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基于最小描述长度准则的活动围道方法及其若干相关技术

张丽飞  
【摘要】: 图像分割作为一门基本技术在医学、遥感及其它图像处理领域中有广泛应用。在各种分割技术中,活动围道分割方法在分割的准确性方面明显优胜于现有的各种非围道方法,因而在研究和应用两方面都倍受关注。然而现有围道方法存在抗噪性能差,对初始围道位置和图像属性限定性强,拓扑自适应差等缺点,这些缺点限制了现有围道方法的实用性。 为了发展更实用的活动围道图像分割方法,需要了解和利用图像作为随机场的特性;需要体现分割图像的最基本依据,例如目标区域上指定特性的一致性;以及需要控制分割围道形态的规则性。可惜的是,现有的围道方法还未能充分体现这三方面的要求。本文采用最小描述长度(MDL)准则,将这三方面的要求具体化为对应的描述长度,进而推导出活动围道的能量泛函。以该能量泛函为基础,提出了更合理的活动围道方法—基于MDL的活动围道方法。MDL准则的基本思想是建立可以精确描述对象的数学模型,并且使描述,语言,达到最短。因而,MDL准则可以确保用最低的模型复杂性达到高的模型精确度。基于该准则导出的新分割方法较全面地克服了现有围道方法的缺点。 本论文工作的创新点主要在以下方面: 1.基于MDL准则,提出了一种新的能量泛函。在该能量泛函中,同时描述了随机场图像的特性,围道的区域一致性特性以及围道的形态特性。随机场图像的描述语言采用概率分布模型,描述长度是围道内外区域中图像数据概率的以2为底对数的负数;活动围道区域一致性的描述语言为有符号的梯度图,描述长度是围道内区域有符号梯度的总和;围道形态的描述语言采用平滑性,描述长度正比于围道的长度。所提出的能量泛函,综合地使用了抗噪性能强的区域信息和定位精度高的边界信息,可以同时估计出区域的数目,各区域的特性参数以及边界位置。 2.基于所提出的能量泛函,提出了一种新的参数型活动围道方法—参数B样条型基于MDL准则的活动围道方法。该方法是一种图像两步分割方法,给出位于感兴趣区域内的种子点后,首先用Canny算子检测出各个方向上与种子点最近的棱边点,以这些点为控制点,形成初始的B样条活动围道。然后用Lagrangian法最小化围道的能量泛函,来获取准确目标边界。同时也提出了基于区域欧拉数的拓扑自适应处理方案,有效地解决了参数型活动围道方法中的拓扑自适应性问题。与现有参数型围道方法相比,参数B样条型基于MDL的围道方法是性能最 好的方法之一,具有抗噪性能强,定位精度高,可以分割出模糊不清目标的有意 义边界,具有拓朴自适应性且拓扑自适应处理方法简单,以及人为干预少等优点。 实验证明了该方法的有效性。 3,基于所提出的能量泛函,提出了一种新的几何型活动围运方法一几何型基 于MDL准则的活动围道方法。在该方法中,首先采用各向异性扩散法对图像进 行可控噪声强度的光滑;然后基于该光滑图像,用曲线进化和水平截集0evel Set) 方法最小化所提出的能量泛函,得到低定位精度的活动围道;最后基于原始图像, 以低定位精度的活动围道作为初始活动围道,进一步获得高定位精度的活动围 道。与现有几何型活动围道方法相比。几何型基于MDL的围道方法是性能最好 的方法之一,只有抗噪性能强,定位精度强,去除噪声可控,拓扑自适应性强, 对初始活动围道位置的局限性低,对背景区域属性局限性低,可以分割出模糊不 清目标的有意义边界等优点,社一下I·实川性较强的活动地道分别方论。对大社会 成图像和实际图像分割实验证明了该方法的有效性和实用性。 4.基于几何型MDL准则的活动围道方祛,提出了一种基于活动围道的无监 督纹理图像分割方法。方法适合于分割由粗细程度差别较大或方向性差别较大的 纹理组成的图像。在方法中,采用Gabor滤波器库提取出纹理图像的各个特征图, 并将所提出能量泛函扩展为特征量为矢量的能量泛函。为了提高Gabor滤波器库 提取纹理图像特征图的速度,利用滑动矩形窗数据间的关系,提出了二维滑动地 形窗傅氏变化的快速递推算法。 5,提出了一种新的水平截集函数初始化和重初始化方案。方法首先直接计算 出距离函数,此时水平截集函数不具备充分的光滑性;然后基于MumfordShah 泛函光滑距离函数的突变部分,而保留距离函数的光滑部分。所提出的方法,可 使初始化后的水平截集函数同时具有距离函数和充分光滑性的特征,可有效降低 水平截集方法重初始化的次数和计算达到稳态的时间。


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