基于圖割和四元數(shù)的非監(jiān)督彩色圖像分割方法研究.pdf

1、彩色圖像分割是指按照某些準(zhǔn)則把圖像劃分為同質(zhì)、有特殊語(yǔ)義的不同區(qū)域。作為圖像分析和圖像理解的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，彩色圖像分割一直是計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。基于馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)（Markov Random Fields, MRF）的圖割優(yōu)化方法（Graph Cuts），通過(guò)把分割問(wèn)題形式化為標(biāo)記（Labeling）問(wèn)題或能量最小化（Energy Minimization）問(wèn)題進(jìn)行求解，已被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理領(lǐng)域。目

2、前，基于圖割的圖像分割方法主要用于前景/背景交互式分割，但對(duì)于非監(jiān)督彩色圖像分割而言，由于自動(dòng)確定分割數(shù)目較為困難，加之圖像中常包含復(fù)雜的顏色和紋理信息，給基于圖割的非監(jiān)督彩色圖像分割增加了難度。早期的彩色圖像分割方法大都是繼承灰度圖像分割技術(shù)，并沒(méi)有考慮顏色通道之間的相關(guān)性。近年來(lái)，四元數(shù)（Quaternion）因能夠處理顏色通道之間的耦合性，為整體處理彩色圖像提供了理論基礎(chǔ)，但如何使用四元數(shù)理論進(jìn)一步提高彩色圖像分割的質(zhì)量，還有待科

3、研工作者去探索和研究。
　　針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)基于四元數(shù)的彩色圖像顏色和紋理特征表示和提取方法、圖割優(yōu)化方法和理論進(jìn)行了深入分析和研究，并提出了基于四元數(shù)理論的彩色紋理特征提取方法，結(jié)合基于圖割的優(yōu)化方法、區(qū)域合并及高斯金字塔等設(shè)計(jì)了三種主要的非監(jiān)督彩色圖像分割方法，以提高使用圖割方法對(duì)彩色圖像進(jìn)行自動(dòng)分割的性能，具體內(nèi)容如下。
　　提出一種基于多尺度四元數(shù)Gabor濾波（Multi-scale Quaternion Gabo

4、r Filter,MQGF）和圖割的非監(jiān)督彩色紋理圖像分割方法，利用MQGF處理顏色通道之間的相關(guān)性和紋理特征的尺度問(wèn)題，使用多元有限混合模型對(duì)顏色和紋理特征進(jìn)行建模，并采用基于圖割的二分框架和最小描述長(zhǎng)度（Minimum Description Length,MDL）準(zhǔn)則相結(jié)合的策略，從而實(shí)現(xiàn)彩色紋理圖像的快速、自動(dòng)分割。通過(guò)在合成紋理圖像、Berkeley分割數(shù)據(jù)庫(kù)及Weizmann數(shù)據(jù)庫(kù)上的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，使用MQGF提取圖像特征，

5、提升了特征的鑒別能力，而標(biāo)準(zhǔn)圖割和MDL準(zhǔn)則相結(jié)合的策略能夠自動(dòng)獲取分割結(jié)果，提高了該方法的魯棒性。
　　針對(duì)基于超像素的區(qū)域合并和基于圖割的分割方法各自的缺陷，提出一種區(qū)域合并和圖割技術(shù)相結(jié)合的彩色圖像分割方法，利用基于MRF能量最小化合并準(zhǔn)則對(duì)圖像的過(guò)分割結(jié)果（超像素）進(jìn)行合并，將合并結(jié)果作為多標(biāo)簽圖割方法優(yōu)化的初始分割并進(jìn)行優(yōu)化，并引入兩層高斯金字塔來(lái)降低分割的時(shí)間復(fù)雜度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法彌補(bǔ)了區(qū)域合并方法的邊界錯(cuò)位、不

6、光滑等缺陷，同時(shí)提高了圖割優(yōu)化的性能。
　　在基于重標(biāo)記的圖割優(yōu)化方法分割圖像的過(guò)程中，因標(biāo)簽過(guò)多易導(dǎo)致圖割優(yōu)化效率低和過(guò)分割問(wèn)題，對(duì)此提出了一種多組件圖割方法。該方法把標(biāo)簽相同但不相鄰的區(qū)域處理為與該標(biāo)簽對(duì)應(yīng)分割的多個(gè)組件，而不再使用新標(biāo)簽標(biāo)記。多組件圖割和高斯金字塔融合，稱為兩段多組件圖割，進(jìn)一步減少了噪聲的影響，同時(shí)提高了多組件圖割的分割效率和質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合兩種新的彩色圖像紋理特征提取方法，基于四元數(shù)cut-off窗