r e s o l u t i o n a e r i a l i m a g e ,t h i s p a pe r p u tf o r w a r d s a n o v e l a u t o m a t i c s h a d o wd e t e c t i o n a n d r e m o v a lm e t h o d a f t e r a n a l y z i ng th e c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h em a t h e m a t i c a lm o d e l o f s h a d o w .T h i sm e t h o d f i r s t l y a u t o m a t i c a l l y d e t e c t s t h e s h a d o wa r e ab a s e do nc o l o r i n v a r i a n t sm e t h o d i nt h ec o n d i t i o nc o n s t r a i n t a n d u s i n g t h e l e v e l s e t e v o l u t i o nm e t h o d ,w h i c ho b t a i n s t h e c o m p l e t e a r e aa n da c c u r a t eb o u n d a r y o f t h e s h a d o w .T h e n ,t h en e i gh b o r h o o d w i n d o w p i x e l s o f t h e s h a d o wb o u n d a r y a r eu s e da s t h eh o m o g e n e o u s r e g i o nt oe s t i m a t e t h ec o m pe n s a t i o nf a c t o r ,w h i c hr e m o v e s t h e s h a d o w .E x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t t h i sm e t h o d c a n a u t o m a t i c a l l y d e t e c t t h e s h a d o wa r e a a n d r e m o v e t h e s h a d o w ,a n d i tm a k e s t h e b r igh t n e s s o f s h a d o wa r e a h ei g h t e n e d a n d t h e d e t a i l s o f s h e l t e r e d r e a p p e a r e d e f f i c i e n t l y.K e y wo r d s :h i g h Gr e s o l u t i o na e r i a l i m a g e ;c o l o r i n v a r i a n t ;l e v e l s e t ;s h a d o wd e t e c t i o n ;s h a d o wr e m o v a l 0㊀引言高分辨率航空影像是对地球表面的各种目标进行测量和信息提取的一种重要手段[1G2].由于各种人工建筑物或者树木的遮挡,高分辨率航空影像中常常会出现许多阴影区域.航空影像中的阴影虽然可以用于对建筑物的提取和高度估计,但同时也对影像中信息的提取㊁识别和判读造成了一定程度的干扰[3].因此,如何高效准确进行阴影的检测和去除成为航空影像预处理所面临的难题.针对遥感影像的阴影干扰,学者们提出了大量阴影检测和去除的算法.阴影检测算法主要分为2类:一类是基于几何模型的方法,该方法主要利用影像的太阳高度角㊁传感器参数和地面上物体的几何形状等先验信息来检测阴影[4G5],这种方法计算复杂度高,只适合特定场景;另一类是基于阴影特性的83引用格式:涂继辉,杜红,眭海刚,等.高分辨率航空影像阴影自动检测和去除[J].遥感信息,2020,35(2):38G45.方法,该方法主要利用阴影与非阴影区域光谱特征差异来检测阴影[3,6G9].由于基于颜色和亮度的检测方法更加贴近人的视觉方式,因此这类方法更加简单易行.这类方法又分为2种:一种是基于样本训练[9],然后进行分类检测出阴影,这类算法需要提供足够的样本;另一种是利用彩色空间的变换[3,6],把影像从R G B空间变换到其他彩色空间(H S V㊁H C V㊁Y I Q等),再利用O t s u等分割算法进行阈值分割,这类算法中颜色空间转换和阈值设定加大了算法的复杂度.阴影去除方法的核心思想是估算光照补偿因子来恢复阴影区域,从而达到阴影去除的效果[10].因此补偿因子的估算是阴影去除的关键,而如何自动准确在阴影和非阴影区域找到同质区域,是阴影光照补偿因子估算的难点.目前主要阴影去除的方法是在同质条件下阴影和非阴影区域,通过颜色不变性[6,11]㊁伽玛校正[12]㊁线形相关[13]㊁灰度直方图[14]和内外轮廓线[15]等方法,估算阴影光照补偿因子,从而达到阴影去除.然而这些方法对于如何自动准确定位同质区域没有提供较好的解决思路.基于当前研究的现状,本文提出了一种新的高分辨率遥感影像的阴影自动检测和去除方法.该方法先在R G B颜色空间下利用约束条件下的颜色不变量进行阴影的粗检测;然后用粗检测区域的最大内切圆作为初始零水平集,在缓冲区中进行水平集演化,得到阴影的精确轮廓;再利用轮廓点的邻域窗口的像元估计阴影光照补偿因子.由于阴影轮廓线临近建筑物的一部分明显为非同质区域,本文利用航空影像的P O S信息和太阳高度角进行剔除;最后利用阴影的光照补偿因子去除阴影.该方法主要优势如下:无须进行颜色空间域之间的转换,直接在R G B彩色空间下检测阴影,减少了计算的复杂度;利用水平集算法进行阴影轮廓的演化,不但能够提取较为完整的阴影区域和精确的阴影轮廓,而且也为同质区域选取提供了帮助;利用阴影轮廓上点的邻域作为同质区域,可以简单㊁自动和准确地定位同质区域.实验结果表明,本文算法的阴影检测准确,且效率高,补偿后的影像视觉一致性较好.1㊀阴影光照补偿因子估计模型根据R e t i n e x理论[16],影像是由光照分量反射分量合成而得到.其中光照分量是光源直接照射地面的光线,反射分量是地面反射的光线.影像的光照物理模型如式(1)所示.S(x,y)=L(x,y)ˑR(x,y)(1)式中:(x,y)为影像像素点坐标;S(x,y)㊁L(x,y)和R(x,y)分别表示原始影像㊁光照分量和地面反射率.在自然光照环境下,非阴影区域的光照分量由直接光源分量L d和环境散射光源分量L e合成.由于障碍物遮挡,直接光照减弱形成了阴影区域,那么阴影区域的直接光源分量应该乘以系数k.因此,式(1)的光照物理模型可以变换为式(2).S(x,y)=(kˑL d(x,y)+L e(x,y))ˑR(x,y)(2)当k=1时,表示S(x,y)为非阴影区域;当k=0时,表示S(x,y)为阴影中的本影区域;当0<k<1,表示S(x,y)为阴影中的半影区域.假设同一幅影像上的同质区域内S s h a d o w(x,y)为阴影区域,S n o n s h a d o w(x,y)为非阴影区域,根据式(2)可得非阴影区域和阴影区域的比值,如式(3)所示.S n o n s h a d o wS s h a d o w=(L d n o n s h a d o w+L e n o n s h a d o w)ˑR n o n s h a d o w(kˑL d s h a d o w+L e s h a d o w)ˑR s h a d o w(3)由于式(3)中阴影的本影区域k=0,并且同一幅影像中的同质区域内直接光源分量L d㊁环境散射光源分量L e和反射光分量R相等,设L d和L e 比值为c,c为常量,那么式(3)可以简化为式(4).S n o n s h a d o wS s h a d o w=c+1(4)阴影去除的核心就是将阴影区域的光照恢复到非阴影区域,而对各个波段分别处理,尽可能保证色调信息的一致性.根据以上的数学推导,阴影去除的目标就是要找到同质区域下的阴影区域和非阴影区域的像素点,利用式(4)估计出比值,然后再利用估计值,将阴影区域像素点各个波段颜色值变换到非阴影区域,从而完成阴影的去除.因此可以认为阴影去除的方法一般分为两步:一是阴影区域的精确检测;二是寻找同质区域下的阴影区域和非阴影区域,估算出阴影光照补偿因子.2㊀算法描述2.1㊀算法总述本文的算法主要有如下步骤.首先,利用基于约束条件下的颜色不变量进行阴影区域的粗检测;其次,对阴影粗检测的区域构造外接矩形扩大区域作为缓冲区;再次,利用粗检测区域的最大内切圆作为零水平集,在缓冲区中进行水平集演化,得到阴影的精确轮廓.精确轮廓可以提供更加完整的阴影区域,同时也为后一步同质区域的选取提供了帮助,因为利用阴影轮廓点的邻域作为同质区域的前提条件是提取精确的阴影轮廓.然后,由于阴影轮廓靠近93遥感信息2020年2期建筑物一部分明显不能作为同质区域,应该剔除掉,因此利用航空影像的P O S 信息和太阳高度角,求出阴影在影像上的方向,通过阴影质心和阴影的方向切割出不与建筑物相连接的阴影轮廓;最后,对每个阴影轮廓点的邻域建立一个模板窗口,利用模板窗口中的阴影和非阴影部分的关系,估计出阴影光照补偿因子,从而进行阴影去除.算法的总体流程如图1所示.图1㊀算法总体流程图2.2㊀基于颜色不变量的阴影检测颜色不变量最初是由G e v e r s 等[17]提出来的,它是一种颜色集合模型,不受视角㊁物体表面光滑程度㊁光照方向㊁光照密度和亮度的影响.目前许多研究者利用颜色不变量替代N D V I 进行植被的检测和提取,同时也把它用于阴影检测.例如文献[17]中利用彩色R G B 空间的蓝色通道和绿色通道对阴影进行检测.文献[18]对文献[17]进行了改进,利用了R G B 的3个通道的颜色进行阴影检测.本文是在文献[18]阴影检测的基础上,加上了约束条件(式(5)),主要目的是为了在阴影检测时剔除绿色植被的错误检测.S C (i ,j )=4πˑa r c t a n (R (i ,j )-R (i ,j )2+G (i ,j )2+B (i ,j )2R (i ,j )+R (i ,j )2+G (i ,j )2+B (i ,j )2)G (i ,j )<m a x (R (i ,j ),B (i ,j ))ìîíïïïïïï(5)式中:i ,j 是影像的行列号;S C 表示检测的阴影区域;R (i ,j )㊁G (i ,j )和B (i ,j )分别代表R G B 彩色空间的3个颜色通道.因为仅用式(5)中的第一个表达式进行阴影检测,经过实验发现会把绿色植被作为阴影错误检测,因此需要加入约束条件,即式(5)中的第二个表达式作为约束项来滤除错误检测.根据光学原理,植被区域的吸收带位于蓝色波段和红色波段,在绿色波段处为反射峰.非阴影区的光照主要来源于反射光㊁环境光和大气散射,传感器感知的光强主要为反射光,绿地能强烈反射绿光,因此绿地区域对应像素的G 分量有较大的概率.本文在式(5)中加入了检测约束条件,可以滤除检测的绿色植被区域.2.3㊀基于水平集的阴影轮廓演化由于阴影区域的颜色不均匀,采用2.2节颜色不变量检测的阴影区域边界不精细,无法得到较为完整的阴影区域,水平集演化算法具有灵活的曲线演化能力,分割演化的结果轮廓精细清晰且连续性好.由于经典的水平集泛函的极小值通常不容易求得,如果零水平集选择不当,不仅容易演化到局部极小值,而且会降低运算速度,所以水平集函数的初始化非常重要.本文利用已检测阴影区域构建水平集的初始函数和局部缓冲区,提高水平集演化的精度和速度.具体实现过程如下:1)根据式(5),可由式(6)对图像进行阈值分割,得到只有阴影和非阴影区域的二值图像.其中I (i ,j )表示新生成的二值图像,T 表示区分阴影和非阴影的阈值.I (i ,j )=0,若S C (i ,j )ȡT 且满足式(5)1,若S C (i ,j )<T{(6)2)根据步骤1)中,设二值化图像中阴影区域为Ω,04引用格式:涂继辉,杜红,眭海刚,等.高分辨率航空影像阴影自动检测和去除[J ].遥感信息,2020,35(2):38G45.对区域Ω作最小外接矩形,对外界矩形进行扩大一半的面积,得到水平集演化的局部缓冲区Ω0.在对区域Ω求取最大内切圆Φ0,用此Φ0作为初始水平集函数.Φ0(x ,y )=(x -x 0)2+(y -y0)2=r 2(7)3)由于阴影区域内并非均匀区域,往往有树木㊁车辆等干扰,因此采用文献[19]提出的一种处理非均匀图像的水平集分割模型进行演化.目前的C V模型只针对灰度图像进行演化分割,本文将C V 模型扩展到彩色影像上.假设在缓冲区Ω0内为R G B 彩色图像空间,局部影像I i (x ,y ):Ω0ңR 2;i ɪ{r ,g ,b }.缓冲区中的轮廓线C 内为阴影区域Ωs h a d o w ,C 外为非阴影区域Ωn o n s h a d o w ,c s h ad o w 表示阴影区域内彩色信息的均值,令c s h a d o w =(c s h a d o w r ,c s h a d o w g ,c s h ad o w b );c n o n s h a d o w 表示非阴影区域内的彩色信息的均值,令c n o n s h a d o w =(c n o n s h a d o w r ,c n o n s h a d o w g ,c n o n s h a d o w b ).Φ是水平集函数,拟合的能量函数为非均匀灰度,设k 为非均匀亮度因子,基于水平集C GV 模型的能量函数见式(8).E (Φ,c s h a d o w i ,c n o n s h a d o w i )=λ1ʏΩs h a d o w13(I i (x ,y )-k ˑc s h a d o w i )2d x d y +λ2ʏΩn o n s h a d o w 13(I i (x ,y )-c n o n s h a d o w i )2d x d y +μL e n g t h (C )+νA r e a (C )(8)式中:i ɪ{r ,g ,b };系数λ1,λ2>0;μ,νȡ0为固定参数.根据文献[19],本文参数设定为λ1=λ2=1,μ=1.0,ν=0.001ˑ2552.L e n gt h (C )和A r e a (C )表示轮廓线的长度项和面积项,根据H e a v i s i d e 函数和一维狄拉克函数δ0=d H (Φ)d Φ,长度项和面积项表达式见式(9).L e n g t h (C )=ʏΩs h a d o wδ0(Φ(x ,y )ΔH (Φ(x ,y )d x d yA r e a (C )=ʏΩs h a d o wH (Φ(x ,y )d x d y ìîíïïïï(9)当Φ不变的情况下,极小化能量函数E (Φ,c s h ad o w i ,c n o n s h a d o w i ),可得到c s h a d o w i 和c n o n s h a d o w i 的表达式为:c s h a d o w i =ʏΩs h a d o w I i (x ,y )H (Φ(x ,y ))d x d yʏΩs h a d o w H (Φ(x ,y ))d x d y c n o n s h a d o w i =ʏΩn o n s h a d o w I i (x ,y )(1-H (Φ(x ,y ))d x d y ʏΩn o n s h a d o w(1-H (Φ(x ,y )))d x d y ìîíïïïïïïïïï(10)当ʏΩs h a d o wH (Φ(x ,y ))d x d y >0时,c s h ad o w i 有意义;当ʏΩs h a d o w(1-H (Φ(x ,y ))d x d y )>0时,c n o n s h a d o w i 有意义.为了求解水平集函数Φ,令c s h a d o w i 和c n o n s h a d o w i 不变,引入时间变量t ,将水平集Φ对时间变量t 求导,式(8)对应的偏微分方程见式(11).ƏΦƏt=δ(Φ) [μΔΔΦΔΦ-ν-λ1I (x ,y )-c s h a d o w []2+λ2I (x ,y )-c n o n s h a d o w i []2](11)其中,Φ0(x ,y )=(x -x 0)2+(y -y0)2=r 22.4㊀基于阴影轮廓点邻域的阴影去除本文基于阴影轮廓点进行阴影去除的主要思想是:如图1第⑥步,认为图像中某一个点与其邻域内的点为同质区域,因此取阴影轮廓上的点与其邻域的点组成一个掩模窗口,这个窗口一部分处于阴影区域,另一部分处于非阴影区域,通过阴影区域和非阴影区域的平均像素点的比值,来估计阴影补偿因子.为了使补偿因子更加精确,本文利用阴影轮廓上的所有点来估计阴影补偿因子.但又由于阴影轮廓临近建筑物部分的轮廓点在邻域范围内明显为非同质区域,因此不能让这部分点参与估计阴影补偿因子,需要剔除.本文利用航空影像的P O S 信息结合航飞的时间来推算出阴影在影像上的方向,通过阴影区域的质心和方向剔除临近建筑物阴影轮廓曲线段.具体实施步骤如下:1)根据文献[20G21]的方法,利用航飞影像的P O S 信息和航飞的时间,通过式(12),求出太阳高度角,再根据式(13),求出太阳的方位角A .s i n α=s i n φs i n δ+c o s φc o s δc o s θ(12)A =a s i n (c o s φs i n θc o s α)(13)式中:α是太阳高度角;δ是太阳赤纬;φ是观测地的道理纬度;θ表示地方时角.2)如图2所示,设阴影区域Ω的质心点P 0为(x ,y ),太阳的方位角为A ,那么有质心P 0和方位角对应的直线方程L 1为y =x t a n A +b ;过质心P 0垂直L 1的直线方程L 2为y =x t a n (90-A )+b ,直线L 2与阴影沿着太阳方向角外的轮廓线交点为A 1和A 2,曲线段A 1A 2上的点就是参与因应补偿因子估计的点.3)任意取得曲线段A 1A 2上的一点P i ,对P i 取得n ˑn 大小的邻域窗口,P i 对应的邻域点的集合14遥感信息2020年2期图2㊀阴影补偿因子估计示意图为S ={P i 1,P i 2,P i 3, ,P i n }.设集合S 中在阴影区点个数为k 1,阴影区点的颜色R G B 空间3个通道的颜色值和分别为ðk 1i =1R i㊁ðk 1i =1Gi和ðk 1i =1Bi,在非阴影区点个数为k 2,非阴影区点的颜色R G B 空间3个通道的颜色值和分别为ðk 2i =1R ᶄi㊁ðk 2i =1Gᶄi和ðk 2i =1B ᶄi,此点光照在R G B 空间3个通道上的阴影补偿因子分别是:C R i=(ðk 1i =1R i )/k 1(ðk 2i =1R ᶄi )/k 2,C G i=(ðk 1i =1G i )/k 1(ðk 2i =1G ᶄi )/k 2,C B i=(ðk 1i =1B i )/k 1(ðk 2i =1B ᶄi )/k 2.4)设曲线段A 1A 2上点的个数为N ,3个通道上的阴影补偿因子为C R =ðNi =1CR iN,C G =ðNi =1CG iN,C B =ðNi =1CB iN.5)对阴影区域Ω每个点,利用步骤4)中的阴影补偿因子估计进行换算,就可以去除阴影.3㊀实验结果和分析为了验证本文所提出算法的性能,对2014年四川北川航空遥感影像(分辨率0.25m )和2015年武汉市航空遥感影像(分辨0.15m )进行实验,实验环境是I n t e r X e n o C P UE 3G1220v 33.10G H z ,W i n 7,8G B 内存的P C 机,编程工具为M a t l a b 2012a .为了定量评价阴影检测的性能,本文采用漏检率F O E R ㊁误检率F A E R 和总错误率F T E R ,分别定义如式(14)~式(16)所示.F O E R =F NT S(14)F A E R =F PT S(15)F T E R =F A E R +F O E R (16)式中:T S 表示阴影区域像素点数;F N 表示未检测的阴影像素点数;F P 表示非阴影区域误检为阴影的像素点数.漏检率㊁误检率和总错误率都是越小表示检测效果越好.为了定量评价文献中阴影去除算法的效果,主要通过比较阴影去除后区域内的平均亮度和平均梯度作为定量评价.由于文献[22]是一种比较经典的阴影去除方法,因此本文将与文献[22]中改进的W a l l i s 阴影去除算法进行比较.3.1㊀阴影检测阴影去除效果受到阴影区域检测精度的制约,这部分实验将利用式(14)㊁式(15)㊁式(16)对阴影检测的精度和阴影去除效果进行定量评估.从图3㊁图4㊁图5可以看出,本文阴影去除方法对比改进的W a l l i s 算法,能够较好地扩大阴影区域的亮度,去除后的细节较为清晰.表1给出了3幅影像阴影检测的定量评价指标,本文的阴影检测算法的漏检率均低于文献[8]和文献[9]方法,误检率也略低于另外2种方法.总错误率即综合性能评价分析,均低于另外2种算法,说明本文阴影检测方法具有明显的优势.本文的阴影检测算法之所以取得了较好的检测效果,主要在于水平集算法能够演化出精确的轮廓边界,颜色不变性的粗检测也为水平集演化提供了先验信息.图3㊀阴影检测结果(武汉地区1)24引用格式:涂继辉,杜红,眭海刚,等.高分辨率航空影像阴影自动检测和去除[J ].遥感信息,2020,35(2):38G45.图4㊀阴影检测结果(武汉地区2)图5㊀阴影检测结果(北川地区)表1㊀阴影检测结果评价表%影像漏检率F O E R误检率F A E R总错误率F T E R文献[8]文献[9]本文方法文献[8]文献[9]本文方法文献[8]文献[9]本文方法图335.3619.657.313.612.752.7238.9722.409.34图436.7816.916.036.147.435.2142.9224.3411.24图528.5319.238.253.983.122.7632.5122.3511.013.2㊀阴影补偿参数估计为了进一步检测利用阴影轮廓邻域点得到的补偿因子估计的准确性,本文对图3的最大轮廓邻域中的阴影部分点和非阴影部分的点进行了统计,所用邻域窗口大小为7像素ˑ7像素.图6为阴影补偿因子估计.从图6可以看出,2条曲线具有较强的相似性,即曲线上的点的比值恒定,由此可以推断轮廓点邻域中的阴影部分和非阴影部分的点属于同质区域,利用这些点进行阴影补偿因子的估计,具有较好的可靠性.由于可近似认为地面在1~2m2范围内为同质区域的可能性较大,因此邻域窗口的大小选取主要取决于影像分辨率与地面同质区域面积的比值.图6㊀阴影补偿因子估计34遥感信息2020年2期3.3㊀阴影去除从图7㊁图8㊁图9可以看出,本文阴影去除方法对比改进的W a l l i s算法,能够较好地扩大阴影区域的亮度,去除后的细节较为清晰.表2给出了3幅影像阴影去除后的定量评价指标,本文阴影去除算法的亮度均值B和平均梯度值T比原始区域得到了大幅度提高,但不易达到与目标值完全一致的水平,与人工确定3个参数的改进W a l l i s去除算法的最佳效果比,本文方法整体较优.本文的阴影去除算法之所以取得较好的去除效果主要在于:利用前一步阴影检测中获取的较完整的区域和较精确的轮廓,通过轮廓点邻域区域作为同质区域用于阴影补偿因子的估计,不但估计准确,而且自动化程度高.因此本文算法能够更加稳定和高效地统一恢复所有阴影区域的基本信息,细节纹理恢复较好.图7㊀阴影去除结果(武汉地区1)图8㊀阴影去除结果(武汉地区2)图9㊀阴影去除结果(北川地区)表2㊀阴影去除结评价表影像指标阴影区域非阴影区域本文去除后的阴影区域文献[22]的阴影去除图7亮度均值B㊀57.704483.973882.134687.8346平均梯度值T0.04150.09480.09700.0863图8亮度均值B㊀43.585685.121084.940089.6751平均梯度值T0.01700.07630.08840.0682图9亮度均值B㊀47.995184.326283.332181.3375平均梯度值T0.05040.19600.18240.175444引用格式:涂继辉,杜红,眭海刚,等.高分辨率航空影像阴影自动检测和去除[J].遥感信息,2020,35(2):38G45.4㊀结束语为了解决阴影对高分辨率航空影像的信息提取存在着干扰的问题,本文提出了一种新的阴影自动检测和去除方法.该方法利用颜色不变量检测出阴影的区域,然后利用水平集的演化得到阴影精确轮廓,最后利用阴影边界邻域点作为同质区域估算阴影的补偿因子,从而去除阴影.实验证明,该方法能够自动精确地获取阴影区域和进行阴影的去除,不但较好提高了整体的亮度,而且使得阴影的区域地物细节得到了较好的恢复,这对遥感影像的自动化预处理具有重要的意义.参考文献[1]㊀王彦情,马雷,田原.光学遥感图像舰船目标检测与识别综述[J].自动化学报,2011,37(9):1029G1039.[2]㊀田昊,杨剑,汪彦明,等.基于先验形状约束水平集模型的建筑物提取方法[J].自动化学报,2010,36(11):1502G1511.[3]㊀柳稼航,杨建峰,方涛.彩色遥感影像阴影颜色特性分析[J].光子学报,2009,38(2):441G447.[4]㊀夏怀英,郭平.基于统计混合模型的遥感影像阴影检测[J].遥感学报,2011,15(4):778G791.[5]㊀MA K A R A U A,R I C H E 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f e a t u r e s e l e c t i o n[J].I E E E T r a n s a c t i o n s o nG e o s c i e n c e a n dR e m o t eS e n s i n g,2011,49(12):5092G5103.[10]S U S U K I,S H I O A,A R A IH,e t a l.D y n a m i c s h o wc o m p e s a t i o no f a e r i a l i m a g e sb a s e do n c o l o r a n d s p a t i a l a n a l y s i s[C]// P r o c e e d i n g s o f t h e15t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nP a t t e nR e c o g n i t i o n.B a r c e l o n a:[s.n.],2000,1:317G320.[11]徐秋红,叶勤.一种基于颜色恒常性理论的城市高分辨率遥感影像阴影消除方法[J].遥感信息,2010,25(3):13G16,111.[12]许龙.弱辐射特征图像增强技术研究[D].郑州:解放军信息工程大学,2012.[13]王玥,王树根.高分辨率遥感影像阴影检测与补偿的主成分分析方法[J].应用科学学报,2010,28(2):136G141.[14]于东方,殷建平,张国敏.一种基于灰度直方图的遥感影像阴影自动检测方法[J].计算机工程与科学,2008,30(12):43G44,93.[15]Z HA N G H,S U N K,L I W.O b j e c tGo r i e n t e ds h a d o w d e t e c t i o na n dr e m o v a l f r o m u r b a nh i g hGr e s o l u t i o nr e m o t es e n s i n gi m a g e s[J].I E E ET r a n s a c t i o n s o nG e o s c i e n c e a n dR e m o t eS e n s i n 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国内图书分类号:TN911.73 国际图书分类号:621.3
工学硕士学位论文 图像分割中阴影去除算法的研究
硕士研究生:王宏 导师:关宇东 副教授 申请学位级别:工学硕士 学科、专业:信息与通信工程 所在单位:电子与信息技术研究院 答辩日期:2008年7月 授予学位单位:哈尔滨工业大学 Classified Index: TN911.73 U.D.C.: 621.3
Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON REMOVAL ALGORITHM OF SHADOWS IN IMAGE SEGMENTATION
Candidate: Wang Hong Supervisor: Associate Prof. Guan Yudong Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Information and Communication Engineering
Affiliation: School of Electronics and Information Technology
Date of Defence: July, 2008 Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 随着计算机技术的飞速发展数字图像处理技术也得到了快速发展,人们越来越追求更高的图像效果。然而在成像过程中受到许多不可避免的因素影响,图像出现了降质现象。图像阴影就是图像一个典型的降质现象,它的存在直接影响了图像匹配的精度、模式识别的准确度以及目标提取的自动化程度,使智能视频监控系统中后续的目标跟踪、识别等工作的出错率大大增加。因此,阴影消除对于提升智能视频监控系统的工作性能很有必要。 本文针对大多数分割算法输出目标携带阴影的问题,分析了阴影形成的原理和光学属性,构造阴影形成的光照模型。从阴影相关理论出发利用数字图像处理的相关理论和信息论的有关知识,设计了三种有效的去除阴影的算法。三种算法各有其特点,各有其适合处理的图像,结合起来实现自适应去除阴影的算法。 论文在绪论中阐述了课题的背景、意义、来源以及国内外现状,明确了研究的主要目的。第一章中研究了阴影的相关理论,其是阴影去除的重要依据,根据其做了如下工作。 首先根据图像处理的直方图原理和聚类技术,提出了基于直方图和聚类技术去除阴影的算法,此方法实现了多个目标的阴影去除。利用直方图的相关知识能够确定目标的个数,目标的大概宽度、边界,阴影的方向,阴影的大致区域;结合灰度图像的聚类分析得到精确的阴影区域,实现了单个或者多个目标阴影的去除。 其次利用阴影颜色和纹理不变的光学属性,建立了基于色度畸变和局部交叉熵去除阴影的算法。在RGB彩色空间运用颜色矢量计算阴影与对应背景颜色变化的角度,即色度畸变角,通过阈值确定阴影区域。利用信息论中的交叉熵进一步区分目标与阴影。色度畸变和交叉熵的结合,能够有效地去除分割目标的阴影。 再次根据阴影区域灰度连续、平坦的特点,设计了基于多梯度分析和线扫描去除阴影的算法。梯度体现了灰度的变化,灰度变化越剧烈梯度越大,线扫描可以检测出一个像素宽度的线。梯度可以检测出灰度连续的阴影区域,线扫面可以去除连续区域面积小的非阴影区域,两者结合进而实现了去除阴影的目的。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 最后根据三种算法的原理和应用范围,设计了判定程序实现了图像自适应的选择去影算法,减少人为判断,提高了算法的鲁棒性。引入了一种量化评估方法,对各算法进行客观评定。
关键词 聚类技术;梯度分析;色度畸变;交叉熵;自适应算法。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract With the rapid development of computer, the technology of digital image processing is developing fast. And people have a growing pursuit of higher image processing effect. However, the effect of digital images is degraded more or less by many inescapability factors during the imaging process. Image shadows is typical phenomenon of the drop of image quality. It will directly affect the precision of image matching, the accuracy of pattern recognition and the automation of objects extraction, which will cause more errors in tracking and recognition of object at post-treatment of intelligent video monitoring. Therefore, it is very important to wipe off shadows to improve work quality of intelligent video monitoring. Against the problem that many methods of image segmentation often bring shadow, this thesis analyzed the principle and optical properties of shadow whose illumination model is also made. Based on the theories of shadow, three effectively algorithms to remove shadow were designed by theories of digital image processing and information. Because the algorithms have different features and one algorithm is adapted to a kind of image, automation algorithm of removement shadows was designed by the algorithms. This thesis explains background, significance, source and present situations of shadow removing in domestic and foreign to clear the purpose of this research. And Chapter One studied the theory of shadow which is an important basis for the removal of the shadow, according to it, do the jobs as follows. Firstly, based on histogram and clustering techniques, a shadow eliminating method which depended on those techniques was presented. It can remove multi-object shadows. The quantity, probably width, borderline of objects, direction and approximately area of shadows could be confirmed by theory of histogram. And this method combined with clustering techniques of gray image, this method could obtain exact area of shadows in order to eliminate shadow of one-object or multi-objects. Secondly, by the use of the optical characteristic of shadow (such as color, 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 veins), a shadow removing algorithm based on chrominance distortion and local Cross Entropy was set up. In the RGB space, we use color vector to calculate the angle between shadow and corresponding background. And based on the limit we can confirm the area of shadows. By the use of Kullback-Leibler divergence in information theory, we can gain further distinction between objects and shadows. The combine of chrominance distortion and Cross Entropy can eliminate shadow of segmentation object in the effect. Thirdly, the shadow removing algorithms based on multi-gradient analysis and line scan were designed according to the continuum and smooth of shadow area gray. Gradient represented the variety of gray and gradient is also much bigger at gray acute variety area. Line scan can search the lines of the image element point width. Gradient can find the continuum area of shadow and line scan can remove little area of non- area of shadow so as to realize purpose of eliminating shadow. Finally, based on the theory and application of three algorithms, the judgment process was designed and the choice of adaptive algorithms of shadows removing was also realized. It reduced human judgments and improves the universality of algorithm. A quantitative method is introduced to evaluate the algorithms on a benchmark.