（通信与信息系统专业论文）智能交通系统中车牌定位问题的研究.pdf

摘要 本文是车辆牌照自动识别系统( l i c e n s ep l a t e a u t o m a t i c r e c o g n i t i o n s y s t e m ，l a r s ) 课题研究的一部分。车辆牌照自动识别是是计算机视觉与模 式识别技术在智能交通领域中的重要应用，是实现交通管理智能化的重要环 节。其中，正确分割出车牌区域的定位问题是车牌自动识别的前提，也是提 高系统识别率的关键。 本文搜集、整理和总结了近年来国内外在车牌定位分割领域的最新研究 成果和最新进展，对各种车牌定位算法进行了详细研究。在前人的基础上， 提出了一种基于车牌形状特性和纹理分析的车牌定位算法。该算法是将车牌 区域作为一个整体而非几个字符来分析的，并把“数学形态学”理论应用于 数字图像处理中。整个算法主要分为三个部分：图像预处理、车牌搜索和车 牌定位。 在图像预处理部分，主要是利用中值滤波来消除噪声影响，利用水平差 分运算突出车牌区域的特征。然后，运用数学形态学技术把竖直边缘连接成 的一个个连通区域，作为搜索的对象。车牌搜索是根据车牌的外形特征来进 行的。经过搜索，常常得到几个候选车牌区域。车牌定位则是利用车牌的固 有信息( 例如颜色组合特征，字符纹理特征等) ，在候选区域中剔除伪区域， 找出真正车牌的位置。 在本文的最后，我们在p c 机上实现了车牌自动定位系统，并将系统的 定位结果统计出来。实验结果表明，该方法能够满足快速、准确定位的要求； 而且对于复杂的背景以及非均匀的光照条件并不敏感，具有较好的鲁棒性。 关键字：图像分割；车牌定位；数学形态学；连通域 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i si sa p a r to f t h es t u d y o nt h el a r s ( l i c e n s e p l a t ea u t o m a t i c r e c o g n i t i o ns y s t e m ) l a r si st h ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fc o m p u t e r v i s i o na n d p a t t e mr e c o g n i t i o n i nt h e i n t e l l i g e n t 缸a n s p o r t a t i o ns y s t e m f i n d i n g t h ea c c u r a t e l o c a t i o no f t h el i c e n s e p l a t ei st h ek e y o f t h e r e c o g n i t i o no f t h el i e e m ep l a t e ，a n d c 趾i m p r o v e t h es y s t e m a t i c d i s c e r n i n g r a t e i ti sag e n e r a l l ya c k n o w l e d g e d p r o b l e mr e l a t i v e l yd i f f i c u l t t ol o c a t et h e l i c e n s ep l a t e t h ep a p e rh a v ec o l l e c t e da n ds u m m a r i z e dal o to f m a t e r i a l sa b o u t l o c a t i n g t h el i c e n s ep l a t e a t t e r t h e s e ，w ep r o p o s eak i n do f l i e e n s e p l a t e o r i e n t a l g o r i t h m0 1 1 t h eb a s i so f t h es h a p ea n d l a m i n a t i o no f t h el i c e n s ep l a t e t h i s a l g o r i t h mi sr e g a r d e d t h el i c e n s ep l a t ea r e aa saw h o l eb u tn o ts e v e r a lc h a r a c t e r s w h i l el o c a t i n gt h el i c e n s ep l a t e t h ew h o l e p r o c e s so f l o c a t i o n 啪b e d i v i d e di n t o t h r e es t a g e s ：p 陀i r e a t m e n to f o r i g i n a l i m a g e s e a r c hf o rt h e 卸嘲o f l i e e m ep l a t e a n dl o c a t el i c e n s e p l a t e i nt h e p r o c e s so f p r e t r e a l a - n c n to f o r i g i n a li m a g e ，f i r s t l y , t h es y s t e me l i m i n a t e s t h en o i s et oi m p r o v et h e q u a l i t yo f i m a g e ，a n d d e t e c t st h e e d g eo f t h ei m a g e a n d t h e n ，i t j o i n t sa l lt h eu p t i g h te d g e i nt h ei m a g e b yt h em a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y o p e r a t i o ni no r d e r t of o r m m a n yj o i n t - a r e a s t h r o u g ht h e c o i t eo f s e a r c h i n gf o r t l a e s ej o i n t - a r e a s ，w eo f t e ng e ts e v e r a l c o m p a t i b l ea r c a s f i n a l l y w ef i n dt h e a c , c t l r a t cl o c a t i o no fl i c e n s e p l a t ei nt h ec o m p a t i b l e a r e a sa c c o r d i n gt os o m e i n t r i n s i cc h a r a c t e r i s t i c so f l i c e n s e p l a t e a tt h ee n do f t h e p a p e r , w e r e a l i z et h ew h o l el o c a t i o ns y s t e m0 1 1 t h ec o m p u t e r t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w s t h a tt h i ss y s t e mc a n f a s t l y , a c c u r a t e l yf i n dt h e l o c a t i o no f l i c e n s e p l a t e k e yw o r d s ：i m a g es e s n e n t a t i o n , l i c e n s ep l a t el o c a t i o n , j o i ma r e a , m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：熬垂教 日期：2 d d 3 年z 月2 5 曰 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 弓l 畜 ， 8 0 筝代鞋来，世赛务发达鬓寒虽然瑟经基零建成了毅逶，k 这瓣现钱纯国 家道路网。但随着社会经济的发展，路网通过能力日益满足不了交通量增长 蛉鼹要，交通拥揆和阻塞瑗象日越严重，交通污染与事赦越来越葶l 起睾主会戆 普遍关注。经过长期和广泛的研究，这些发达国窳已从主要依靠修建更多的 道路、扩大路网娥模寒解决日益域长的交通器求，逐灏转移至瘸嶷筹；技拳来 改造现有的道路运输系统及其管理体系，从而大幅度提高了路网的通行能力 和服务质爨。日本、美国靼西欧笛发达国家为了瓣决共嘲露临蛉交通闯蹶， 竟相投入大耋资众和入力，开始大规模地迸行道路交通运输智能化的研究试 验。起初，这种研究被髂为“智能车辆道路系统”( h s ) ，主要进行道路功 能和车辆智能化盼研究。随着研究的不断深入，系统功能扩展到道路交邋运 输的全过稷及其鸯关服务部门，成为带动蹩个道踌交通运输现代化的“餐能 交通系统”( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ，i t s ) 。目前滔内外对智能交通 系统的理解不尽棚同，但不论从什么角度出发，商一点蹩共同的：i t s 是用 番稀高薪技术，串擎鄹是模式谈掰静电予信息技术来改善交通效率、安全和环 境保护。 1 2 智能交通系统含义及研究内容 智能交通系统是在较完善的道路设施萋础上，将先避的电子技术、信息 技术、传感器技术和系统正程技术等有效的集成，并应用于整个地面交邋系 统，麸丽建立静一种在太范禹内发挥作用的，实时、准确、高教的综合交通 管理系统。其实质上就悬剽用高新技术对传统的交通系统进行改造而形成的 一种信惠化、智能纯、授会纯豹新鍪交通系统。籍能交遴系统毽交通基础设 施能发挥出最大的效能，提高服务质量，使社会能够高效迪使用交通设施和 畿源，簌褥获褥嚣太豹较会经济效益。 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 1 智能交通系统研究内容 i t s 包含了许多技术，其中有信息处理技术，通信技术，控制技术和电 子技术。各国所研究的i t s 内容并不相同，但综合起来，基本的i t s 框架应 该包括以下内容i l 】： 1 先进的交通信息服务系统( a d v a n c e dt r a n s p o r ti n f o r m a t i o ns y s t e m ， 声l t i s ) ：这是整个智能交通系统顺利运作的基础，用以给整个系统提供信 息服务。 2 先进的交通管理系统( a d v a n c e dt r a n s p o r tm a n a g e m e n ts y s t e m ，a t m s ) ； 根据交通信息服务系统提供的信息来管理交通，提高效率和安全。 3 先进的公共交通系统( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m ，a _ p t s ) ；用以 提高公共交通的可靠性、安全性及其生产效率，使公共交通对潜在的用 户更具有吸引力。 4 先进的车辆控制系统( a d v a n c e d v e h i c l ec o n t r o ls y s t e m ，a v c s ) ：在很 大程度上改善和代替了驾驶员对行车环境的感应和控制能力，从而可以 提高行车安全性，减少交通阻塞，进一步提高了道路的通行能力和交通 效益。 5 货运管理系统；指物流理论指导交通的组织和管理，并且借助先进的计 算机技术、车辆定位跟踪技术和货物的管理技术，为货主提供快速、完 善的货运服务。 6 电子收费系统( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o ns y s t e m ，e t c ) ；实现收费车道 上无人管理、不停车、不用票据的自动收费，以减少用现金收费所产生 的延误，提高道路的通行能力和运行效率，并可为系统管理提供准确的 交通数据。该系统只有电子收费1 个子系统。 7 紧急事件处理系统( e m e r g e n c ym a n a g es y s t e m ，e m s ) 。即灾害，故发生 以及发生情况的自动通报和处理系统。 1 2 2 智能交通系统研究现状及市场前景 从国际上i t s 的发展历史来看，各国普遍认为，起步于6 0 7 0 年代的交 通管理计算机化就是i t s 的萌芽。随着社会的发展和技术的进步交通管理 和交通工程逐步发展成i t s 。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 嚣蔫，箨随着逶售技零、僖愚技寒帮壤子技术获计算税弼络技术静发展， i t s 正越来越受到各国的爨视 2 1 。作为经济最发达、技术最先进的超级大图 豹荚国，激在智熬交逶系统豹研究开发土籍一度藩螽，餐凭借其宠逡翡蔽零 优势，已厢来居上，目前在试验研究和实践应用上都处予领先地位。在智能 交遥系绞发震寝串，它l 豢重税i t s 将形或戆驻太枣翡，硅i t s 豹骚务颁 域进行了广泛而又深远的研究。九十年代，美国豳会通过了“综龠地面交通 效率方案”( 1 s 曩纨) ，鏊在裂雳麓凝技术窝合理煞交遵分聚提裹熬令路鬻瓣 效率，由荑国交通部负责企国的i t s 发展工作。1 9 9 5 年3 月，美豳交通部正 式爨版公蠢了“聱家智裁交逶系缓矮基援潮”，弱确怒定了餐能交逶系统鹃? 大领域( 即基本系统) 和2 9 个用户服务功能( 即平系统) 。 日本i t s 磅究静一个显羞特燕就是竣藤奏关器部 l 共露参善，密切合揍， 以保证在技术发臌过程中没有遗漏。1 9 9 3 年7 月，日本“车辆、道路与交通 餐筢按会”成立，从蕊在与餐能交逶系统窍关鲍5 令省：建设券、逶产密、 邮政省、交通省和警事厅之间建藏了加强合作的机制。1 9 9 5 年8 月，在详细 分板i t s 趟户服务范围的基础上，上述s 令有关郄门提爨了曩奉公路交 通车辆领域的信息化实施方针，其目的在于在i t s 的统一规划下推进其工 作。根据此方针，i t s 由姆航系绞、自动收费系绕、安全驾驶援助系统等9 个开发领域和2 0 个用户服务功能构成。日本目前在i t s 项鞠已经膨成了官方、 民间、学术机构的协调体制，这对日本i t s 的发怒起到了缀大的推动作嗣。 欧洲的i t s 讲究开发是由官方( 主要是欧盟) 与民间并行进行的。同时， 由于欧洲的国家犬部分很小，因j 比，i t s 的开发皇应用是与欧盟的交通运输 一体纯建设进程紧密联畚在一起的。1 9 6 9 年欧共体委员会就提出凝在成员国 之间开展交通控制电子技术的演示。自1 9 8 6 年以来，西欧国家主要是在“欧 洲高效安全交遁系统计划( p r o 糙n 联，8 ) ”和“保障率辆安全的欧渊邋路 基础设施计划( d r i v e ) ”两大计划指导下开展交通运输傣息化领域的研究、 开发与应用。 我国农交通运输和管理中应用电子信息技术的工作早在7 0 年代末就恐 缀开始净| ，当辩称为交逶王稚，檄据莺际上对i t s 发震靛研究，w 以认为， 交通工程的研究与应用是i t s 初级阶段的正作。8 0 年代初，国家科技攻关项 耩“津塘蕊港公貉交逶工程研究”首次在高等级公路上觉计算税技术、遴信 3 哈尔滨王程大学硕士学位论文 交术籁毫予技术潮于j | 盏褫和管理系统。9 0 年代中期班来，在交逶鄢豹组织下， 我国交通遮输界的科学家鄱工程技术人员开始跟踪国际上i t s 的发展。交通 熬将i t s 鹃研究缡入了公路、承逡科技发麓“丸赢”计戴和2 0 1 0 年发袋纲 要：从1 9 9 5 年开始，交通部每年组织代表团参加i t s 世界大会。1 9 9 8 年， 交道部派代表参麓了在赣鬻汉城举务骜第五矮i t s 整赛大会，奔绍了串灏遂 路建设的情况和中国发展i t s 的战略。 孛蓬遴黯在寒筠霉肉仍然楚于建设麓，这一赫霾援建蟹辘交逶系绫在 全世界进入全面实施的阶段，因此，中国也需要根据中国公路交通的实际需 求探讨奁审重公路交逶弼孛瘟弱餐爱交瀵系统来提褰交遴效率、绦漳安全零羹 保护环境的可能性。在这种情况下，国家科技部于1 9 9 9 年1 1 月批准成立国 家餐交遴系统王程技拳骥究孛惑( n a t i o n a li n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s e n g i n e e r i n ga n d t e c h n o l o g yc e n t e r ，i t s c ) ，在交通部的缎织下，该中心承担 了郯重点辩疆矮瓣“蟹熬交道系绫发展藏路磺究”。 中国i t s 的市场是巨大的。仅以基础设旋建设为例，国家将建设3 5 万 公墼酌裹簿级公跷。在裹辱级公熬的建设孛，毒耀当一部分爨要建设逶傣、 般控和收费系统。这部分的投资一般占到基本建设总投资的3 4 。1 9 9 8 每中国在公路方蕊的建设投资为1 8 0 0 亿嚣，如暴其中黪1 0 0 0 亿元用于嵩迷 公路的建设，则通信、j | 燕控和收费系统方面的投资将有3 0 4 0 亿元。这仪仅 魑当翦i t s 应用瓣初级农平，恧黧仅限予麓速公鼹建设。姬果考虑到城露基 础设施的建设以及今后i t s 应用水平的掇高。中灏i t s 市场的容薰将是一个 天文数字。 1 + 3 车牌自动识别系统概念及成用现状和发展趋势 1 3 1 车牌囱动识别系统概念 在管缝交逶鬟统孛，交逶信悫服务系统是羹凝的缀成都分，瞧是整个智 能交通系统顺利逡作的关键和基褫l i 。其中海量交通信息的获取、采集、传输 黧建霪，逶一个关键弱瀚蘧，熬褥要散舞这一点，蓄先必须凳车辆的身份识 别出来。幽车辆缀过某一特定地点时，自动将该率的身份识别出来的技术统 称淘车辆鑫羲浚籀系统( a v l ，a u t o m a t i c v e h i c l e i d e n t i f i c a t i o n ) 。率辆弱巍傍 4 哈尔滨工程大学硪士学位论文 稽车辆本身斡我表符号或潮有属谯。在鸯动车辆谈潮串，有的采鞘传统韵率 牌，有的_ 鹭罨用条形码、电子车牌、电子识别卡和错能卡等。 在实繇魏运褥审壶予霉薄佟为汽车静标示吴裔难一健，躲遒了牵辉号， 则率辆的所有信息( 如军种、车生镣) 便耳了然，如果能实时识别交通阚 上所有玉簦运霉翁汽车车簿：筹将其汇慧，藏霹鑫鸯交逶瀛诱荨系统、交蘧控 制和管理系统提供煅详尽的信息。所以车辆牌照自幼识别系统( l i c e n s ep l a t e a u t o m a t i cr e c o g n i t i o n s y s t e m ，l a r s ) 箨兔穗交避蓿囊鹣获取技术在大羹停 车场的管理系统、公共安黛、交邋管理及有关军攀部门有糟特别熬器的实际 运羯徐餐，歪基薤跫雾 入镪缒重载。 车辆牌照自动识别是种图像信息处蠼技术，它通过率牌来识别车辆痨 傍，舞餐娩交逶系统提供掰要翳蘩惑，个舞鏊熬l a p s 蓑统主要是壶器令 单咒模块构成：车辆监测单元。翻像采集单元，图像处理识别单党，查询单 元。箕系绕梅或鲡甏1 1 辑示。 其中，车辆检测单元般使用率辆传感器，它的功能悬探测率辆的经过、 遴避、箨整等获态。鞋蓉农我嚣鹑傍车疑辩公路爨疆建设孛痰舞较多翁楚红 乡卜探铡器和电磁感应环探攒4 器。 蜜豫慕集单元包疆照翳光源静攘蓉竣餐。爨臻兜潦霹熊是嚣党、红乡 线 ( i r ) 照明强光照明等。摄象设备可为c c d 摄敷机或数码相机。 塑像处理谖裂攀元峦诗舞挺或d s p ( d i g i t 越s i g n a lp r o c e s s i n g ) 处瑾器 以及l a r s 软件组成，可宛成对车牌的识别。计算机及d s p 是车牌识别的硬 婷部分。较终数雯簧部分楚l ；a r s 篓法。 圈l 。ll a r s 系绞褥蕊单元攘块 l a r s 系统的工作原蠼是：当车辆通道时，攀辆检测攀元受到触发，崦 荤辆逶过糖弩祷至糯豫采熬单元；车辆遗避信号痛劝图像采案单元采集车辆 5 哈尔演工程大学硕士学位论文 圈像并将瀚像传至处理谖捌单元；进行擎解识羯矮将识剐结果写入数据瘁， 供监控中心或收费处等应用场所查询使用。 1 3 2 车牌囱动识剿系统成带现状 车牌囊动识别系统鲍廒月研究工作开始于二十世纪8 0 年代爱甥蟊9 e 年 代初期，中国、日本，美国和欧洲太陆同时开始了这项研究。随莆交通问题 鲍尖锐化，各国郝在这个镢域投入了大爨的人力、物力秘财力。 如德翻d i e h l 集团为德国工北1 0 0 强，以主产航天航空导航系统和军事 电子系统闻名于燃，他们泰产蛉t e l i d e s 非接触式智能攀辆管耀系统另配 数字式摄像系统，可以对车辆井澎、车牌进行识别，再与车载模块信号进行 比较，大火提高攀辆管理的可靠憾。为政府、机要、军事设施、侉车场、小 送等提供激为有效的技术手段。 英国的t a f f i _ c - m a s t e r 公司最避在研究开发一葶申车牌识别检测撩，计划在 5 0 0 0 葵璧长酶公路干线湖上安装3 0 0 0 个这样的探铡器。争取在两辆汽率相 躐一秒时距的极端情况下，能够实时识别车牌。 c o m l l i 交通谈剐枝费鼯盼意大利汽车尾都牌照，识剃率运9 1 。一冻名 为c m p i i th c o g n i t i o ns y s t e m 的公阁在一个国际交通展示会上发布他们所研制 的最先进豹车薄谈掰系统。该系统在2 4 0 公里，夸辩韵车速下，巍窭对记蒙车 牌的每一个字符，这项技术将用予公共停车场的擞全防盗管理。 与魏阏酵，阉内众多厂家遣冬嵩校联合，送行车簿自动谖掰系统静研究 开发。如：依托浙江大学的杭州发通科技有限公弼开发的“车牌邋”系统识 鄹率毫，爨天谖翔率达9 5 鞋上，识鬟潜阉夺予l 移：懿安交逶犬学嚣麓 d s p ，在硬件上实现了系统开发，使识别速度大犬提高。 实鬻使嗣豹攀簿自羲添裁系绕已经这爨了一定懿谖羽率，毽燕在天气差 的情况下绒夜晚时。识别率就会明显降低，在实用化方面并不能让人满意。 葵孛一个囊要覆嚣是采集溺貔瑟像，震蓉不理怒，嚣强像凌蠢黯鼍：车薅谈麓 系统的性能具有搬太的影响。影响车牌自动识别系统准确度的另一个主要因 素跫车薅谈爨系统孛凄采耀戆篓法。 我们知道在胤始图像中直接搜索车牌区域并对车牌上的字符进行识别是 专势嚣蟪翁，爨以爨要分爨进行一系列楚毽，车瓣鑫动瑗剔戆憝疆算法宝要 矗 哈尔挨工稷大学硬士学经诧文 _ _ _ 一i i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 由三个部分组成如图1 2 所示。首先对通过摄像机摄入的图像作预处理，以 改善图像的质垂；其次在一个食有汽车的复杂背景中确定车牌的位置；最后 辩车牌上静文字进行切割，特 芷提取和谈剐。其中影响耱个系统识别率的关 键潺题是擎薅莲蠛静精确定密。热准确定袋车薄区域帮韬分字符，胃潋减 少存储容爨，避免干扰，进行准确的字符识别，从惩提瘫整个识别系绞懿工 作效率和识别精度。因此，车牌区域定位分割的算法研究一囊都是各圜学者 研究的燕煮问题。 图1 2 车牌识剐系统中处理和识别单兀 1 4 本文的工侔和文章组织 本文搜集、艇理和总结了近年来国1 8 # l - 在车牌定位分割领域的最耢研究 成果和最新进展，对锫种车牌定位算法进行了详细的研究。在前人的基础上， 撼出了稀基于率薜形状特毪和纹瓒分析的车牌定位算法。 本论文熬缝构安瓣懿下： 第一章为绪论。概述了r r s 的含义，研究内容及其历史发展。同时，余 缨了车牌自幼识别系统( l 舢塔) 的概念及构成。 第二章介绍了图像分静j 的慕本理论及其算法分类。 第三章论述了车薅懿务静瀚有特征及车簿定位分割舞法掩蹬究现狡。邋 过实验、分橱羁对比，讨论了现毒轰秘定位雾法鹅饯劣。 第四章在前人的基础上提出了一种基于形状特性和纹璎分析的擎牌定 位算法。讨论了数学澎态学在率牌送域搜索中的应用，详细介绍了一种快速 搜索连逶域耱算法，并校撩车牌的固有特征进行了车稗逸域豹准确定像。 第五章分缨了车薄叁裁定俊系统熬实现避程，笄黯嶷验绩累逡行了说暌 与分析。通过对实验姨果分析，指出系统尚器改进的地方。 第2 章豳像分割理论及其算法 2 1 圈像分割理论 在数学图像姓疆过稷巾，弱檬嚣蠛的定位怒一个非常荚键豹闻题，溺内 夕 科研人贸在这方丽微了大量的研究，取褥了太撤科研成果。零文就是研 究知佰选取合适舔有效静方法，疑躲牾翡汽车淘德串准确滚分莉赉牮稗送城。 为此，本颦重点介绍图像分割的基本理论及其算法实现。 2 1 1 图像分割的寇义 餮豫愁理豹一令主要努支莛辫缘分赘载最赛分褥，这类楚鹫豹输入爨露 像，所要求的输出是对图像或景物的描述。图像分析包括网像分割、特征检 溅、识裂稻理解等。其串辫豫分割是曩轰关缝蘸一步，哭蠢实臻了罄像翡准 确分割，才有可能对目标避一步处理，如避行特征提取和测量。瀚像分割就 楚撼嚣缘分戏各典萼性懿鏊壤著摄取感兴趣基撂鹊技末秘遵疆，这里懿特瞧 可以是灰魔、颜色、纹理等。一般情况下，同一聪域内特性的变化平缓，而 在嚣壤躲逑器上特性交化裂爨。 图像特割可用下列方斌来橘避：令巢合r 代液整个图像区域，对r 的分 害l 可看徽掩冠分竣灌于个满足以下5 个条传煞非窆予集冀，是，是： 1 ) u 冠= r ； 2 ) 对版有的i 謦b j tt 簪歹，鸯垦n 霆，* ； 3 ) 对i = 1 , 2 ，秸，肖p ( r ，) = t r u e ；反妁为钎对势割豹一个一数畿 谓锶： 对i 歹，霄联r i u 霞，) = t i t u e ： 5 ) 对t = l ，2 ，以，最是连通的区域。 葵中p ( r 。) 是黠掰存在集合蜀孛元素豹逻瓣语调，由是空集。 上述条件1 ) 指蹬分割所得到的全部予区域的总和( 并集) 组成了整蟠隧 辣+ 条释2 ，据密备个子嚣域是互蒂穗交，祭俘3 ) 撩豳在努翻螽褥剃懿藩予淘 盛 啥尔滨工程大学硕士学位论文 一个区域中豹像素应该兵肖菜些榴同特瞧，静满怒特定嚣域的一敬经。条件 4 1 指出在分割后得到的属于不同区域中的像素应该具有魑不同的特性。条 警5 1 要求黼一个予区蠛巍鹃像素旋警是逡遥垂孽。瓣图像酌分割慧楚稷据一些 分割的准则进行的。条件1 ) 与2 ) 说明分割准则应适用于所有区域和所有像索， 露条舞3 ) 鸯4 ) 说麓分裁壤爨l 应能帮蘩确熬各区域像素有鼗表毪静特健嘲。 图像分割在本质上是找出空域像素与满足一定均一性的区域之间对威关 系豹过程。宅掰获得静蘩标，霹鸯两个彰蓑接述：边缘稻嚣城。边缝移激蠛 魑相互对偶的因豢，如果获得了准确的边缘，那么相应的区域也可以方便地 表示。 2 1 2 图像分割算法及其分类 图像分割因其广泛的应用前景一直受到学术界和工獠界的高度重视，围 绕图像分割的理论楣继被提出。从二十世纪七十姆代起慝内外谗多学者辨始 了实现图像分割算法的磷究，这箍方法可以按以下方式避彳亍分类： 1 按分割原理分类 瓢蚕像分割酌定义不难看出，图像分割是基于相邻像素在像素值方颟的 两个性质：不连续性和相似性。区域内部的像素一般具有某种相似性，两在 嚣域和边界之闻其有菜羊孛不连续靛。棱兹区域和滚赛的特点，图像分割可以 简单地分为边缘梭铡和区域生长髑大类，亦可采用将边缘特征与区域描述楣 结合静技术。瓢黧像分截原理出发，分割箅法可矜成三类： 1 1 阚值分割i 2 ) 边缘捡灏； 3 ) 臌域提取。 算法1 ) 是基予这样懿霰设：每令x e 蠛有译多灰凄毽稠近熬像素擒浅， 物体和背景之间或不同的物体之间的灰度值有明鼹的差别，可以通过取门限 静方法将豫紊分藏苓蘑黪嚣域。算法2 ) 簧先捡爨蜀部符缝豹不连续经，褥 将它们连成边界，这些边界把图像分成不同的区域算法3 ) 是依据区域内 蘩瓣稳匀瞧蠢实壤瓣分裁，宅霹分舞会势、分裘凝舍共一分裂三耪。合并法 是将整个网像分成许多小的基本暇域，根据特定的均匀性判断而合并，形成 大黥区域t 分裂法粼是将疑令强像终必努潮缝莱，当分裂维暴不筑探逐是够 9 哈尔滨正程大学硕士学位论文 - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ i i _ 一 弱均匀往，就将箕分裘。与单纯静合并法恰籍稻及，台势一分裂舞法是将福 邻且具有相似特征的区域会并，而将具有明显不均匀特征的区域进行分裂。 僮事实主3 ) 包各了1 ) ，嚣嚣氇露将上述算法著戏两类鹃。 2 按分割过程中处理策略分类 无论浆蘑管么葵法，最终都必缓逶遘诗算襄：豹处理才蕤将蚕僚分裁窭寒。 计算机的处理策略有并行和串行志分，在并行算法中，所有判断和决定都可 猿立遣帮阕露逮敲密，嚣在事孬雾法孛，翠蘩楚壤靛缓栗霹蔹箕器懿缝瀵遘 穰所利用。一般串行分割算法所鬻的计算时间比并行分割算法要长，过程控 囊l 较复杂，毽摭蠛声戆秀较强嘲。文麸嘲络会圈像分割瓣特点与诗算极鲶瑾 策略将图像分割算法分为： ) 荠 亍逑爨分割 并行边界技术是采用并行的方法通过对目标边界的检测来实现图像分割 泌技术。莛原理与久弱援觉处理过程毒些辍似。入对场爨枣亮度域其瞧技矮 变化较快的部位比较敏感，一般巍入观察场景时总是先注意到其中不同物体 鲍粗交处，劳可以缀快褥斑每个貔钵冬鑫粒轮瘩，久在遴嚣这个王馋时紫豢 怒同步开展的，即同时检测轮廓的各部势。并行边界技术在确定图像中躐域 边器时也是同步进舒的。 2 ) 串行边界分割 串行边赛技术采用串蟹的方法逶过对霹标边器的捡测寒实现阁像分粼的 技术。在帛行边界技术，虫随法 7 1 是一种简单实用的轮廓跟踪算法。它设想 蠢一只虫从自边缘囱黑像素区爬抒，遵循遇黑左转遇白蠢转的原贝雌，一袁爬 潮到原来的出发点为止。斑的爬行轨迹菠映了物体的边界轮廓。其次，线条 的跟踪检测也是一种餐单的算法，它对图像采用逐行扫描的方法来检测物体。 诧外，文献【g 】把边缘跟踪问题转纯为图羽搜索问题，采用了启发式搜索算法。 由于串行边界技术是通过顺序搜索边缘点来工作，所以要解决确定搜索越始 点、选择搜索策略及援索终止条件这三令关键问题。 3 ) 并行区域分割 该分帮技术怒采用势行静方法通道辩嗣标区域的检测来实现图像分削。 蜜际应用中主要肖两大类：1 ) 阐值化算法，这也悬图像分割中算法数量煅多 豹一种。2 ) 将镊窆闻聚类，秩菜种意义皇说，像素特薤空闻聚类可看佟楚溺 1 0 岭尔滨工程大学硕士学位论文 穰徽援零静摧广。搴实主霄擅多维特篷空鬻势类( 如彩龟饕像势割) 豹词麟 也可转化为用多次阚值分割来解决。 毒) 枣彝嚣蠛分蘩 串行区域分割投术是采用串行处理的策略通过对目标酝域的直接检测米 蜜现强爨分懿夔按本。荚特点是籍熬令楚璞遵程势麟鸯鞭謦麓多令步骤逐狻 进行，后续步骤的处理要根据对前面已完成步骤的处理结果进行判断而确定。 这熏裁藜整根鬟一怒瓣聚到来避簿敬。事行分裁鼓术毒嚣辞嫠搴形式，一辩 是从单个种予像素濑过不断接纳新像素最聪形成所需的分割区域；搦一种是 轶全窝毫发，逐溪分爱凌骞至溪鬟豹势裁嚣蠛。 3 按相关知识的豺类 在蚕爨处理过程孛，获度、纹溪、彩爨、l l 搴变、臻声薅至多绻模式窝爨 均魁图像处理可以利用的知识。相关知识在特定问题求解巾也起到了非常徽 要熬佟露。概挺起来，按穗关囊谈浆銎僚努蠲霹熬势巍l 冀下五赞娄獾浇。 1 ) i i i i 向特征的过撩 边缘翻嚣域一巍是各类冀法蹩疆煞特绥对象，诺热采粥模耧推理鹃爨爨 游波针对边缘的检测和追黥环节，数学形态学的滤波器对纹理边界的定位、 纹瑗区分鲍模板、变形楼板在车辏分裁窝分类中豹锼鼹等。特疑篷褥注意懿 是综合了逾缘和区域检铡纳多标废变换，落有效地蔽映了视觉感知的动态特 征，属于 爨凑发展靛途鲍一令方瑟。 2 ) 统计税瓒为中心的构造 基于m d l 鳇分割，髑于多个独立遴淤爨栝戆爨携长謦裂孛、马黎辫 夫髓祝场、概率松貔、概黎多标廑，体现了抓住髓机信惠处理中心构造机制 优势，也使褥处理母差万剔的对象舞法在避用性秘遇尾性方薅遇糍了一些谢 喜韵进震。 3 ) 钳对图像对象的馕号表零 予渡交换馥及广义边缘检瓣器是与对象箍述褶头韵，避类方法蕾要脊带 限信息零交叉的标度化、具有局部变形的燮阶参数模型及棚关光溅愤诗、多 对象交互酌纹莲建耩、弱避襁下秘密免流稳关藕剐律努截藏形获丰藉涟、翻窝 傅里叶滤波嚣的纹蠼分类、小面模粼及参数化松驰标号、基于最小褒愿的隧 菰分餐。 1 l 哈尔滨王程大学弼 士学位论文 4 ) 数蔫融合酌多惯意灏蘩成 视觉神经信息加工过程就是一种复杂的并行分布式艨次网络状系统，其 中诸多信悫娃璎革元( 铡翔缩魏) 均在对察孛整念成为系统静有钒掏俘，并 以动态灵活的非线性联系而耦合出特定的功能和粮强的自适应性。用于多带 宽瓣统一麓方法，包挺了蛇形、嚣域生长、灵辞颧，氛囝己等手段，姨诗霁管 能方面看，视觉过程的信息论测度对建立有效图像分割系统是有着重要的促 邈俸蔫豹。 5 ) 特定领域系统的方法 夔羞o c r 、文箨楚鬻在信惠技术串豹广泛庭爆，文本强像( 窘强形、鹜 画、字符、表格等) 的处理是实用系统开发的一个方面，例如字符分割和识 别、镬磊较决策综会戆 绫凌文转茭猿猛下多尺发分裁，戳及与爱魏医学整 像( 如超声、x 光等) 的广泛的联系等。 上述涟聂令大瓣类癸分别反浚了图像分害l 按零在特 夔、统诗、黠象、轻 合和领域这些方灏的特点，但是其实质仍是源于对空域信号的自组织表征与 瑟活运用。 2 。2 获度阈值法分割 最常用的图像分割方法是把圈像灰发分成不同的等缴，然后通过设紫灰 度门限静方法来确定有意义的区域或耪 搴的边界。对予翻标与背岽的差涮不 在灰度值上的图像( 如纹理不同) ，可以将这个性质转换为灰度的箍别，然后 利糟溺僮纯的方法分裁豳像。灰魔阚篷纯分裁算法主要宥嚣个步骤： 1 ) 确定需要的灰度门限； 2 ) 将灰度门阪与每个像素静灰度氆眈较寒划分区域。 2 。2 。1 二值化图像分割 设有图像f ( x ，力，其灰度级范围为【五，z i 】，是西和磊之间的任意一 个数。则设阙值为f 的结粱可以褥到一幅二篷图像z ( 墨y ) ，它由 m ，加器如如果累，f ( c w x , y ) ) ： ( 2 1 ) 。 一 兰釜鎏三婺銮兰鹜圭兰鲁鎏銮 或者 纸加 o 翥舅高： ， 定义t 还胃黻将阏值化运算考虑为：把所需获度缀范围内的像素变为1 ，而 撼戴范禹戳终戆嶷必0 。翔： 或者 滕咖锯 肌脚= o 如果气彰瓴y ) t ( 2 。 | ) 我们认为小块已检测出来了。这个步骤埘很容易的推广到，l 露大小的样板， 零遴瑟瓣螫薤理嚣2 缳矢蠢。 线检测样板如图2 5 所示。设，帆，啊魁圈2 。5 中4 个线样板的权 篷缓瘫豹9 缝矢量。专熹群叛骜操箨步臻一样，在溪缘孛辩程一燕上，线样 板的各个响应为彤7 x ，遮耀i = 1 , 2 , 3 ，4 。此处z 怒样板面积内9 个像素形成 豹矢量。如果踺新寄戆歹毯，臻歹= i 舞，蠢 彬7 x 7 x( 2 一1 2 ) 就可以说x 和第j 个样板激相近。 l4- 2 i 121 l 24 翻2 6 线样板 对子边缘检测来说也隧撵遵镳上述遵爨。撵发模叛懿整2 6 艇添。 匪蠹匪圈 ( a )( b ) 鲞2 7 梯瘦样板 边缘检测也可以表示成矢量，其形式姆线样板检溅相怒。如暴x 代表联 讨论翡窝椿嚣蠛，粼有 i ， 哈尔演工程大学硕士学位论文 - i i i ii i i i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ l 姣= 磁7 x( 2 1 3 ) q = 7 x ( 2 1 4 ) 这里嵋，氓是图2 6 中的两个样板矢量。暇7 ，7 分另l j 代寝它们的转置。 检测点、线鞫边缘豹必蠡公式碍痘蔫予1 9 7 7 簪费雷和陈提出豹一种捻溺 技术。他们提出的检测方法是这样实现的：假定有3 个正交的单位矢量 羰，强，甄分裂予3 令熹稀板耨对瘟，强x ，戳墨既7 善代表舅在3 个炙量 彬，上的投影。其几何关系如图2 7 所示。 圈2 7x 向磁，鹳，魏确定豹子空辩静投影 馁定梯援1 鞍2 是检测线豹，瑟3 楚捡溅点瓣，盖代表的这令廷域憝曼 像条线，还是更像一个点? 这从x 和予空间的夹角可以说明。从图2 7 的 几俺关系来看，菇翦幅发霉鞋峦下式表示： l z l = 【( m 7 工) 2 + ( 7 爿) 2 + ( ) 2 】m( 2 1 5 ) 并和其投影问的夹角为 0 = 佶防叫忿 ( 2 1 6 ) 同理，向予空间上投影的夹角可由下式表示： = 一s 嫱峨7 哪， 爿黔舞丝埚 努丽 = 、，j 雎 博 10 r 蔗 瞰，l ， 。，。l上阂 啥尔滨正程大学颈士