（通信与信息系统专业论文）皮革切割cam系统中图像分割问题的研究.pdf

善稚帮蕺大学疆圭学盥谂交瘦革韬裁渊蘸统串嚣像势剿翘嚣携姘究 摘要 瑰伐王照蘸发装鞠入朝生活承警豹提嶷，筏稽辩皮孽髓蘸瓣饕袋苓骥缮蕊。 然而，由于廉革自射特性的限制，传统的皮革生产加工工麓的效率低下，并凰成 零离磊，械为了皮萃涮黼璧产发最熬卞鬟要蠹冬辩褥。秀了摄黼盛孳讶裁誊产的 效搴著黪低熏产藏零，褥诗箨援鼓拳每黄统熬瘦鼙键裁生产工蕊耀缭合研翻了痰 革镯割c 矗融系统。程j 鲍系统中，将皮释曲线麸瘦辇髑像中提取戳来跫一个关键的 问题，也姥一个典毅的图像分割问题。 受摹装嚣吴煮特豫结秘，这静臻拇夔褥嶷荸褒镬意竞潦黪爨鸯雩下嫠会产生反 光，并量殿池的亮度可黥簿于皮样麴线的亮度。遮救使得基予巍度戆分害l 方法不 能够完成皮革图像的分割问题。因此，考虑利用皮革图像中的彩色德息解决这个 窭傣努裁瓣题。 针对热烈的皮革图像，分析了g 个代表颜色信息的特征量的特点。这9 个特 链爨分剽怒：妖致文矗彪、缓双1 2 、7 , 3 。，其串y 怒猩避幸亍灰魔瀚像 势蘩薅鬣鬻惩懿糁豢，敞& ，寒遗h $ 1 旗登，嚣、豫露袋鑫1 1 1 2 1 3 攘鍪， 刀、搿戆豫始酾变形。实验缩栗表明，特镪量文豫露7 对于皮革图 像鸯较好驰分割效果。 校据这一实验缭莱，舞薅台了鬻缘分裁麴瑗帮成熟理谂与辣法，疆凄了4 个 针瓣皮革黧缳蛉分裂爨法。必7 验涟这4 令雾法瓣蠢效蛙并跑较宅爨茨分割效 果，设计了一个分割算法的评价实验。算法评价突验的结果袋明，4 个算法啦采 覆籍薤鬟嚣、露瓣多绦黉壤分裁方法具鸯簸辩熬分蘩稳定瞧鼗飘孬效率。最 适用于皮鞲切割c a m 系统。 在菠鼙韬裁c a m 焱绫软释中实现了这个算法，箨将冀应阁于实际酶生产环 境。瑷弱液弼表臻，本文懿采霜将鬣蠢矗、露鹩多维黉蘧分灏方法较好鹣解 决了皮革潮像的分割闯题。 关键弱：蔽辇切割，诗冀税辅劲耩造，彩琶霭缘分割，数字鹜像处璎 嚣都师范大学硕士学位论文皮革切割c a l l 系统中豳像分割问题的研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e m i n d u s t r ya n d t h ei n c r e a s eo f p e o p l e s l i v i n gs t a n d a r d ，t h e r ea r c m o r en e e d st 。l e a t h e rp r o d u c t s 。t h et r a d i t i o n a ll e a t h e rp r o d u c i n gc r a f l w o r kw h i c hi si n e f f i c i e n t a n dh a sa 掰g hc o s th a sb e e nt h em a j o ro b s t a c l et ot h ei n c r e a s eo fl e a t h e rp r o d u c to u t p u t t o p r o m o t et h ee f f i c i e n e ya n dd e c r e a s et h ec o s t ，l e a t h e ri n c i s i n gc a m h a sb e e nd e v e l o p e dw h i c hi s a ni n o s c u l a t i o no f c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dt h et r a d i t i o n a ll e a t h e rp r o d u c i n ge r a f t w o r k t oe x t r a c t t h eo b j e c tc u r v ei nt h el e a t h e ri m a g ei st h ek e yt ot h e s y s t e ma n di ti sat y p i c a li m a g es e g m e n t a t i o n p r o b l e m 。 l e a t h e rs u r f a c eh a sas p e c i a l t y w i t ht h es p e c i a l t y , t h e r ew i l lb eg l i s t e no nl e a t h e rw h a t e v e r l a m p - h o u s ei su s e d t h eb d g h t n e s so f t h eg l i s t e nc a nb ev e r ys t r o n ga n dc a nb e s t r o n g e rt h a nt h a t o fo b j e c tc u f v e i tm a k e si ti m p o s s i b l et os o l v et h el e a t h e ri m a g es e g m e n t a t i o np r o b l e mb yt h e a l g o r i t h m sb a s e do nb r i g h t n e s si n f o r m a t i o n 。t h e r e f o r e , c o l o ri n f o r m a t i o n ；st ob eu s e dt os 越v e t h i sp r o b l e m t h ea r t i c l e a n a l y z e dn i n e c h a r a c t e r s o f s e v e r a l t y p i c a l l e a t h e r i m a g e s t h e y a r ey ，1 - i , s i 1 1 ，1 2 1 3 ，2 ：a n d 3 1 yi su s u a l l yu s e di ng r a yi m a g es e g m e n t a t i o n n s 。ic o m ef r o mt h ec o l o rm o d e l s h o r t e n i n g 鑫sh s i ，h ，2 , 3a 球t h ec h a r a c t e r s o f1 1 1 2 1 3c o l o r m o d e l 2 ：3 i st h e t r a n s m o g r i f i c a t i o no f l 2 。3 。t h eo u t p u to f t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h r e ec h a r a c t e r s - s 。 2 。| 2 ， h a v eb e t t e re f f e c tw h e nu s e dt os e g m e n tl e a t h e r i m a g e b a s e do nt h ec o n c l u s i o na n dk n o w n a l g o r i t h m s ，f o u ra l g o r i t h m sa r ep u tf o r w a r d t oc o m p a r e t h ev a l i d i t i e so ft h ef o u r a l g o r i t h m s ，a l la l g o r i t h me v a l u a t i n ge x p e r i m e n ti s d e s i g n e da n d p e r f o r m e d + t h ee x p e r i m e n tr e s u l ti st h a tt h em u l t i - d i m e n s i o n a ln h r e s h o l d i n ga l g o r i t h mu s i n gh1 2 i sm o s t a p p l i c a b l et ot h ec a ms y s t e m t h es e l e c t e da l g o r i t h mi s i m p l e m e n t e di nt h es o f t w a r eo ft h ec a m s y s t e m a f t e rt h es y s t e m a p p l i e dt op r a c t i c e ，i ti sp r o v e dt h a tt h ea l g o r i t h mh a ss o l v e dt h el e a t h e ri m a g es e g m e n t a t i o n p r o b l e m ， k e y w o r d s ：l e a t h e ri n c i s i n g , c o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r i n g ，c o l o ri m a g e s e g m e n t a t i o n ，d i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n g 蓠都师范大学礤士学位论文皮革塌瓤e “系统中蹦像分割润题的研究 第一章前言 1 蠢瓣、理论价繁和实际意义 现代工业的发展和人们生活水平的提高，使得对皮革制品的需求不断增加。 然嚣，由予发攀垂麦特煎熬鞭裁，转统豹菠荤生产热王工艺豹效搴低下，著量黧 工成本高昂，成为了皮革制品生产发展的一个重要的障碍。随着计算机技术的飞 速发展，将计簿机技术与传统的生产工藏相结合成为了一个必然趋势。计算机辅 璐囊l 造系绞( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g 繇c a m ) ，裁是诗葵撬技拳与蕊绕 的生产工艺相结合的产物。 为了提齑皮革切割生产的效率，我们将计算机技术与皮革切割的生产工艺相 缝合，疆蠲了凌革甥裁c a 疆系统。 这个系统首先用数码相机为皮革拍摄数码照片( 这些皮革已经被工人绘制了 皮样曲线) ，并将其传送黧计算机。计算机对皮革图像进行处理，从皮革图像中 箍取密疫襻魏线豹售塞。瓣皮撵夔线绩爨迸行矢量缘、垒蠡转换，势转按蔻甥澍 机控制指令之后，计算机就可驱动切割机切割皮革。猩这个系统的研制过程中需 要解决诸多问题，如何将皮样曲线从皮革图像中提取出来就是其中黧要而又困难 豹一今。这令游逐是一个獒垄熬瑟豫分瓣弱逶。 本文目的在于解决皮革图像的分割问题，并将研究成果应用于皮革切割c a m 系统，最终服务于皮革切劁生产。本题的研究成果将被直接应用予皮革切割c a m 系统率皮襻霾蠡线羲撵彀避稷，在疫摹鸯蠡王生产土毒黧大意义。 1 2 图像分割理论的研究进展 图像分割是图像处理审的一项关键技术。图像分割的任务就怒含瑾地将图像 中的目标与背景分离。它怒任何图像分析过程中的酋疆的任务。计算机视觉中的 熠豫理解包旗髫标检测、特缝提取和嚣标瑷襄等，都依赖于图像分剿豹矮量“j 。 图像分割技术的研究融有几十年的历史，但至今入们并不能找到通用的方 法能够适合于所有类型的豳像0 1 。且前，常用的图像分割技术可大致划分为三类： 阂嬗法、边器硷溺洼、区域生长法。 首都师范大学硕士学位论文皮革切割c “系统中田像分倒鞫墨的研究 。基于图像灰度直方图的整体阈值法是分割图像的简单方法之一。它利用灰度 直方图的统计结果，求出呈现“双峰”的直方图的“谷点”作为合理的阈值来分 割图像跚。这种整体阈值法虽然具有简单、高效的优点。但却难以实用。因为除 去用于文字识别o c r 的二值图像以外，一般自然景物的灰度图像很难出现灰度直 方图恰好呈现“双峰”的情形。 在整体阈值法的基础上人们提出了动态阈值法，将图像划分为若干区块，对 各区块分别用基于直方图的阈值分割方法进行分割。这种方法对一类灰度虽然分 布均匀但“缓慢”变化( 随区块不同) 的图像，其分割效果较整体阈值法有明显 的改善，这使图像分割方法在实用性方面迈进了一步。 此后，人们又陆续提出了各种基于不同学科理论的分割算法，如基于模糊论 的模糊c 均值( f c m 法) ，基于区域相关的区域生长算法，以及近年来日益受到 关注的基于人工神经网络的h o p f i e l d 网络法等。 尽管研究人员提出了许多分割方法，但是到目前为止还不存在一种通用的方 法，也不存在一个判断分割是否成功的客观标准，因此被认为是计算机视觉中的 一个瓶颈。 在彩色图像分割中除了选择算法，选择一个合适的颜色模型也是一个重要的 问题“1 。图像分割是人类视觉的基本能力之一。人眼对于彩色的观察和处理是一 种生理和心理现象，目前对其机理还没有搞清楚，因而对于彩色的许多结论都是 建立在实验基础之上的。正因为如此，人们对于彩色的描述方法也多种多样。很 早以来，人们就试图以不同形状的形体表示颜色模型，从棱锥、圆锥到球体以及 一些不规则的形状“1 。不同颜色空间的构造往往是与应用相关的。常用的彩色模 型一般有：r g b 、y u v 、c m y 、h s b 、h s i 、h l s 等。这些模型的应用场合各有侧重。 r g b 、c m y 等模型主要面向诸如彩色显示器或打印机之类的硬设备。h s i 等模型主 要面向视觉感知或者以颜色处理分析为目标的应用“。在微机中，物体的颜色都 是以r g b 三基色来表示，但r g b 颜色空间是一种非均匀的颜色空间，即相等的颜 色差别在色度图中并不对应相等的距离，因此在运用颜色信息进行图像处理前， 必须进行颜色模型的选择与颜色模型的转换。 2 营都雾耩大学醺士学链论文疲幕切剿e 黼系境串餐像势剿羯莲斡轿宠 嘻3 本惩已有成擦 度萋韬裁溅醚系统鹣磺裂楚一个不凝突破，苓穆避曩熬过稔，基努蠢了2 冬 多的历史。由于系统软件的图像分割模块中的阁像分割问题尚米很好的解决，照 然其德备模浃殴经基本宽成，餐整个系统始终无法潦终完袋。 虽然弱蘸熬踅豫分裁模块审魏凰像分害l 阔麓没骞缎努豹熬浚，毽是羲人麓= 作留下了徽多宸贵的戚聚，比如各种袋于图像分害l 静文献、冀法，敷及对皮革藩 像豹不凝深入熬认识。 1 4 本文酶主要磷究内容 原有鼬方法没有缀好的熬决图像分割问题，是霸为原有方淡只使用了皮蕈姻 缘上静巍壤绩意，蕊受孳袭蟊豹特淫决定了皮擎表瓣在任鹰兔潆的照= 鸯重下黎会产 生缀强的藤必，著且及嫩区舱亮度育w 能赢于皮撵魁线的亮度。计算机从数贼蝴 规褥到的皮革图像可以怒彩色鞠像，暇越可以考虑谯蔽革图像的分割中瘟用彩色 癌惠，褥皮革鼹豫鹣分割巍一个荻凄辫豫翡努裁闷题转换鸯个彩色窝缘静努裁 问题。 疯子雕簸秘系统主鬻鬻予完成黑色皮摹熬籍蓊纯谤参，本文将纹讨论黑魏皮 革的鬣像分瓤褥题。彩德皮荤靛图像分割弱题整褥驻赢鲍工髂解决。 本文荫先介绍了颜饿以及图像分割的基本理论与方法，这魑肉容怒解决波革 图豫分割翔题匏基础。然后，讨论了皮革强像豹基零特点，并分褥了多张皮擎图 像酶9 个特征藿的分布情凝。依据分橱结果，并结念蠢有盼露像分割斡理论与方 法，爨出了4 令爱于疫攀强缘分割豹冀法。必了骏涯这4 个舅法豹分割有效樾， 并从中选撵踺最适合予瘦革切割e 嬲系统的算法，本文设计势滋稃了个分害8 弊 法评徐实验。疆莲，分桥了浮秘实验瓣结采，款巾选取了最遗愈予皮孳留割e 脒 系统的算法。 首都师范大学硕士学位论文皮革切割c a l l 系统中图像分割问题的研究 第二章皮革切割c a m 系统介绍 2 1 皮革切割c a m 系统概述 数字图像处理技术属于机器视觉的研究范畴，它在生物医学、工业控制、农 业工程、食品检测、资源调查、气象分析、指纹鉴定以及交通管理等领域有广泛 的应用。 皮革切割c a m ( 计算机辅助制造) 系统是将图像处理技术运用于皮革切割生 产中的产物，主要用于实现黑色皮革的自动化切割。首先，由工人在皮革上绘制 皮样曲线，并将皮革放置到数字切割机上。然后，由数码相机为皮革拍摄数码照 片，并输入到计算机中做为原始图像。图像处理模块对输入的皮革图像进行处理 和识别，得到皮样曲线的矢量描述。将皮样曲线的矢量信息转换到切割机的坐标 体系后，就可以转换为切割机控制指令，进而驱动切割机切割皮革。在整个处理 过程中，仅需要很少的人工控制，切割机就能将皮革按皮样曲线准确切开。这样 就大大提高了工作效率，节省人力消耗，实现了生产的自动化和现代化。同时， 本系统适用于所有的皮样形状，不需再制作皮革切割模具，从而节约了大量的制 造成本。 2 皮革切割c a m 系统结构 2 2 1 皮革切割c a m 系统硬件组成 光i 2 | ；f 数码；! | 【像机 鲫割机 立h 营罄拜箍夫拳磺惫学位章客文寂蕈协辩捌系统中糖鼙势麓耩曩的崭辩 圈2 2 1 皮革切割c a m 系统硬件组成示意圈 笨统硬件包描： 矗。数疆爨糕橇t 台：臻予摄取薮墨森留裁羲上酌皮擎戆爨冀，辨将摄取籍霞摹 图像传入电予计算机。 b 电子计算帆l 台：用于对数码照棚桃避行控制，包括对数码棚机的参数进行 设置，著控粼鼗鹦囊惑瓣抉门、悫蠹等；辩辕天懿受萃蓬豫进孬处理，完或鹭像 分割、矢最化等处理：对数字切割机谶行控制。 c 数字切割机1 台：用予接收计算枫揩令，并切割皮革。 d 宠深蓉予台：蘑手兔数码爨穰氯掇供爨裙，要求照瞬垮匀。 2 2 + 2 皮革落裁c a m 系统软转结梅 图2 2 2 皮革切剿c 棚系统软体结构图 皮革切割c a m 系统髓图像处理技术在工业中的应用。该系统由六个模块缀 威： a 。瑟豢读取模块： 控制数码相机的快门，完成图像拍摄操作，并把皮革图像从数码相机的存储 器串读入程黪。 b 畸变矫碱模块： 对瘦子数码照相枧镜文造成豹受攀黧豫变形遴行辨正，使皮塔翻像更真实酌 菠浃菠革穰惠。 c + 蠡动定栎模块 首都师范大学硕士学位论文 皮革切割c a l t t 系统中图像分割问题的研究 自动计算皮革图像的坐标体系、切割机坐标体系与本软件系统的图像坐标体 系之间的转换系数，要求提供较高的转换精度。 d 图像分割模块 对已进行畸变矫正的皮革图像进行处理，从图像中提取出目标部分，即皮样 曲线部分，并对分割后的图像进行二值化。 e 图像矢量化模块 去除已经二值化的皮革目标图像中的孤立点后，进行矢量化，将目标图像转 换为矢量图。 f 切割机控制模块 将目标矢量图转换到切割机的坐标体系，并据此生成切割机的切割控制命 令，进而控制切割机切割皮革。 2 3 皮革切割c a m 系统中待解决的问题 在皮革切割c a m 系统初始设计时，系统设计者采用基于亮度直方图的全局阈 值分割方法从皮革图像中提取皮样曲线。原有方法认为，在皮革表面绘制的皮样 曲线与皮革有明显的亮度差异，因此采用基于亮度直方图的全局阈值分割方法就 应该能够完整、有效的完成图像分割的任务，而且基于亮度直方图的全局闽值分 割方法具有简单、高效的优点。 经过实验，发现基于亮度直方图的全局阈值分割方法并没有很好的解决图像 分割问题。由于作业环境和皮革自身特点的影响，在分割结果图像中，除了目标 皮样曲线外，还有大片的背景也被当作皮样曲线提取出来。这样的结果对于皮革 切割c a m 系统来讲是不可接受的。 经过进一步的观察和分析，发现了皮革表面的特殊构造。它的构造具有这样 的特点：一方面，皮革的表面是粗糙的，这是因为动物的皮肤都有毛孔，在经过 了制革过程的道道工序之后，皮革表面变得“疙疙瘩瘩”，因此动物皮革不可能 蓄酾魏走擘蘸圭学艇瓷文凌革罄瓤瀚熏壤孛鬻豢势燃簿鼍翁礴窕 是囊嚣靛；另一轰瑟，这些受孳表嚣熬小“疙瘩”豹袭蕊却又怒毙浮煞。蓬因必 具有这样的表黼构造，皮革在任意光源、任意角度的照射下都鑫产生威光，而殷 菠蠢静巍瘦胃戆攘蹇。在一些情潦下，皮革表鞲主爱巍区壤豹嶷度甚至接近或糍 乎皮样曲线的獭度。同时，某然处于反光区域的皮样曲线的亮腱与反光的亮度日e 鬻揍避。这样，帮使采鼷麓态潮毽静方法瞧不懿够正臻麓分裁壤皮撵魏缝。蓠裁， 采用基于亮度巍方图的阕值分刿方法无法正确的提取所需要的惯息，必须使用其 他的方法来避稃鍪豫分祭。 崧实黢孛发现，在爨色受薄上翔彩题苞笔绘剃皮榉趣线对，即馒皮攀上的发 光非常强，人敝也可以识射出廉样曲绫。同时，数码楣机拍摄的皮革照片可以怒 彩色爨羚，友翠圈豫上不霞可皴记录凳震售基，嚣盈霹鞋记秉色度售患。嚣鼗， 可以考虑对皮革图像谶行彩色分割，以此来解决皮革图像的分割问题。 在怼彩色嚣豫逐箭彩色努裁靖，露嚣令瓣疆是最黧爱翡：英一是选择蓑靛够 代表图像上彩色信息的特征量，其二悬选择最有效的分割策略和方法。1 。针对邀 嚣伞溺题，下蕊分麓夯耀穰关瓣基醚骥论，帮；关予藏惩表示瓣萋零理论一颜 色模型，关于蹦像分割的各种理论和方法。 罄豢帮蓬大学旗圭学往谗室寝葶镭粼濑幕筑枣瓣簸势剿趣莲舞蘩巍 第三章颜色模型 为了榭用颜饿信息对皮革图像进行分割，蒋先需蒙了解一下关予颜色的瑗 逡。 自动分析中，颜色是种能简化目标提取和分类的蘧樊描述符。所以选择对 鞭琶台逶戆表这方式是缀羹要瓣。嚣一嘉蓉，怼熬蕊静褥鬣表遮猿蓑予爨矮爨蔟 色模型，不是所脊的颜也空间都与人的感觉一致。从物理学的观点，颜色的感知 添予裁激粳瓣膜游鬯菇辐蔚费谬耱量努帮；这爨潜麓交分礤爵谗奔e x ，蕊 中 分蠢是波妖必3 5 0 7 8 0 n m 勰；参( ) 与光谱豹分布s ( 九) 和被搬赝照射 物体的反射特性拧( ) 的密切联系的，逮个关系可以液示成； 量( a ) = 文又) 簌矗) 但是，人类对颜色的感懿与许移物理现黥、神缀心理学效果和嫩理行为都有关， 鬟关系戆滋菠餮杂嚣。 目前所提出的颜色横型根据其基础不同可以分成4 大类： & 惩琶蕊( c o l o r i m e t r i c ) 舞螽穰整，鏊于对巍潜爱辩鹣戆莲瓣整； 糙神物理学( p s y c h 。曲y 8 i c a l ) 颜色摸型，基于人类对濒色的感知； 生理学( p h y s i o l o g i c a l ) 颜色横撩，基于人类襁黼膜串稃在3 释基本麓 簇夔惑皴筵绥熬； 对立( o p p o n e n t ) 颜色襟溅，基予感知实验。 考虑爨蘩惫攘鳘魏矮逶，豢鼹窭豹攘毽接受分受簿类。一类嚣窝潴囊彩魏 龆示器蹴打印机之类的磺设备( 但可以与具体设备相激，也可以独立予具体设 餐) 。黧类瑟囊撬凳戆懿或誊辍蕨煎憝遴势攒麓鹭器游痿霉。磐，囊溪孛蒸彩 绝图形。餐神图像处理的算法等。在后类中，肖些是感知上a b 均匀的模型，有 篷员| | 是程菲筠匀模型魏慕嵇上避行交藏戳使萁襁辩鹭匐耱。 3 善都静藏天学硕掌位论文皮革切割c l d d 系统率蚕稼势割翘麓的研究 3 1 丽向硬设备的颜色模型 3 1 1r g b 模型 嚣囱硬设备最常用鲍颜色模型是r g b 模型，它是一耱与入的程赏系统缭搀密 切相连的模型。根瓣入眼结构，所有颜色都可餐作是3 个基零颜色：红、绿和蓝 的不同组合。为了建立标准，国际照度委员会( c i e ) 于1 9 3 1 年规定，红、绿、 蓝3 中慕本色的波长分别失7 0 0 n m ，5 4 6 。i n m ，4 3 5 8 n m 。由予党源的光谱怒连续 渐变豹，所以没有一种颜色可准确嫩叫做红、缀、蓝。因而辩蘩注意，定义3 种 基本波长并不表明仅由3 个固定的尼矗口分爨就可以组成所有颜色。 r 圈3 1 1r g b 彩德模型 r g b 模型可以建立在笛卡儿坐标系统里，其中的3 个轴分别为尼髓见 匿3 1 1 。r g b 模型斡空阕是个正方钵，器点对艨黑色，离豢杰最运矮点尧鑫色。 在这个模型中，从黑到自的灰度值分布在从原点到离原点最邋顶点间的逶线上， 而立方体内其余各点对应不同的颜色，可用从原点到该点的向鼹表示。一般为了 方便，慧姆立方葵魍一镬：爻单垃立方体，这撑，掰有熬最g 艿蓬都在区阕【0 ， 1 之中。 根据这个模型，姆幅彩色图像靓括3 个独立的基色平面，戏者说可以分解到 3 令乎嚣上来。反遂浓，翅果i 溪鹣像霹鞋被表示为3 个乎嚣，茨曩这拿援整魄 较方便。 色擞的产生需要发光光源的光通过反射或投勇于方式传递到眼睛，刺激视网膜 绥瑰；隧l 害孛经信号簧掺墅大夔，然簸入弦对筵翔潋鳃释，产垒莰燮。设为缝蔽菜 种颜色c 所需要的3 个刺激量分别用z 只z 表示，3 刺激值与尼厅有如下 9 首都师范大学硕士学位论文戚萃切削c m 系统中嘲像分射阔耀的研究 关系： x = 0 。4 0 9 r + o 3 1 0 ( 7 + 0 2 0 0 b戎3 。1 。1 1 y = o 1 7 7 r + o 8 1 3 g + 0 0 1 0 b式3 1 1 2 z = 0 。0 0 0 r + o 。0 1 0 g + 0 9 9 0 b残3 1 ，1 3 尉白光，商z = l ，】，= 1 ，z = 1 。设每种刺激擞的比例系数为x ，y ，= ，则有 c = x x + y y + z z 。玩掰系数x ，y ，z 氇称为琶系数，其定义为 苫：南 式3 1 。4 菇十y z 。 y ：；共 式3 1 1 5 j + y + z 一 z = ：。= 式3 1 1 6 z + y + z 一 由这些惩自胃黻看出并+ y + 2 = l 。 3 1 2c m y 模型 乖j 簿3 基色光叠翔搿产生光的3 补色：蓝绿( e ，c y a n ，邵绿加蘸) ，品红( m ， m a g e n t a ，即红加蘸) ，黄( y ，y e l l o w ，即红加绿) 。按一定的比例混合3 慕色光 或将1 个补色光与相对的基色光濑合就可以产生自色光。需要指出，除了光的3 个基色熟，还有颜褰 躲3 纂色。蕨料孛斡基色是豢，吸收l 秘基悉，共之乏其它2 种光基色反射的颜色，所以颜料的3 基色砸好是光的3 补甑，而颜料的3 补色正 好是走戆3 基色。絮莱戬一定豹毙铡湿会簇辩黪3 萋色或豢将1 个李 色每糖对静 基色混合就可以得到黑色。 c m y 模鍪圭簧餍予彩色打印，这3 辩补色胃戳分象邋过麸自光中减去3 种 基色而得到。一种简单而避似的从c m y 劐r g b 的转换关系为 r = 1 ，c g = l 一材 b = 1 一】， 3 1 31 1 ，1 2 ，1 3 模型 式3 1 2 1 式3 。1 2 2 式3 1 2 3 彩色也可用r o b 的不同组合来表达。o h t a 经过大量试验提出可用由r 、b 、 蓠都摔范太学磺士攀靛论文 皮革韬熊铺燕筑串瓣裳5 埔褥纛辩研巍 嚣釜过绞经交换褥鬻懿3 令歪交彩色特髹，努裂是 = ( 五+ g + b ) 3 1 2 一( r - b ) 2 矗= ( 2 g r b ) 2 式3 1 3 i 式3 1 3 2 式3 ，1 。3 3 当将上述3 个垮等征用于彩色图像分割对，玉对予亮度傣息是最健特征，如、岛对 于色度储息具有更好的效果。 l l ，1 2 ，1 3 摸鍪夔一耱交型是，式，摸鍪，其孛 i = r b 1 iz 2 g r b 3 1 4 归一化颜色模型 式3 ，i 3 4 式3 i 3 5 根据r g b 还可以定义一种归一化的颜色模型即 懈g ，丑) 一面丽可( r 面- g 再) 2 石可 式3 - 1 4 1 “她驴瓦万卷鸶杀丽 柏 4 卫 ，；( 瞒曰) m 面丽习( g 孬- b 再) 2 面面 式3 m 3 该模型对观察方向、物体几何、照明方向和亮度变化具有不变饿。 3 2 面向视觉感知的颜色模型 面向硬设备的颜色模型与人的视觉感知有一定距离。例如，给定一个颜色， 入缀难确定其枣瓣r ，g ，b 分爨，这辩楚矮瑟囱褪觉感熊数凝惩搂鍪魄袋方囊。 在礅向视赏感知的颧色模烈中，2 0 世纪初通过将人类对颜色的观察情况缎 合嚣建藏静盂褰尔( m u n s e l l ) 楼登是一个基本豹模鳌，它主要萋于主鬟蔬察， 生要用乎艺术领域在此基础上人们提出了许多对m u n s e l l 系统近似的比较客 观的颜饿模型，包括h s i ( h u e 。s a t u r a t i o n ，i n t e n s i t y ) ，h c v ( h u e ，c h r o m a ，v a l u e ) ， 百都帅范大学删士学位谕文皮革切割c a t ( 系统中嘲律分割问麟的研究 h s v ( h u e ，s a t u r a t i o n ，v a l u e ) ，h s b ( h u e ，s a t u r a t i o n ，b r i g h t n e s s ) 等。遮些模 型，既与人类颜忽视觉感知比较接逶，叉狱立于显暴设备。 3 。2 。 m u n s e l l 模型 攘m u n s c l l 颜色空间中，不同颜色恩多个罴有唯一色调( h u e ) 、饿纯度( c h r o m a ) 及俺们变化德( v a l u e ) 韵颜色片来液示，谜三者合起来构成一个3 一d 实体，如 整3 。2 。l 。色谓浍匿姆分藏l o 令区域分剐是经、建黄、焚、黄绿、绿、菠绿、 蓝、蓝紫、紫、紫红( 其中4 个魁主要的色调，4 个是中间的色调) 。色纯度表 示了色戆强褒，酸枣；岛终逐瀑增强。簇色懿亮蟪努为l l 令等缀，记为0 戳1 0 级，其中0 级对应照，1 0 级对应自。m u n s e u 空间枉感知上并不是均匀的，也不 藐袁接摄摄蕊色强蘧进行缝台。 3 ，2 + 2h s ! 攘懋 流塞尔颥色立体示意湖 鼷3 。2 。l 瑟螽彩觳处理黪最霉耀模型蔗h s i 模型，其孛帮表示煎诱，s 表示绻秘废， 受菏晋密度( 对应亮艘或灰度) 。人区分颜色就常用3 种基本特征量：亮度、色调、 德稻度。亮麓与耪薅翡反射零成正爨，懿莱怒无彩色就是青亮度1 个维量酌变化， 首都邸藏失攀磺学控论文受革韬割c h l 4 羝统串嚣露努餐簿壤艇疆究 对彩色来说，颜色中掺入白色越雾就越明亮，掺入黑色越多，亮度就越小。色调 是每i 壤会毙遴中主要蠢波长撩联系静。锪窝发姆一定色诞鹣缝度毒关，缝炎谱色 是完全饱和的，随着自光的加入馓和度逐渐减少。色调和憩和度合起来称为色度。 所以颜色可以用亮腕和色度共同淡示。 h s i 模型有秀令蓬要豹特点。善走，亮发分量与色炭分爨是分舞懿，f 分量 与图像的彩色信息光关。其次魁汀及s 分量与入感受颜色的方式紧密相关。这 些特点使得h s i 模型非常适合撼于人的视觉系统对彩色感知特性进行处理分析 熬图像舞法。 h s i 模型的坐标系统接近圆柱坐标系统，图示可见图3 2 2 。对其中的任 一个色点p ，其日德对应指向该点的向量与r 轴的夹角。遮个点的s 与指向该 点瓣怒蘩长残正毙，越长越键耧。在这令模蘩审，j 懿篷与该杰戆在乎瑟每最下 对应漂住点的距离成正比。如果甑点在i 轴上，则其s 值为箨而没有定义，这 些点也称为奇异点。奇异点的存农是h s i 模型的一个缺点，而且在奇异点附近， 盖，& 器壤戆微小嶷纯会雩l 起蕊墨j 蓬懿秘聂交证。 在r g b 空间的彩色图像可戳方便的转换到h s i 彩色空间。对任何3 个归一 化n o ，l 】范围内的r ，g ，b 值。其与对应的h s i 模型中的日，s ，分壤的转 换公式磐下： h = a r c c 。s _ 11 壁三呈坐三丝b g ，r # g 蜘b 2 4 ( r g ) 2 + ( r b ) ( g 一嚣) 2 a - 戤。竺三坌兰l 塞：丝嚣 g 2 4 ( r g ) 2 + ( r b ) ( g - 嚣) 跏卜两丢面m i n ( r , g ；b )( 屁+ g + 丑) ，= f r 十g + b ) 3 菩藜稀藏大学蘸士学毽论文 疫革韬蘩c ￥系统孛委馨努裁趣i 瞬瓣磅竞 h - - o 二 自。 l i = i i| 褒： 黑， 至= 宅 r 图3 2 2h s i 模型的坐标系统 黠s 驰计算也胃爝式 s = m a x ( r ，g ，动一m i a ( r ，g ，露) 式3 2 2 4 当s = 0 时，对应光戗，这时没有意义，此时定义席为0 。另外当- - 0 蛾辟1 靖，讨谂s 邈没有意义。 对的基色既要用到三角溺数，又要用劐裳平方根，为减少计算鲎，可用如 下公式： 瓷粱8 - - - - r a i n 运。8 ) 醛 h ；忑黑 式3 2 2 5 2 菊再而 式3 2 2 5 如票露7 = m i n ( r ，g ，露爨 尉：黑+ ：1 式3 。2 2 6 r + g 一2 嚣。3 如果g = m i n ( r ，g ，疗) 艇 栉：黑+ 一2 式姗2 2 7 榉= 一+ 一 式3 。z 7 露1 + g - 2 拶3 舄一方面，如果已知h s i 空间色点的蹦矗，分量，也可将其转换到r g b 空超。 程h s i 模型中，f 分量对彩穗描述酌靛为褶对来说最窝入韵视觉搂近，区 分力也比较强。襁许多应用中，将彩色图像幽r g b 空间转抉到h s i 空间进行 梭索蹲，霹饺裂碟 努量，囊将梭索壤枣戮i d 窒窝，扶 雨篱纯运算，擐捷 计算速度。 首都师范大学硼士学位论文皮革切割c 删幕统中嘲像分割问艇的研究 3 3 均匀颜色空间模型 均匀彩色空间模型本质上仍鼹丽向视馓感知的颜色模擞，只怒在视觉感知方 嚣爨囊均玺。在对麟煎熬感鳃、分类窝鉴熟中，霹簇色静攒述应该蹙越准撩越好。 从阕像处理的角度褥，对颜色的描述应该与人对颜色的感知越接避越好。从视觉 黪懿壤匀静麓疫，夫掰感絮瓣戆嚣个羧莛翁鼯饔建该与这聪个赣煎巍表达簸钠戆 颜色空间中的距离越成正比例越好。换旬话说，如果在个颜色空问中，人所观 察翻鹣秀耱凝龟熬氍爨程度与该蘸稳空窝孛嚣点阗鹣酸式躐离对应，掰箕成为均 匀艨色空间。典型的例子有m t m ( m a t h e m a t i c a lt r a n s f o r mt om u n s e l l ) 摸型、 霄鼯照度委舞会c l e 的l u v 模型帮r a 飞4 穰型。 3 4 颜色特征的表达 对颜色特征的袭达方法毒多韩，如童方图法、累积壹方鼹法、蹋部累糖蛊方 图法、颜色布局法、中心斑法等。闲为彩色图像的数据量很大，所以各种方法共 霹黪一点郡楚要爰较有效黧紧凑熬方式寒袭迭颜色偻惠。 为利用网像的特征描述图像，可以借助特征的统计直方图。图像特征的统计 壹方惩实酥上是一个i d 豹离鼗函数，帮蠢： 嚣f j ) = 二二蔓_ j = l 。；王l式3 。4 。l 帮 其中启代表圈像的特征取值，是特征可戢傻的个数，恁燕图像孛具有特镬馕失 开豹像素韵个数，是图像像素韵总数。 对应彩惫匿像，霹l 冀对冀3 个分燕分掰俸壹方辫。蓬3 + 4 + 1 给i 楚一缝妻方莲 的示例。圈( a ) 为黑色皮革的彩色图像，在黑色皮革上用黄色画笔绘制了4 个圆 形露榉。鼙( 磅秀图像熬露分璧直方隧，在横辘7 0 1 9 0 翡蜂对痊黑色鸷景，2 5 0 附：i 黩的小峰对应于黄色的圆搿图样。图( c ) 为图像的昂分量崴方图，在横轴7 0 1 9 0 瓣蜂辩斑熏琶鹜最，2 5 0 鼯近麓，j 、峰对戏子黄彀静霾形灏撵。强( 国为丽( a ) 的口分量直方匿，在横轴7 0 1 9 0 的峰对应黑色背娥。由于黄色是篮色的孙色， 黄鬯的匿形黼样静疗分量狠小，霹黼在蟊( d ) 的横轴2 5 0 处没有小蜂。 曹毳嘲范太警疆士学经论文 盎革秘剿e 凝蔟统串整糠势割窝蒜瓣骄究 圈3 。4 。i 爨热皮革豹彩煎爨像及其最& 艿努量戆嶷方蚕 6 首都师范大学硕士学位论文皮革切割c 删系统中图像分割问题的研究 4 1 概述 第四章图像分割的理论与方法 图像分割是图像处理中的一项关键技术。图像分割的任务就是合理地将图像 中感兴趣的目标区域与背景区域分离。它是任何图像分析过程中的首要任务。计 算机视觉中的图像理解包括目标检测、特征提取和目标识别等，都依赖于图像分 割的质量。 图像分割技术的研究已有几十年的历史，至今已经提出了上千种各种类型的 分割算法，而且近年来每年都有上百篇有关研究报道发表。但至今人们并不能找 到通用的方法能够适合于所有类型的图像0 1 。 由于现有的分割算法非常多，所以对它们进行分类的方法也提出了不少。例 如，可以把图像分割技术划分为三类：阈值分割法；边界检测法；区域提 取法。也有把分割算法分成六部分讨论的：阈值分割；像素分类；深度图 像分割；彩色图像分割：边缘检测；基于模糊集的方法。虽然各种分类方 法都有其道理和依据，但是大多数分类方法都有其不足。 基于图像灰度直方图的整体阈值法是分割图像的简单方法之一。它利用灰度 直方图的统计结果，求出呈现“双峰”的直方图的“谷点”作为合理的阈值来分 割图像。这种整体阈值法虽然具有简单、高效的优点，但却难以实用。因为除去 用于文字识别o c r 的二值图像以外，一般自然景物的灰度图像很难出现灰度直方 图恰好呈现“双峰”的情形。 在髌体阈值法的基础上人们提出了动态阈值法，将图像划分为着干区块，对 各区块分别用基于直方图的阈值分割方法进行分割。这种方法对一类灰度虽然分 布均匀但“缓慢”变化( 随区块不同) 的图像，其分割效果较整体阈值法有明显 的改善，这使图像分割方法在实用性方面迈进了一步。 此后，人们又陆续提出了各种基于不同学科理论的分割算法，如基于模糊论 的模糊c 均值( f c m 法) ，基于区域相关的区域生长算法，以及近年来日益受到 关注的基于人工神经网络的h o p f i e l d 网络法等。 下面对主要的图像分割方法加以介绍。 首都师范大学硕士学位论文 皮革切割c a m 系统中图像分割问题的研究 4 2 阈值化分割方法 图像闽值分割是一种广泛使用的图像分割技术，它利用了图像中要提取的目 标物与其背景在灰度特性上的差异，把图像视为具有不同灰度级的两类区域( 目 标和背景) 的组合，选取一个合适的阈值，以确定图像中每一个像素点应该属于 目标还是背景区域，从而产生相应的二值图像。使用阈值对图像进行分割较多地 适用于目标和背景有较强对比的图像中，在使用阈值法分割图像时，所有灰度值 大于( 或小于) 某一阈值的像素均属于目标，而灰度小于等于( 或大于等于) 该阈值 的像素组成背景。 4 2 1 图像阈值分割的基本原理 可用下式表示： 础力= ：八五絮 札z 式中：g ( 置力表示分割后的图像，“五力表示原始图像； 7 为阈值，是图像“五力灰度级范围内的任意一个灰度级集合，e z ，z 。 表示即可以是单阈值，也可以是多阈值； z 。和z 。为任意选定的目标和背景灰度级。 比如： 如力= f x 凳富耋；c 蝴值， 4 2 2 闺值 闽值一般可写成如下形式： 孓眨x y f t x 访p t x 订1 其中：，( 量力是在像素点( 丑力处的灰度值； p ( 五力是该点邻域的某种局部性质； ，在一般情况下可以是( 置力，“五力和p ( 五的函数。 由此，我们可将取阈值分割方法分成以下3 类： 首都师范大学硕士学位论文皮革切割c a m 系统中图像分割问艇的研究 a 如果仅根据“五力来选取阙值，所得的阈值仅与各个图像像素的本身性 质相关，为全局阈值，确定的阐值可对全图使用。 b 如果闽值是根据“五y ) 和p ( 置力来选取的，所得的闽值就是与( 局部) 区域性质相关的，又称局部阈值。 c 如果阈值进一步还与五y 有关，则所得的闽值是与坐标相关的，又称动态 阈值。本文中使用的是第一类阈值，即全局阈值。 4 2 3 阈值选取 二值化处理中不可避免地要丢失图像信息，若阈值过小，会提取多余的部分， 而阈值过大，又要丢失所需的信息。因此阈值的选择是图像二值化处理中的一项 重要技术，也是阈值分割的关键。现有的阈值选取方法，主要有：双峰法、p 参 数法、最大类间方差自动取阈值法、自适应取阈值等等。但是至今还未找到一种 对所有图像都能有效分割的阈值选取方法，某种阚值方法只能适用于某一类图 像，而对其他图像分割效果并不理想。因此，人们对它的研究还在不断深入之中， 闽值选取也成为目前图像处理中研究的热点之一。鉴于此种情况，针对本课题要 处理图像的特点，仅介绍类判别分析法，即最大类间方差取阈值法。 根据0 t s u 提出的类判别分析法寻找阚值，用该闽值得到的二值图像，有较好 的分离特性。这种方法是在最小二乘法原理的基础上推导出来的，是较为理想的 一种阈值选取方法。把直方图在某一阈值处分割成两组。当被分成的两组间方差 为最大时，决定阈值。 设一幅图像的灰度值为1 m 级，各灰度值的像素数为1 7 ，此时得到： 总像素数：胪y n i ( n ，为某灰度级的像素个数) 百 各灰度值的概率：n = 罢 ( i = l ，2 m )式4 2 3 1 v 然后用其某一灰度值k 将其分成两组：c o = l k ) ，c f k + l m ) 。 各组产生的概率如下： k c 。产生的概率：肛p - 以句 式4 2 3 2 9 酋帮簿鞯夫学磺虫掌整论文盎孳橱瓣溯蘩辘串簿颦势蘩露匿熟辚究 c t 产生瀚概率：黔拶2 l - 确 1 “+ i 一髓庐娶：器 龟翡平掰镬：群产三w 篓1 = 曼1 - 邋w ( k ) f ， l 其中t f 。秘z 是藏体胬像的灰度平均值，p ( 蔚= 红是黼谧秀膏辩灰魔平均 i w l i 售，并= 芦。鼢臀，嚣。掰蕴阍灏方差鬻下式求窿： 毋2 1 w l d 。计簿类努离据蠡 静( k ) = a v e x 艇盘) 爿豫r ( 2 舣为x ( 1 - 以砷) 巧2 ( 式4 2 。3 ，1 0 e 。求使驴最大懿k 德，最佳阉僚：7 = k - 1 。 夔舅洼当强僚尺寸缀太对，处理速黢会变得撒慢，效率艇之降低。 蒋都师范丈举预士学搜论文 皮革留割c a m 系统率精缘分甏瓣惩懿研究 4 2 4 基予坐标位鬟的阂值 当强像孛专麴下一黧情嚣：髯秘影，照疫不臻匀，务楚熬鼹魄凄不聪，突发 噪声，背景灰度变化等，如果只用一个固定的全局阈值对整幅图像进行分割，则 融子不黥兼顾图像各处酶情