基于粒度分层技术与FCM算法的图像分割

    史晓亚+陈子言+马莹晓

    

    

    

    摘要:文章提出了一种高效快速地实现图像分割的方法。该方法采用自适应像素梯度法进行图像预处理,能有效地消除噪声,保留细小纹理,突出图像边缘。该方法基于粒度分层技术与模糊C均值聚类算法实现图像分割,基于粒度分层技术进行粗粒度划分,得到最佳粗粒度层;在此层上进行FCM算法,通过建立目标函数,构建模糊矩阵,确定聚类中心,实现一系列迭代优化;最后进行细粒度划分,并选出最佳细粒度层,达到目标图像与背景分离的分割效果。仿真实验证明分割效果高效且快速。

    关键词:自适应梯度;粒度分层技术;FCM算法;图像分割

    1 图像分割

    图像分割就是把图像目标和背景分离的技术和过程。文献[1]基于点密度函数加权的模糊C均值聚类算法(FuzzyC-means,FCM)来实现图像分割,文献[2]综合叙述了图像分割的方法。这些方法有各自的优势,也都有自己的不足,不能说可以广泛应用于每一种分割。因此,本文基于粒度分层技术和FCM结合实现图像分割,对图像进行预处理、粗处理、FCM、细处理,最终分离出目标部分,实现图像分割。

    2 图像预处理

    有效像素邻域,筛选出来最佳粗粒度层。

    常见的图像预处理方法有灰度归一化、平滑去噪、图像增强处理[3]。其中有的不能保持图像的主要边缘轮廓,有的对细小的纹理处理较差。针对上述问题,本文提出一种自适应的梯度图像预处理方法。

    对图像/中的像素点P的梯度值基于(1)式自适应调节:

    建立等价关系函数及。以图像的任意像素为中心,取的矩形为邻域,把图像基于及分为若干粒度空间,

    用多维向量S表示,统计分类后的各区域所包括像素的个数,得到第一个粒度空间$KKM/aR])。

    邻域内每个像素的梯度矢量模

    根据的值确定p点的位置状态,设:

    对P的梯度进行调节:

    基于式(4)调节每个像素点;7的梯度和图像的中心以及轮廓边缘像素,达到去除噪声、保留细小纹理、突出图像边缘的目的,更好地为分割作准备。

    3图像分割系统

    本文的图像分割系统如图1所示。

    基于分层技术对图像粗粒度划分,通过比较像素梯度和

    粒度空间&中的有效像素邻域均值

    重复计算每个粒度空间,通过比较每个粗粒度层中的像

    素梯度II和有效像素邻域木(xy),筛选出最佳粗粒度层私3.2FCM算法

    标准FCM算法处理大数据图像时,聚类速度慢、运行繁琐而且受外界噪声和其他不确定因素的影响[4]。本文在最佳粗粒度层^上进行FCM算法,减少了噪声的影响,也简化了运算过程。

    建立FCM算法中的目标函数:

    其中:聚类数目C满足:2SOm为模糊加权指数,控制数据划分的模糊程度。

    对目标函数进行迭代优化。设模糊隶属度矩阵聚类中心

    设,根据Lagrange乘数法,目标函数取

    极小值时有:

    根据公式(8)和(9)更新隶属度矩阵U和聚类中心F,若,则停止迭代,输出结果图像,算法停止。否则,重复更新矩阵?/和聚类中心并且令。

    仿真实验证明FCM算法确实有效地对属性一致的像素进行了模糊聚类。

    3.3 细粒度划分

    处理聚类后的图像,由于FCM算法进一步简化了最佳粗粒度层,减少了杂质像素点,使细粒度划分进一步加快。

    需要注意的是,邻域空间缩小,等价关系也要随之缩小,即细粒度划分时分解粒度空间的等价关系R比粗粒度划分的小,其他和粗粒度划分步骤类似。

    4 仿真实验

    模拟在粒度层上进行聚类的结果如图2所示,左侧为决策图,右侧为聚类结果。

    用像素为250X280ppi的lena.bmp图像仿真结果对比如图3—4所不:。

    5 结语

    本文对图像进行粒度分层,在最佳粗粒度层上进行FCM算法,大大减小其复杂度,接着向更高层次分层,使得分割结果更高效快速。

    如今,图像分割的研宄目标都放在了自动、精确、快速、自适应性、鲁棒性等几个方向[5]。本文提出的算法在精确、快速、自适应性上都有良好体现,相信随着图像分割的广泛应用和各种理论的创新、发展和完善,会出现越来越多关于新理论的尝试和更快速、更精确、更成熟的算法。

    [参考文献]

    [1]周丹,肖满生,刘丽红,等.改进的模糊C-均值算法在图像分割中的应用[J].湖南工业大学学报,2014(5):79-83.

    [2]张俊珍图像分割方法综述[J].科技信息,2012(6):169-171-

    [3]李旭超,刘海宽,王飞,等图像分割中的模糊聚类方法[J].中国图象图形学报,2012(4):447-458.

    [4]郭相凤,贾建芳,葛中峰.圖像序列的预处理与目标检测技术综述[J].传感器世界,2012(4):6-8,20.

    [5]黄文博,燕杨,王云吉.医学图像分割方法综述[J].长春师范学院学报,2013(4):22-25.

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