基于圖論的圖像分割及其嵌入式應(yīng)用研究.pdf

1、圖像分割是一種底層的圖像處理技術(shù)，它根據(jù)特定的特征將圖像分離為連通的有意義區(qū)域，可以廣泛應(yīng)用在圖像及視頻的高級處理任務(wù)中。圖像分割技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，形成了眾多的方法、繁雜的類別和海量的文獻(xiàn)，但是與人眼視覺特征相一致的全局分割問題一直得不到解決。在這些方法中，基于圖論最小生成樹的方法利用區(qū)域比較準(zhǔn)則和最小生成樹算法分割圖像，具有獲取全局特征的能力，計(jì)算速度快，是一種可以作為應(yīng)用研究的分割方法之一。本文的工作主要基于此算法。 為

2、了提高此算法應(yīng)用的可能性，我們需要更改算法及優(yōu)化程序，提高其全局分割效果和計(jì)算速度。本文在分析基于最小生成樹分割算法概念、原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)其運(yùn)算瓶頸為邊的數(shù)目，也就是圖中實(shí)際計(jì)算的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。因此本文利用圖像局部特征相似的特性，使用N×N，N=1，2，3大小的自適應(yīng)像素塊映射為單個計(jì)算節(jié)點(diǎn)，大大降低了實(shí)際計(jì)算的節(jié)點(diǎn)和邊的數(shù)目，從而降低了核心算法的計(jì)算復(fù)雜度。 為了適應(yīng)塊結(jié)構(gòu)，本文更改了鄰域系統(tǒng)，提出了基本連接

3、和超連接的層次?；具B接保證了相鄰區(qū)域的鄰近性，而超連接提供了區(qū)域之間的連續(xù)性。這種兩層的連接方式提高了算法獲取全局特征的能力，獲得了既不過分割也不欠分割的效果，接近圖像對象的數(shù)目，減少了原算法分割區(qū)域的數(shù)目。另外，為了分析基于最小生成樹算法的結(jié)構(gòu)，本文將其分為三個階段：前處理、核心算法和后處理。原算法大部分的計(jì)算負(fù)擔(dān)集中在核心算法上，算法結(jié)構(gòu)極不均衡。因此，本文在保證三個階段接口不變的基礎(chǔ)上，將構(gòu)造圖的過程從核心算法階段轉(zhuǎn)移到前處理階

4、段，均衡了計(jì)算量，增加了算法并行處理的能力。 圖像進(jìn)行分層分析和表達(dá)由來已久，具有在不同分辨率下表現(xiàn)圖像內(nèi)容的優(yōu)勢。金字塔圖像分割方法是一種分層的分析方法，其突出優(yōu)點(diǎn)是可以累積局部特征，從而表現(xiàn)全局特征。金寧塔分為規(guī)則金寧塔和非規(guī)則金字塔，后者可以克服前者的剛性特點(diǎn)，與圖像內(nèi)容相適應(yīng)，成為金字塔圖像分割算法的主要實(shí)現(xiàn)形式。人們提出了不同的非規(guī)則金字塔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和縮減方法，但足大多數(shù)比較復(fù)雜。本文利用基于最小生成樹分割算法計(jì)算速度快

5、、結(jié)構(gòu)簡單、有效進(jìn)行區(qū)域比較的優(yōu)勢，將其作為縮減核應(yīng)用到非規(guī)則金字塔結(jié)構(gòu)中，形成一種快速有效的塊嵌入非規(guī)則金字塔分割算法。為了將金字塔高度控制在合理范圍內(nèi)，提高縮減因子，本文在第零層使用塊結(jié)構(gòu)加快其收斂速度，并提出了一種快速的鄰近區(qū)域搜索方法以有效地構(gòu)造高一層的邊。試驗(yàn)結(jié)果表明，新的算法具有良好的分割效果和計(jì)算速度。 塊嵌入非規(guī)則金字塔分割算法使用區(qū)域的特征平均值代替父節(jié)點(diǎn)的特征值，降低了噪聲對算法的影響，從而無需額外的去噪方法

6、，消除了原算法的高斯濾波參數(shù)。本文使用權(quán)重的最大最小差值代替原算法抑制小區(qū)域的參數(shù)，可以在每層上自動適應(yīng)圖像的特征。另外，在構(gòu)造塊結(jié)構(gòu)的過程中，本文使用圖像的標(biāo)準(zhǔn)差作為比較準(zhǔn)則，從而無需輸入塊構(gòu)造參數(shù)。金字塔累積局部特征的本質(zhì)可以去除合并小區(qū)域的步驟，從而消除了最小區(qū)域參數(shù)。本文的這些工作使塊嵌入非規(guī)則金字塔分割算法成為一個參數(shù)獨(dú)立的自動分割算法，有利于實(shí)際應(yīng)用。 良好的分割效果與快速計(jì)算速度使分割算法進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)用成為可能。本文

7、在高清數(shù)字電視解碼器片上系統(tǒng)平臺軟硬件工作的基礎(chǔ)上，分析了基于MIPS處理器的嵌入式平臺在時(shí)間和空間上的運(yùn)算資源優(yōu)化，嘗試將基于最小生成樹的圖像分割算法進(jìn)行嵌入式移植。在回顧算法改進(jìn)的基礎(chǔ)上，本文對程序代碼進(jìn)行運(yùn)行時(shí)間和空間上的優(yōu)化，包括運(yùn)行時(shí)間剖析、緩存優(yōu)化、調(diào)用關(guān)系優(yōu)化和動態(tài)內(nèi)存分析等，以軟件IP的形式移植到基于MIPS開發(fā)平臺Malta板上。分割程序建立在一個嵌入式軟件系統(tǒng)上，包括啟動程序、Linux操作系統(tǒng)、API和庫等，以主機(jī)