基于最大熵-方差模型的图像分割方法
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第2l卷第6期 2011年6月 计算机技术与发展 C0MPUTER硼 CHNOLOGY AND DEVEL0PMENT Vo1.21 No.6 June 201『l 基于最大熵一方差模型的图像分割方法 张群会 ,李贵敏 ,蔺宝华 ,韩 波 (1.西安科技大学计算机学院,陕西西安710054; 2.西安科技大学理学院,陕西西安710054) 摘要:针对当图像中目标与背景的面积相差很大时,最大类间方差方法的分割性能迅速下降的问题,研究了信息熵和方 差的关系。认为信息熵和方差都被用作不确定性的度量,两者之间定会存在一定的科学关系。因此将最大熵和最大类间 方差结合起来建立数学模型,提出基于最大熵一方差模型的图像分割方法,并引入类内方差对分割进行评价来选取参数诃 整算法的分割性能,更充分地利用了图像的灰度信息。通过实验证明该方法优于最大熵方法和最大类问方差方法,具有 较强的稳定性,提高了图像分割精度。 关键词:图像分割;最大类间方差;最大熵;阈值 中图分类号:TN911.73 文献标识码:A 文章编号:1673—629X(2011)o6—0043—04 Threshold Image Segmentation Based on Maximum Entropy——Variance Model ZHANG Qun—hui ,LI Gui—min ,LIN Bao'hua ,HAN Bo。 (1.College of Computer,Xi an University of Science and Technology,Xi an 710054,China; 2.College of Science,Xi an University of Science and Technology,Xi an 710054,China) Abstract:When the area of the target and the background for an image are more different,the performance tO segment an image by the maximum between-class varince metahod declines rapidly.So have researched the relation between information entropy and variance, hink tthat both information entropy and varince are usaed as a measure of uncertainty,there must be certain scientific relations between hetwo.Hast constructedthemathematicalmodel betweenmaximumentropy andmaximum variance,a newimage segmentationmethod based on entropy-varince moadel is proposed,Adjust the performance tO segment an image through evaluating the varince wiahitn the clss,make baetter Use ofthe gray information of n iamage.Numerous experiments show that the method is beter than the method of maximum entropyandthemaximum between-class varincemetahod,themethodis very stableand enhancethe accuracy ofimage seg・ mentation. Key words:image segmentation;maximum varince baetween cluster;maximum entropy;threshold 0 引 言 图像分割”。 是指将一幅图像分解为若干互不交 叠的、有意义的、具有相同性质的区域。好的图像分割 应具备以下特征: 1)分割出来的各区域对某种性质而言具有相似 算法已有上千种,其中最经典的方法是基于灰度阈值 的分割方法。它是把像素按灰度级分成若干类,通过 设置一个灰度阈值,从而实现图像分割。基于直方图 的常见分割方法有:最大类间方差方法…、最小误差 阈值选择法 、最大熵阈值选取法…、基于最大散度 性,区域内部是连通的且没有过多小孔。 2)相邻区域对分割所依据的性质有明显的差异。 3)区域边界是明确的。 差的阈值选择法 0和基于最小类内方差的阈值选择 法 等。 就最大类间方差而言,优点是算法简单,当目标与 图像分割一直是图像工程中的重点和热点,也是 图像分析和计算机视觉中的难题。至今,提出的分割 背景的面积相差不大时,能够很有效地对图像进行分 割。但是,当图像中目标与背景的面积相差很大时,表 现为直方图没有明显的双峰或者2个峰的大小相差很 收稿日期:2010-10—25;修回日期:2011-01—22 基金项目:科技部科技型中小企业技术创新基金(08C26216111454) 大,分割效果不佳,或者目标与背景的灰度有较大重叠 时也不能准确地将目标与背景分开,导致这种现象出 作者简介:张群会(1956一),男,教授,研究方向为科学计算可视化、 图形图像处理、模式识别。 现的原因是该方法忽略了图像的空间信息,同时该方 法将图像灰度分布作为分割图像的依据因而对噪声也 ・44・ 计算机技术与发展 第21卷 相当敏感。所以在实际应用中,总是将其与其他方法 结合起来使用。笔者结合熵反映了图像的总体轮廓的 理论依据,提出基于最大熵一方差模型的图像分割方 法。通过实验证明该方法优于最大熵方法和最大类间 E。=一∑P /p。logo‘/p。 L—l =一∑P,/p口logpi/p口 方差方法,具有较强的稳定性,提高了图像的分割精 度。 两部分信息熵之和: E=Eo+ t =一L一1 (∑P /p。logo /p。+∑P./p l0gP /p ) 1 典型的阈值分割方法——最大类间方差 分割图像的最佳阈值为: 方法与最大熵方法 假设某图像的灰度范围为[0…L一1],灰度级i的 £一l 像素数为 ,图像的像素总数为N=∑n ,灰度级i的 L—l 概率为P :n/N,( =0,1,2,…,£一1),P ≥0且∑P =1。阈值t将图像分为目标0和目标 ,目标O的灰度 级范围为[0,t],目标B灰度级范围为[t+1,L一1]。 1.1最大类间方差方法(OTSU法) OTSU法¨’ 是一种依据类间方差最大化为最佳 判别条件的分割方法,具有简单、高效的特点。基本思 想:假设目标0和目标 的概率分别为: l L—I ot。:∑P.,otI:∑Pl:1一too 均值分别为: I L-I =∑/p‘/to。,Ml=∑/p /toI 整幅图的均值: L一1 ur tPi tooUo+∞lul 类间方差定义为: 2 =to0(H0一ur) +to1(“l—ur) 让t在[0,L一1]之间取值,使图像的两部分距离 最大的阈值就是OTSU法的最佳阈值。 数学表达式: t =Arsmaxo(try)=Arg m ax[t Uo一“ ) +to・ _,oo—.(1‘l一 r) ] 1.2最大熵方法 熵 是信息论中描述不确定因素的基本方法,而 图像的边界分布最具有不确定性,因而图像中目标和 背景的交界处熵最大(信息量最大),熵反映了图像的 总体轮廓。 最大熵方法 m 基本思想:设目标0和目标 的 概率分别为: f 一l P。=∑P ,P =∑Pi=1一P。 根据信息论中有关熵的定义而知目标0和B的熵 分别为: t =Arg ma axox(E):Argm(E。+ ) _。。2文中方法 最大类间方差方法是以目标与背景之间的最大类 间方差作为分离性准则的阈值图像分割方法,适应于 对目标和背景的灰度反差较大而且目标与背景的面积 接近的图像进行分割,而当图像中目标和背景的面积 相差很大时,表现为直方图没有明显的双峰或者2个 峰的大小相差很大,最大类间方差方法的分割性能迅 速下降,甚至不能正确地分割出目标。导致出现这种 问题原因是最大类间方差仅仅考虑了图像各个灰度级 的分布状况,而忽略了图像的空间信息。图像的边界 信息对图像的正确分割起着至关重要的作用,如果将 图形的边界因素综合考虑进来,一定会提高分割算法 的精确性和适应性。一幅图像的梯度图最能反映该图 像的边界信息,但是梯度基于图像的空问范畴的特征, 很难将其引入最大类间方差方法里面。在信息论中, Shannon 认为信息是不确定性的减小或消除,即得到 的信息越多,信源的不确定性就越小,所以信息熵是随 机变量不确定性程度的度量,其值越小,不确定性程度 越小、随机性越小。图像的边界分布最具有不确定性, 因而熵反映了图像的总体轮廓,熵越大则图像的边界 信息就越突出,所以文中提出基于最大熵一方差模型 的图像分割方法。 2.1图像去噪 由于基于图像灰度分布的图像分割算法会受到噪 声的干扰,因而首先要对图像进行去噪处理。在空域 滤波器中,中值滤波器可以克服线性滤波器所带来的 图像细节模糊问题,而且对过滤脉冲干扰及图像扫描 噪声非常有效,所以文中采用中值滤波器。另外,如果 图像为彩色图像,则滤波之前要进行图像的灰度 化 ¨ 处理。 中值滤波 t, 是用一个有奇数点的滑动窗口,将 窗口中心点的值用窗口中各点的中值代替。一个2D 中值滤波器的输出可以写为:g 。。 ( ,Y): median[f(s,t)] ,式中median代表取中值,即对窗 口覆盖的灰度值按数值大小进行排序,并取排序后处 , . 第6期 张群会等:基于最大熵一方差模型的图像分割方法 ・45・ 一 于中间位置的灰度值。 其步骤: 均 节,增强了算法的动态响应范围,所以算法具有较广的 值 适应性,同时也增强了算法的分割精度和稳定性。 ll 1)将模板中心与图像中某个像素位置重合; 2)读取模板下对应像素的灰度值,并将这些灰度 值从小到大排成一行; ∑Ⅲ p 3)找出这些值中排在中间的一个,将其赋给对应 术 .‘ 模板中心位置的像素。 2.2该方法的数学模型 方 £ = Argm ax(Or ̄)+(1一s) Arg omax(E。+ 差 。—。) 2 I 式中:rO =∞0(Ⅱ0一Hr) + l ul—UT) = =一∑P /p口logp /p。 L—1 =一∑Pf/p logp /p口 为图像的类间方差,E。为目标的信息熵, 为 背景的信息熵。 2.3权重系数S的计算方法 权重由分割后区域内的性质一致性原则确定。如 果分割后图像各个区域内的方差越小,则均匀性测度 越大,图像分割质量越好,所以权值就越大。 设使用最大类间方差方法计算的阈值为t,将图像 分割成目标0和 ,分割后区域的方差分别为or 和 or ,类内方差计算方法: 目标0总像素数:Ⅳ =∑ , 灰度级 对应的概率:P = #ti,(i=0,1,…,f) ■霉 0 64 128 192 256 c er ln原圆 c erm・n的直方圈 目标B总像素数:Ⅳ2=∑ , 灰度级 对应的概率:p = ,( =t+ l,t+2,…,£一1) 均值:∞:=∑P i,方差:Or; ■盘 : 最大类间方差:闻值=89 最大熵:阖值=193 本文方法:丽值=141,s=O.T i=I+l L—l 图像 ∑P (=¨l 一∞:) 同理,可以计算出使用最大熵方法计算的阈值t 将图像分割为两个目标的方差 和 :,则最大类间 方差方法计算的阈值对应的权重为: 2 . 2 (71+0"2 S=———_=————— ■————————=—————-=一 ( + )+( ;+ :) 最大熵方法计算的阈值对应的权重为:1一s 0 64 l28 l92 256 s取值介于0—1之间,当s=1.0,为最大类间方差 pentago ̄直方图 方法。由于该算法引入权值因子s使算法变得可调 图3 pentagon原图及直方图 ・46・ 计算机技术与发展 2()06. 第21卷 [2] 许新征,丁世飞,史忠植,等.图像分割的 新理论和新方法[J].电子学报,2010,38 (2A):76-82. 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