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邻域灰度差加权的模糊C均值聚类图像分割算法

来源:世旅网
Vo1.33,No.12 火力与指挥控制 Fire Contro1 and Command Control 、 December,2008 第33卷第12期 2008年12月 文章编号:1002—0640(2O08)12—0034—03 邻域灰度差加权的模糊C均值聚类图像分割算法 沙秀艳 ,何友 ,王贞俭 烟台 264001) (1.鲁东大学数学与信息学院,山东 烟台 264025,2.海军航空工程学院,山东摘要:模糊C均值(FCM)算法用于灰度图像分割是一种非监督模糊聚类后再标定的过程,适合灰度图像中存在着模糊 和不确定性的特点。但是这种算法没有考虑到样本空间中不同的样本点对分类的贡献不同,因此分割效果不理想。提出了邻 域灰度差加权的模糊c均值聚类算法,实验结果表明,该算法不仅取得了很好的分割效果,而且加快了算法的收敛速度,从而 满足了图像分割的有效性、实时性的要求。 关键词:图象分割,模糊C均值聚类,加权模糊C均值聚类,邻域灰度差 中圈分类号:TP391 文献标识码:A An Image Segmentation Algorithm of Weighted with Neighb0rh00d Gray Difference Fuzzy C-means Clustering SHA Xiu—yan ,HE You ,WANG Zhen—jian (1.School of Mathematics and Information,Ludong University,Yantai 264025,China, 2.Naval Aeronautical Engineering Institute,Yantai 264001,China) Abstact:It is a procedure of the label following an unsupervised fuzzy clustering that fuzzy c—means (FCM)algorithm is applied for gray image segmentation,and it suits for the uncertain and ambiguous characters in gray image.But this algorithm doesn’t consider that different sample variously influences the result of the class in sample space.So the result isn’t idea1.This paper introduces an image segmentation algorithm of weighted with neighborhood gray difference fuzzy C—means clustering.Experimental results demonstrate that this scheme can not only effectively segment,but also quikly converge.So it can effectively and timely segment the target from its background. Key words:image segmentation,fuzzy C—means clustering(FCM),weighed fuzzy C—means clustering (WFCM),neighborhood gray difference 言 图像分割是指把图像分解成各具特性的区域并 提取出感兴趣目标的技术和过程,它是由图像处理 别和医学图像处理等实际中得到了广泛的应用。 近几年来,研究人员不断改进原有方法并把其 他学科提出的一些新理论和新方法用于图像分割, 提出了许多的分割方法。如提出的最大熵图像分割 算法[2],最小错误分割算法[3],分水岭分割算法L4], 基于小波变换的自动阈值选取算法[5],基于数学形 态学的算法[6 ],利用神经网络的算法[8 ],基于遗传 算法的分割算法filo,lH等等。在众多的分割算法中, 基于模糊c一均值聚类的图像分割方法是图像分割 领域中一类极其重要和应用相当广泛的算法。但是, 在Bezdek[xz3指出,最小化误差平方和目标函数具有 到图像分析的一个关键步骤Ⅲ,在图像工程中占有 非常重要的位置,并且已在诸如计算机视觉、模式识 收稿日期:2007一l1—1O ._|回日期:2007—12—08 *基金项目:国家自然科学基金资助项目(60172033);鲁东 大学校基金资助项目(L20072703) 作者筒介:沙秀艳(1977一),女,山东枣庄人,在读硕士研 究生,主要研究方向为图像处理、目标检测。 沙秀艳,等:邻域灰度差加权的模糊C均值聚类图像分割算法 (总第33—1729) ・35・ 对数据集进行等划分的趋势,这种缺陷影响了聚类 精度。针对这个问题,本文提出了一种邻域灰度差加 权的模糊C均值聚类算法,实践证明,该方法在一 一2 生{~ (4) ∑ c 定程度上克服了FCM算法对数据集进行等划分趋 势的缺陷,可以有效地把目标从背景中分离出来。 ( , )的极小化迭代算法如下: ; 1)确定聚类类别数C和加权指数m,设定迭代 2 1 2 1 标准模糊C均值聚类分割算法 模糊c均值聚类算法(FcM)是一种迭代优化 ¨ ¨ .. 停止阈值£为一小正数,初始化迭代次数Z一0和模 ¨ 糊分类矩阵 ‘。 。 的无监督方法,一方面,它具有良好的局部收敛特 性。另一方面,它适合在高维特性空间中进行像素的 分类。它是依据最小二乘原理采用迭代方法优化目 标函数式(1)来获得对数据集模糊划分的方法。用隶 属度函数定义的聚类损失函数为 、—、、 —、 £, cM(【,, )一25 52 lI z^一 Il。 (1) =1 l=1 这里,X一{z。,z。,…,z ,…,z )表示数据集X, z 为P维向量; m∈[1,o。]为加权指数,且 取得越大,所得的 分类矩阵模糊程度越大,当 一1时,为硬分类,通 常取值为2。 为P维向量,其表示第i类聚类中心, 为第 k个像素属于第i类的隶属度,如果将 分为C类, 并使得每一类中至少包含一个样本,再将每一样本 属于某一类的程度用模糊隶属度表示,则分类结果 可用如下c× 阶模糊矩阵 来表示, 1 tI, I Itz2一   —I.: ● IL  tIc 这里 需要满足如下约束条件, ^∈[0,1],V V k; l≤l≤c1≤t≤“ 25 一1] ,V k; (2) l=1 1≤ ≤ _、 O<厶It < ,V =1 1≤ ≤ Jvc”( , )表示各类中样本到聚类中心的加权 距离平方和,加权指数为样本zt对第i类的隶属度 的 次方。聚类准则取为寻求最佳组对( , ), 以使t,rc (U, )取最小值,结合式(2)中约束条件, 利用拉格朗日乘数法求解可以得到, ih一 客[ r (3) 2)将 “ 代入式(4)计算聚类中心矩阵 “ 。 3)根据式(3),利用 “ 更新U“ ,得到新的模糊 分类矩阵 “ ’。 4)若lf “’一 “¨ fl<£,停止。否则置 — + 1,返回2)。 2 邻域灰度差加权的模糊C均值聚 类图像分割算法 2.1加权系数的计算 对于给定的数据集x,一般并不能给出数据集 的准确数据分布类型,但根据一般常识,如果样本点 处的灰度与其周围样本点灰度差别越小,那么它们 属于同一类别的可能性越大。因此,样本点与其周围 样本点灰度差别可以表征该样本点对分类的影响程 度,在此基础上构造出了加权系数OAk用来表示第k 个样本z 对分类的影响程度。 对于每个样本点z , tk::厶—ri:1,i∑≠k .÷d ,,≤71≤ 、  ,≤惫≤ ,’ 1≤点’  ≤ ’ (5) n一1 这里,d批一I —z I表示图像中任意两个像素 的灰度差。其中,1≤ ≤ ,1≤愚≤ 。 。n表示采用图 像 邻域。 然后,对t 进行归一化,即得到本文算法的加 权系数 。 . AOk: L,1≤志≤ (6) ∑t , 2.2邻域灰度差加权的模糊C均值聚类图像分割 算法的实现 由于传统的模糊C一均值聚类算法没有考虑到 样本空间中不同的样本点对分类的贡献不同,所以 图像的分割效果不理想。因此,采用加权的模糊c 均值聚类图像分割算法(FCM),对待分类的每个样 本根据其对分类的贡献不同都赋予不同的权值。 该算法将目标函数式(1)修正为 ・36・(总第33—1730) 火力与指挥控制 2008年第12期 JFCM((【,,,,)一厶 V)一∑ 25 嚣I嚣Il z 一 1I z (7) 利用拉格朗日乘数法求解得到 和式(3)相 同,表达式(4)则变为: 保持能力。边缘保持指数值越高,边缘保持能力就越 好,其公式为: ∑ID 一D I ESI= ————一 (9) ∑ 一∑ID 一D I l=l 生}一 (8) ∑ =1 其中,D 、D ,分别为此边缘两边的点,D , D ,为相应点的分割后的点。 由表1可以看出,采用邻域灰度差加权的模糊 然后按照第一节中标准FCM聚类算法的迭代步骤 极小化目标函数J c ( , )。 3 实验结果与分析 为了验证采用算法的有效性,分别采用了Otsu 算法、标准的FCM聚类算法以及本文提出的算法 对一幅大小为256×256,灰度级为256的图像(a) 进行分割,分割结果如图1所示。 (a)原图(b)Otsu分割图 (c)标准FCM分割图 ■ (d)WFCM分割图 图I原图及其分割结果 首先,由图1的分割结果可以看出,0tsu算法 和标准的FCM聚类算法的分割效果基本相同,都 不能完整地分割出目标。本文提出的邻域灰度差加 权的模糊C均值聚类算法可以较好地把目标从背 景中完整地分割出来。 然后,采用边缘保持指数及其迭代次数定量的 比较图像的分割效果见表1。 表1 边缘保持指数及其迭代次数比较 边缘保持指数是用来表征图像分割前后的边缘 C均值聚类算法分割后图像的水平方向、垂直方向、 主对角线方向、次对角线方向的边缘保持指数明显 优于标准的FCM聚类算法。而且,当目标函数收敛 到最小值时,这两种算法分别的平均迭代次数时18 次、3次,可见,算法的平均收敛速度比标准FCM快 6倍。由此可见,采用邻域灰度差加权的模糊C均值 聚类算法不仅具有较好的边缘保持能力,而且加快 了算法的收敛速度,减少了算法的迭代次数,可实时 地把目标从背景中分割出来,有一定的实际意义。 4 结 论 本文采用了一种新的加权模糊C均值聚类算 法对灰度图像进行分割,该算法不仅大大改善了图 像的分割效果,而且加快了算法的收敛速度,减少了 算法的迭代次数,节省了运算时间,从而满足了图像 分割的有效性、实时性的要求。 参考文献: [1] 章毓晋.图像分割[M].北京:科学出版社,2001. 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(下转第4O页) ・40・(总第33—1734)^ v瓣盛  ^ 0榭=苦}般 椒 火力与指挥控制 2008年第12期 篓 很好进行天波超视距雷达的航迹维持。算法可以P DA参考…… … ford G W,Evans R J。A Multipath Data [1] PulAssociation Tracker for 0ver..the..Horizon Radar [J].IEEE Transactions 0n Aerospace and Electronic Systems,1998,34(4):1165—1182. ndalee Tracker:PDA [2] Colegrove S B.Advance Ji时间(拍数) ^茸 榭 迢 姑 霸 啦 撼 检测概率 ^s)厘留 Multiple Model Initiation Filter[R].Defence Science and Technology Organization Technical Report No.DSTO—TR-0659,1999. [3] 检测概率 Musicki D E,Stankovic S.Integrated Probability Data Association[J].IEEE Transactions on Automatic Control,1994,39(6):1237一l241. 检测概率 图2 Fl =0.9, 一3时的雷达工作曲线 [4] Colegrove S B,Davey S J,Cheung B.PDAF Versus PMHT Performance on OTHR Data[A].Radar Conference.2003.Proceedings of the International 3 结 论 通过把As—IPDA算法引入到OTHR目标跟踪 环境中,本文给出了一种新的OTHR目标跟踪算 法。通过大量的仿真,验证了As—IPDA算法用在天 波超视距雷达目标跟踪中的可行性;对目标存在性 转移参数,平滑步长的参数分析,给出在仿真中参数 选取的建议;对检测概率进行分析,验证了算法对检 测概率的鲁棒性。 [5] Publication Date[C],2003. 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