[發明專利]基于改進螢火蟲算法的盾尾間隙圖像二維Otsu閾值分割方法

在審

• 申請號: 202310174691.6
• 申請日: 2023-02-27
• 公開（公告）號: CN116309665A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 曾亮;張琛寧;劉哲;王珊珊;舒文強;鄒心怡;夏軍勇;許超;楊釗;熊棟棟
• 申請（專利權）人: 湖北工業大學
• 主分類號: G06T7/136
• 分類號: G06T7/136
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 鄭勤振

公開了一種基于改進螢火蟲算法的盾尾間隙圖像二維Otsu閾值分割方法，該方法包括：在管片圖像灰度[0,255]范圍內，隨機生成一個種群；通過迭代的方式獲取種群中最優二維螢火蟲位置，其方法包括：計算種群中每只螢火蟲的最大亮度；將種群內的螢火蟲最大亮度進行排序，對于每只螢火蟲，將其與比它亮度低的若干只螢火蟲組成局部群落；對局部群落進行螢火蟲之間的吸引操作；對螢火蟲位置進行更新，在位置更新時引入吸引力權重以加強局部群落之間的聯系；根據螢火蟲移動后的位置，更新螢火蟲的最大亮度；經過多次迭代后輸出最優二維螢火蟲位置，以此對管片灰度圖像進行閾值分割。

技術領域

本發明屬于盾構施工技術領域，涉及到盾構施工監測儀器儀表，特別涉及到一種基于改進螢火蟲算法的盾尾間隙圖像二維Otsu閾值分割方法。

背景技術

隨著城市地鐵隧道和其他地下工程大規模建設的需要，盾構施工技術和裝備在世界范圍內得到了快速的發展和應用。盾尾間隙是盾構掘進施工過程中需要精確測量和實時監控的一類關鍵技術參數，對于控制盾構機姿態及保證盾構施工的高效和安全等方面起著至關重要的作用。盾尾間隙是指管片外徑和盾構殼體內徑之間的間隙距離。當盾尾間隙變化量超出設定的范圍時，將會使盾尾和管片之間發生過度擠壓，加速盾尾密封刷的磨損，減緩掘進速度，甚至造成管片錯臺或損壞，導致隧道滲漏和地表沉降等嚴重后果。因此，有必要對盾尾間隙進行實時、連續和周期性測量來保證盾構施工的效率和安全。

人工測量盾尾間隙不僅耗費人力而且精度較差。有學者提出了多種基于機器視覺的盾尾間隙測量方法，這些方法中都需要對管片區域進行實時分割處理，提取管片感興趣區域圖像。對管片區域提取常使用Otsu自動閾值分割方法，但傳統的一維Otsu閾值分割方法受管片圖像噪聲影響過大，傳統二維Otsu閾值分割方法因其內部使用窮舉法，對于大尺寸圖像存在計算復雜度高、運行速度慢、實時性差等缺點。

螢火蟲算法是一種新興的群智能優化算法，因其概念簡單、參數較少、易于實現而廣泛應用于生產調度、函數尋優、圖像處理等優化問題。但螢火蟲算法存在計算復雜度較高、容易陷入局部最優、收斂速度較慢等缺陷，因此在實踐應用過程中，將經典螢火蟲算法應用于盾尾間隙圖像閾值分割時效果不太理想，進而限制了螢火蟲算法在盾尾間隙圖像閾值分割問題上的應用。

發明內容

本發明提供了一種基于改進螢火蟲算法的盾尾間隙圖像二維Otsu閾值分割方法、系統，通過改進螢火蟲算法，對管片區域二維Otsu自動閾值分割過程進行優化，減少了二維類間方差的計算次數、降低了計算復雜度、增強了盾尾間隙監測程序的實時性。

根據本發明實施例第一方面，提供一種基于改進螢火蟲算法的盾尾間隙圖像二維Otsu閾值分割方法，包括：

獲取管片圖像；

在管片圖像灰度[0,255]范圍內，隨機生成N只二維的螢火蟲組成的一個種群；

通過迭代的方式獲取種群中最優二維螢火蟲位置，其方法包括：計算種群中每只螢火蟲的最大亮度；將種群內的螢火蟲最大亮度進行排序，對于每只螢火蟲，將其與比它亮度低的若干只螢火蟲組成局部群落；對局部群落進行螢火蟲之間的吸引操作，計算每只螢火蟲與其所在局部種群內部其他螢火蟲相對亮度與吸引度；根據相對亮度和吸引度對螢火蟲位置進行更新，在位置更新時引入吸引力權重以加強局部群落之間的聯系；根據螢火蟲移動后的位置，更新螢火蟲的最大亮度；經過多次迭代后輸出最優二維螢火蟲位置；

取最優二維螢火蟲位置的均值作為最佳閾值，使用最佳閾值對管片灰度圖像進行閾值分割，以此得到管片感興趣區域分割結果。

根據本發明實施例第二方面，提供一種基于改進螢火蟲算法的盾尾間隙圖像二維Otsu閾值分割系統，包括：

圖像采集模塊，其被配置為獲取管片圖像；

種群初始化模塊，其被配置為在管片圖像灰度[0,255]范圍內，隨機生成N只二維的螢火蟲組成的一個種群；