基于多项式一致逼近的多阈值图像分割算法-卫颜俊.pdf
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1、2016年10月 Journal on Communications October 2016 2016196-1 第37卷第10期 通 信 学 报 Vol.37 No.10基于多项式一致逼近的多阈值图像分割算法 卫颜俊1,冯博琴1,伍卫国2 (1. 西安交通大学计算机教学实验中心,陕西 西安 710049;2. 西安交通大学计算机系,陕西 西安 710049) 摘 要:针对传统多阈值图像分割算法的计算复杂性,以及由图像直方图中毛刺的干扰带来的算法不稳定等缺点,提出一种基于伯恩斯坦多项式一致逼近的多阈值图像分割算法。首先根据逼近论中的威尔斯托拉斯定理构造图像直方图曲线的伯恩斯坦多项式,然后将图
2、像直方图的峰谷值计算问题化简为伯恩斯坦多项式的极值问题,该极值问题可由伯恩斯坦多项式函数的一次、二次微分导出,最后依据这些极值和极性应用分类算法自动标注图像直方图的实际峰谷值,由此完成基于多阈值的图像分割。实验结果表明所提算法不受直方图中毛刺的干扰,算法整体稳定,冗余计算少,时间复杂度小,用时少,效g10587g20652,逼近性g14033和分割效果g7368g3921。 关键词:图像分割g727图像直方图g727阈值g727一致逼近g727伯恩斯坦多项式g727g17329g12175g12366间 中图分类号:TP309 文献标识码:A Multi-threshold algorithm
3、 about image segmentation based on polynomial uniform approximation WEI Yan-jun1, FENG Bo-qin1, WU Wei-guo2(1. Computer Teaching & Experiment Centre, Xian Jiaotong University, Xian 710049, China; 2. Department of Computer Science & Technology, Xian Jiaotong University, Xian 710049, China) Abstract:
4、Aiming at those shortcomings of previous multi-threshold image segmentation algorithm such as large com-plexity and instability caused by the image histogram glitch interference, a new multi-threshold image segmentation algo-rithm was proposed using Bernstein polynomial to uniformly approximate hist
5、ogram curve. First, according to the ap-proximation theory of Weierstrass to construct Bernstein polynomial for the histogram curve, then more difficult peak value calculating of the histogram was reduced to the Bernstein polynomial extremal generating, that was exported easily by the first and seco
6、nd derivative of Bernstein polynomial function, and finally obtain the actual peak value of the image histogram by picking up these extremes and polar values and filtering through classification algorithm, and finish multi-threshold image segmentation. Experimental results show that the algorithm is
7、 insensitive for histogram glitch in-terference, the overall is stable, the redundant computation and time complexity are smaller, with less time and high effi-ciency, the approximate performance and segmentation effect are better. Key words: image segmentation, image histogram, threshold, uniform a
8、pproximation, Bernstein polynomial, distance space 1 引言 因特网上每时每刻都在发生着巨量的数据交换,内容除了文本信息之外,很大一部分都是数字图像和视频信息,对数字图像处理方法的研究就显得非常重要。图像分割又是整个图像处理的一个重要的阶段,它直接影响到图像的特征提取、目标识别和计算机视觉等后期处理。图像分割一般是指根据图像中的灰度、颜色、纹理、形状和边缘等特征把图像划分成若干互不重叠的目标和背景的2个区收稿日期:2016-06-15g727修回日期:2016-08-31 基金项目:g3281g4490自然g12197学基g18341g1717
9、6g2173项g11458g708No.91330117g709g727g3281g4490g20652g6228g7427g11752g12362g2469g4649计g2022g708g256863g257计g2022g709基g18341g17176g2173项g11458g708No.2012AA01A306g709Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (No.91330117), The National High Technology Research andDevelopment Pr
10、ogram of China (863 Program) (No.2012AA01A306) doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2016196 万方数据第10期 卫颜俊等:基于多项式一致逼近的多阈值图像分割算法 57 域,并使这些特征在同一区域内呈现出相似性,而在不同区域间呈现出明显的差异性。图像分割方法总g1319g2499分g1038g3534g1122g19420g1552、g3534g1122边缘g7828g8991、g3534g1122区域提取和g13479g2524特g4462理g16782的方法等。而g3534g1122g19420g1552的分割方法又
11、g2499g1209分g1038g1852g4628g19420g1552法、g14270g17878g5224g19420g1552法、g7380g1351g19420g1552法和数g4410理g16782g19420g1552法等。g1866中,g1852g4628g19420g1552法g2265g6336图像直方图的g4804g16907法、g17857g1207法、g7380大g12879间方差法和g7380大g10121g14270g2172g19420g1552法等16。 g1306是在图像g7389g3134g3780的g5785g1929g991,g1866直方图g2265
12、g2559g7389g8623g2062,g8504时的g19394g20076g2476得g3809g7446g2282,g1209上这些g8726g19420g1552的方法就不g1889g14033很g3921g3332g17878g2524,g17902常的g1582法是使g11004一g13512g9400g8886等g6175段对直方图g1820g17839g15904g5191g9381处理,g9994后g1889g17839g15904分割。 g17839一g8505,SHEN 等7提出了一g12193g7044的g14270g17878g5224图像分割方法,它是一g1219
13、3g3534g1122灰度图像直方图g10121和g17963g1268算法相g13479g2524的算法,g4570分割g19394g20076重g7044g4462g1053g1038一个g1260g2282g19394g20076g7481g16311g1927。g10591g1154g11015等8提出了g17878g5224度标g4462g1856g5347,使g17878g5224度g2001数g14033g3827g8503g11842g5353g4560g13688g1319的发g4649方g2533,g1186而提g20652g6922g6959g17907度,分割方法g11
14、85g9994g18331g11004g7380大g12879间方差法g7481g17839g15904。g7458g2758g4410等9提出的g5567g17907g3822g19420g1552图像分割法g1866g4466是对g7380大g12879间方差法的g1120分法g6205g4649。g4445g1028g10630等10g2045g11004g3822g19420g1552分割g13479g7536,g17902g17819g1852g4628内区间直方图的g3355g15925和g3534g1122g3355g15925直方图对区间内的灰度g6301g1292,g4466
15、现了图像g3698g5390,g4625g12661是图像g3698g5390方法,g1306在图像分割中g1075g1552得g2454g13783。g18038g5322g17241等11提出了一g12193g3534g1122g11705识的g3822g19420g1552融g2524的图像分割g7044方法,g4570图像各位置的g7380g1351连g17902域组g2524g1038g7380终图像分割g13479g7536,特点是g4570融g2524的g1820验和智g14033方法g5353入图像分割。曹g3698g5390等12提出了一g12193去除图像g8623g206
16、2的g5567g17907算法,该方法克服g1268统的中g1552g9400g8886的缺点,g17902g17819对g8623g2062形状归g12879,跟踪g8623g2062穿插g1122边界的整个g17819程,g5567g17907消除图像g8623g2062。黄琴g8886等13概述了如何g4570模糊方法、活g2172轮廓模型、g17963g1268算法和神经网络等g7380g7044理g16782和思路g5224g11004在图像分割领域中。许g7044征等14g1075g17839一g8505概述了图像分割的g7044理g16782和g7044方法,比如数g4410形态
17、g4410、模糊集、神经网络、支持g2533量机、免疫算法、图g16782和粒度计算等在图像分割方面的g5224g11004。 还g2499g1209g18331g11004数g4410理g16782g8726g19420g1552,使g11004数g4410统计方法、聚g12879分g12879方法、泛g2001分析方法15、g1207数插g1552方法、样条g2001数方法g1209及g2001数逼近理g16782方法16。 程东旭等17对g3534g1122样条插g1552的图像分割算法g17839g15904了研究,使g11004样条插g1552方法对图像的灰度直方图g17839g15
18、904曲线拟g2524,获得直方图的曲线表达,g1889g2045g11004对g2001数g8726极g1552的方法获取g19420g1552,g17839而对图像g17839g15904g19420g1552分割。陈争光等18g1075g17839g15904了g12879似的研究工作。 本文提出一g12193借助g1122逼近g16782中的伯恩斯坦g3822项g5347g2001数一致逼近方法g7481g17839g15904g3534g1122g3822g19420g1552的图像分割。该方法g1209逼近理g16782g1038前提,比g1268统的g19420g1552方法g8
19、726g16311g8505骤简单,比一般的数g4410插g1552方法的计算g17819程简单,g2499操作性和g5224g11004性g1075较g5390,支持图像分割中直方图的去g3134和g3822g19420g1552g8726g16311。 数字图像在数字g2282和g1268输g17819程中时常带g7389g3134g3780干扰,g1866灰度直方图g14270g9994g1075会出现g3134g3780,主要表现是直方图曲线上的大量g8623g2062现象。借助g1122伯恩斯坦g3822项g5347的光g9381性、保凸性、保符号性和保单调性等诸g3822g1260
20、良性质,g1866对一般曲线的g1852g4628轮廓逼近非常g3921,g1186而避开了直方图曲线上的g3134g3780,并g17902g17819g3822极g1552的g8726g16311很g5567获得原直方图曲线上的g3822g4804g16907g1552,g1186而获得g3822g19420g1552。 2 灰度直方图的伯恩斯坦一致逼近多项式 2.1 威尔斯托拉斯定理 1885 年,威尔斯托g6301斯(Weierstrass)提出了对g1122连续g2001数,记作 f(x),存在g3822项g5347逼近g2001数,记作P(x),g1209g991是威尔斯托g630
21、1斯第一逼近g4462理19。 设 f(x)是a,b上的连续g2001数,则0,P(x)g3822项g5347满足不等g5347 |f(x)P(x)| (1) 对g1122xa,b一致成立。 2.2 伯恩斯坦定理及伯恩斯坦多项式 1912年,伯恩斯坦(Bernstein)针对上述威尔斯托g6301斯g4462理中的P(x),构造出g1209g991的一g12193特g8542一g1815ng8437g3822项g5347g2001数,g12228g1038伯恩斯坦g3822项g5347,记作Bn(f,x)。 () ()0,nnkkkBfx f Pxn=(2) g1866中, () ( )1nk
22、kknPx x xk=,x0,1。 g17902g17819伯恩斯坦g3822项g5347,伯恩斯坦构造性g3332g16789明了威尔斯托g6301斯g4462理,g1209g991是伯恩斯坦逼近g4462理19。设f(x)是0,1上的连续g2001数,则伯恩斯坦g3822项g5347Bn(f,x)在0,1上一致g6922g6959g1122 f(x)。伯恩斯坦g4462理不g1306g16789明了 ()()lim ,nnBfx fx= ,0x1,而g1000在 f(x)g11220,1的各阶g4560数存在的前提g991,还g17839一g8505g16789明了Bn(f,x)的各阶g4
23、560数g1075一致g6922g6959g1122 f(x)相g5224的各阶g4560数。本文g11004到Bn(f,x)及g1866一阶、g1120阶g4560数。 2016196-2 万方数据58 通 信 学 报 第37卷 2.3 伯恩斯坦多项式的性质 伯恩斯坦g3822项g5347g1867g7389g1209g991g1972个重要性质。 1) 保单调性质 如g7536f(x)是0,1上的单调g3698(g1955)g2001数,则Bn(f,x)g1075是0,1上的单调g3698(g1955)g2001数。 2) 保符号性质 如g7536f(x)g3050对x0,1成立,则Bn(
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