[發明專利]基于灰度閾值的高濃度風沙圖像分割的方法

有效

• 申請號: 201711395910.4
• 申請日: 2017-12-21
• 公開（公告）號: CN108230334B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 梅凡民;雒遂;王杰;陳金廣
• 申請（專利權）人: 西安工程大學
• 主分類號: G06T7/11
• 分類號: G06T7/11;G06T7/136;G06T5/00;G06T5/50
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 蔣姝泓

本發明公開了一種基于灰度閾值的高濃度風沙圖像分割的方法，其步驟包括背景模板去噪、灰度化處理、圖像微分、灰度方差閾值目標檢測和最大類間方差灰度閾值分割。該方法既能提高目標識別和分割的精細化程度，也能有效去除了圖像隨機噪音和降低分割錯誤帶來的噪音。本發明圖像分割方法的沙粒有效識別個數、查全率和查準率顯著地高于傳統分割方法，其對高濃度風沙圖像的分割效果良好。

技術領域

本發明屬于圖像分割技術領域，具體涉及一種基于灰度閾值的高濃度風沙圖像分割的方法。

背景技術

準確分析高濃度風沙粒子的運動圖像是深入理解沙粒軌跡形成機制的關鍵技術，而圖像分割方法的質量是獲得細致、完整的沙粒軌跡的基礎。

高濃度風沙圖像具有4個影響圖像分割效果的特征：(1)高濃度風沙流中沙粒亮度具有明顯差異，部分暗粒子亮度和背景接近。沙粒的亮度差異與其礦物類型、形貌特征有關(沙粒形貌特征的千差萬別，這使得被高速攝影所拍攝的沙粒對照明光源的反射和散射出現差異，進而造成高速攝影圖像上沙粒的亮度會有明顯的差異)；沙粒的亮度差異也與沙粒在平動過程中會伴隨旋轉和側向運動有關(會造成同一顆沙粒時明時暗)；沙粒的亮度差異也與圖像拍攝的方法有關。為了減小床面反光效應而清晰地拍攝到床面附近的沙粒運動，小光圈拍攝會使圖像景深變寬厚從而導致景深之內沙粒增多，而這些沙粒的亮度也會低于焦平面沙粒的亮度。(2)拍攝過程中的環境干擾產生的穩定噪音和隨機噪音(見后面討論)也會影響圖像分割的效果。(3)同一個沙粒不同部位上呈現明暗差異的特征，會出現單沙粒被分割成幾個沙粒的錯誤，這里稱為單粒子分割現象。(4)沙粒在二維圖像上的表觀重疊現象(幾個沙粒同時到達了水平和垂直位置相同而側向位置不同的位置時在二維圖像上是重疊出現的假象)

在諸多圖像分割方法中，灰度閾值分割是比較簡潔和富有效率的傳統算法，其原理是在灰度階的數字序列中選擇合適的灰度閾值來分割圖像。最大類間方差灰度閾值分割法是灰度閾值分割法中的一種，根據灰度的一階矩和二階矩及最小二乘法擬合自動地獲得圖像分割閾值的，其原理是當目標和背景間灰度方差最大時則對應著最佳的分割閾值。該算法的優點是不依賴于先驗知識，算法簡潔，自提出后在圖像處理領域得到了廣泛地應用。

但是，最大類間方差灰度閾值法適合目標和背景對比明顯且灰度分布較為均勻的圖像，然而實際拍攝的圖像往往都存在明暗不均、部分目標和背景灰度差異小的問題，這就影響了該方法的應用。對此問題，一個改進的做法是利用微分的思想把圖像分割為不同的區域，再對每個微分單元利用灰度的最大類間方差進行分割就可能獲得每個微分單元最合適的分割閾值，從而提高了圖像分割的精細化程度。然而對微分單元進行分割時，如果該單元屬于純粹的背景，只不過由于背景內仍存在灰度階差，會出現對背景繼續分割而產生噪音信息的情形，同時也會造成暗粒子由于和背景接近而被分割為背景的情形，這些情形必然會影響整幅圖像分割的效果。

已有的研究表明全局最大類間方差灰度閾值法分割法對低濃度風沙圖像的分割效果良好，但對高濃度風沙圖像而言，該方法的分割效果就很難滿足研究的要求。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于灰度閾值的高濃度風沙圖像分割的方法，該方法通過改進傳統的最大類間方差灰度閾值法，從而有效地改善高濃度風沙圖像的分割效果。

本發明所采用的技術方案包括5個步驟：

步驟1，采用扣減背景模板去噪法對高濃度風沙圖像進行去噪；

步驟2，對去噪后的風沙圖像進行灰度化處理；

步驟3，對灰度化處理后的風沙圖像進行微分處理；

步驟4，通過下式對微分后風沙圖像中的灰度單元進行基于灰度標準方差閾值的目標檢測，其中，為第i個微分單元的灰度方差，T為閾值，n為微分單元的序號；

當時，則設置為目標，當時，則設置為背景；