策略模式在圖像分割中的應(yīng)用
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圖像分割是一種重要的圖像技術(shù)，它不僅得到人們廣泛重視和研究，也在實(shí)際中得到大量的應(yīng)用。圖像分割在不同領(lǐng)域中有時(shí)也用其他名稱，如目標(biāo)輪廓技術(shù)閾值化技術(shù)，圖像區(qū)分或求差技術(shù)，目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)，目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，目標(biāo)跟蹤技術(shù)等，這些技術(shù)本身或核心實(shí)際上也是圖像分割技術(shù)。圖像分割的算法有很多，但是，在目前還沒(méi)有一個(gè)算法是適合于所有的圖像分割。針對(duì)不同的領(lǐng)域、不同的條件，應(yīng)該選用不同的分割算法。
1 基本概念
1．1 圖像分割定義
借助集合概念對(duì)圖像分割可給出如下的定義：令集合R代表整個(gè)圖像區(qū)域，對(duì)R的分割可看作將R分成N個(gè)子區(qū)域Rl，R2，…RN的過(guò)程：
(a)URi=R；
(b)讀所有的i和j，i≠j，有Ri∩Rj=φ；
(c)對(duì)i=l，2，…，N，有P(Ri)=TRUE；
(d)對(duì)i≠j，有P(Ri∪Rj)=FALSE；
(e)對(duì)i=1，2，…，N，Ri是連通的區(qū)域。
其中P(Ri)是對(duì)所有在集合Ri元素的邏輯謂詞，φ代表空集。
對(duì)圖像的分割總是根據(jù)一些分割準(zhǔn)則進(jìn)行的。條件(a)說(shuō)明分割必須是完全的；即，每個(gè)象素必須屬于一個(gè)區(qū)域。條件(b)要求區(qū)域中的點(diǎn)必須與某個(gè)預(yù)定義的準(zhǔn)則相聯(lián)系。條件(c)說(shuō)明不同區(qū)域必須是不相交的。條件(d)涉及在分割區(qū)域內(nèi)必須滿足的性質(zhì)――例如如果所有Ri內(nèi)的像素有相同的灰度級(jí)，則P(Ri)=TRUE。條件(e)說(shuō)明區(qū)域Ri和Rj對(duì)于謂詞P是不同的。
1．2 Strategy模式
按照四人團(tuán)的說(shuō)法，Strategy模式的意圖是：定義一系列的算法，把它們一個(gè)個(gè)封裝起來(lái)，并且使它們可相互替換，本模式使算法可獨(dú)立于使用它們的客戶而變化。將算法的選擇和算法的實(shí)現(xiàn)相分離，讓客戶可以基于場(chǎng)景作出選擇。
2 典型算法
2．1 邊緣檢測(cè)邊界閉合法
為將圖像中不同的區(qū)域分開(kāi)，需要將邊緣象素連接起來(lái)組成區(qū)域的封閉邊界。邊緣檢測(cè)算子都是并行工作的，如果邊界閉合也能并行完成，則分割基本上可以并行實(shí)現(xiàn)。邊緣象素連接的基礎(chǔ)是它們的梯度之間有一定的相似性。用梯度算子對(duì)圖象處理可得到象素兩方面的信息：1)梯度的幅度；2)梯度的方向。結(jié)合邊緣象素梯度在這兩方面的相似性可把邊緣象素如下連接起來(lái)。具體說(shuō)來(lái)如果象素(s，t)在象素(x，y)的領(lǐng)域且它們的梯度幅度和梯度方向分別滿足以下兩個(gè)條件(其中T是幅度閾值，A是角度閾值)：
那么就可將(s，t)的象素與在(x，y)的象素連接起來(lái)。如對(duì)所有邊緣象素都進(jìn)行這樣的判斷和連接就有希望得到閉合的邊界。
2．2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃輪廓搜索法
動(dòng)態(tài)規(guī)劃是一個(gè)多步?jīng)Q策過(guò)程，它通過(guò)把一個(gè)N步過(guò)程化為N個(gè)單步過(guò)程的方法使算法的復(fù)雜性按對(duì)數(shù)律降低。根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的原理，可將全局最優(yōu)化成局部最優(yōu)之和。動(dòng)態(tài)規(guī)劃輪廓搜索法是：
令r(n)為從起始結(jié)點(diǎn)s出發(fā)經(jīng)過(guò)當(dāng)前結(jié)點(diǎn)n到達(dá)目標(biāo)結(jié)點(diǎn)g的最小代價(jià)通路的估計(jì)代價(jià)。這個(gè)估計(jì)代價(jià)可以表示成兩個(gè)代價(jià)之和，即從起始結(jié)點(diǎn)s到當(dāng)前結(jié)點(diǎn)n的最小代價(jià)通路的估計(jì)代價(jià)t(n)以及從當(dāng)前結(jié)點(diǎn)n到目標(biāo)結(jié)點(diǎn)g的通路的估計(jì)代價(jià)h(n)之和：
r(n)=t(n)+h(n)
這里t(n)可取為目前從結(jié)點(diǎn)s到結(jié)點(diǎn)n的最小代價(jià)通路，h(n)可借助某些啟發(fā)性知識(shí)得到。常用的啟發(fā)性知識(shí)包括通路的方向性(是否指向搜索的終點(diǎn))，光滑性(可通過(guò)曲率計(jì)算來(lái)估計(jì))以及代價(jià)估計(jì)。代價(jià)的計(jì)算可參照前面的方法。根據(jù)r(n)=t(n)+h(n)進(jìn)行圖搜索的搜索算法(稱為A*算法)由以下幾個(gè)步驟構(gòu)成：
1)將起始結(jié)點(diǎn)標(biāo)記為OPEN并置t(s)=0；
2)如果沒(méi)有結(jié)點(diǎn)為OPEN，失敗退出，否則繼續(xù)；
3)將r(n)=t(n)+h(n)算得的估計(jì)代價(jià)r(n)為最小的OPEN結(jié)點(diǎn)標(biāo)記為CLOSE；
4)如果n是目標(biāo)結(jié)點(diǎn)，找到通路退出，否則繼續(xù)；
5)展開(kāi)結(jié)點(diǎn)n，得到它的所有子結(jié)點(diǎn)(如果沒(méi)有子結(jié)點(diǎn)，返回步驟2))；
6)如果某個(gè)子結(jié)點(diǎn)ni還沒(méi)有標(biāo)記，置r(ni)=t(n)十c(n，ni)，標(biāo)記它為OPEN并將指向它的指針?lè)祷氐浇Y(jié)點(diǎn)n；
評(píng)論