基于局部熵的图像分割算法研究与实现
2023-07-17
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电子测量技术 第39卷第l2期 ELECTR0NIC MEASUREMENT TECHN0L0GY 2016年12月 基于局部熵的图像分割算法研究与实现 王 星 宗 凯 (河海大学计算机与信息学院 南京 211100) 摘要:传统的图像分割模型有各自的缺点 LBF模型对于活动轮廓的初始化相当敏感,而CV模型不能处理灰度 不均的图像。为了解决上述的缺点,提出了一种改进的图像分割模型,通过局部熵推导出图像的灰度图分布,并在此 基础上提出一种与LBF相似的模型,同时与CV模型进行结合,得到局部与全局的活动轮廓模型。通过测试各类合 成图片以及真实图片,这种模型不仅可以较好地处理灰度不均匀的图像,同时提升了对噪音的鲁棒性,并且降低了模 型对活动轮廓的敏感程度。 关键词:图像分割;局部熵;活动轮廓模型;CV模型;LBF模型 中图分类号:TN247;TP911.73 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:520.6040 Research and implementation of image segmentation algorithm based on local entropy Wang Xing Zong Kai (School of Computer and Information,Hohai University,Nanjing 210000,China) Abstract:Traditional image segmentation models have their own shortcomings.The LBF model is sensitive tO the initialization of active contours,while the CV model cannot dispose the image with intensity inhomogeneity.To solve those aforementioned faults,we put forward an improved image segmentation model which based on the local entropy deriving from a grey level distribution of image,and then propose a model which is similar to LBF mode1.Then,by combining the CV model into the new one,we get a new active contours model based on local image information and globally.The model has been tested on kinds of synthetic and real images,and the experiment results show that our method is efficient tO deal the image with intensity inhomogeneity,and improve the robustness tO noise,and have the power tO reduce the sensitivity on the initialzation of active contours. Keywords:image segmentation;local entropy;active contour model;CV modeI;LBF model l 引 言 变区域拟合能量定义的能量泛函,这解决了CV模型不能 分割灰度不均匀图像的难题。但是该模型对活动轮廓的初 图像分割是图像处理的一个基本技术,它的主要目的 始化却很敏感,而且处理噪声图像的效果也不理想。 是将感兴趣的区域与背景进行分离。由于图像中存在各种 为了克服以上模型的缺点,许多学者提出了大量改进 噪声而且灰度分布不均匀,所以设计一个可靠有效的分割 模型,本文提出了一种改进的活动轮廓模型。新的活动模 方法在实际应用中仍然是一个难题。近年来,在很多改进 型不仅可以分割灰度不均匀的图像 ],而且提升模型对初 的方法中,活动轮廓模型已被证明是最有效的模型。将研 始轮廓的鲁棒性。此外,通过使用局部熵,该模型可以有效 究在水平集下的几何活动轮廓模型。 地消除噪音。实验表明,该模型同时具有CV模型和LBF CV模型 是由Chan和Vese提出来的,使用该模型 模型的优点,不但能够分割灰度不均一图像,而且具有对初 的基础是图像的目标和背景的灰度变化不大,这就决定了 始曲线的大小和位置不敏感以及抗噪性强的优点 ]。 该模型不能分割灰度不均的图像。CV模型的主要优点是 计算速度快,演试结果对初始曲线的位置不敏感。为了处 2背 景 理灰度不均图像,Li提出了LBF模型[2 ],该模型把CV模 2.1 CV模型 型的全局二值拟合能量泛函改为以高斯函数为核函数的可 CV模型假设图像I由两个同质区域组成,由水平集表 收稿日期:2016—00 ・ 168 ・ 王 星等:基于局部熵的图像分割算法研究与实现 示的能量泛甬为: r 第12期 E‘ ((、 川’1)一Al l JⅢ, r『1) j m t ‘t (j一(’l l!dj’+ I I,一 l!dr+v{c 1 (1) (a) 《b) 式巾: , 。 是正常数,inside((、)和outside(C)代表 了区域内部和外部的轮廓. 和 分别是轮廓C内部和外 部的灰度平均值。{c l表示轮廓c的长。CV模型基于图 像的全局信息,因此对活动轮廓的初始化不敏感,且对噪声 图1 原始图与局部熵处理图片的对比 具有鲁棒性 。但是因为它假设图像是由两个近似于常 值的区域组成,所以无法分割灰度不均图像。 2.2 LBF模型 此新的RSF能源重新定义如式(6)所示。 E (C,.,’l,-厂 )一 )( 5--y)JJ( )- ( 1 dy)dx(6) 与CV模型不同,I BF模型基于区域可变的局部拟合 能量,总的能量泛函可以写成如下公式: ” (( ,l,’.,. )一 。式中:nl=inside(C),n2一outside(( ),E ( )一E( , W(x,r))是_T∈n的局部熵。W(x,r)是矩形窗函数, J『 nJ『 w( r)一{ :l 一 l≤r),r>0。 用CV模型的能量公式: r 州fde‘ j f K ( — )I,t j一 ( )I dydx nj l|…d (2) :E (f,,cz,c)一 -j肿 j I J—f・l dx+ L I卜 I d5 在本文中,定义能量模型如下: E“ (( ,fI,(’2’-/’1,-厂 )一(1一∞)F (C,C2 1)+ 式中:K ( 一j,)是高斯核甬数,it。和 !足正常数。/ (LT) 和.( )为图像在点 处的局部拟合值。在LBF模型巾, (7) (8) , 和 / 近似于轮廓内外高斯窗内的灰度的加权平均值。 c 它利用了局部图像信息,因此对灰度不均匀图像有很好的 分割效果。但是因为没有涉及全局信息,所以对曲线的大 小和初始位置很敏感,且对噪声不具有鲁棒性 。 (C,,。,f。) 取值范围0≤ ≤1,r,和C 分别是原图像区域在演 变曲线内部和外部的的灰度平均值,-,’.和 为图像在点 处的拟合值。使用Heaviside函数H(j5),上述模型的能 量泛函为: 3本文模型 3.1 局部熵 在信息论中,熵是接收的每条消息中包含的信息的平均 量。根据Shannon对熵的定义,一个冈像的信息熵可以表示为: ( , ,_厂 -/ )一∑ I E,( )(I K ( — )I J( )一f ( )J M ( ( ))dy)d5 E(,)一一 P 1ogP (3) 式巾:P 是罔像I的可能概率。但是,罔片的不同部位有不 同的信息,因此如果要对图片的不同区域进行试验,需要计 算这些部分的熵 ” 。文中定义了一个空间连续域n (== ,A。J。}I(5) ( )I M (川d + 』 丢(I ( )I一1)2d + J H( ( ))I d (9) 式中:M。( )一H(≠),M ( )一1一H( ), 和 是正的 那么n 的局部熵可以写为: 1 r 加权常数。 式(9)中的f ( ),f ( ),f (-,)和f。( )分别通过如 下关系式得到: E(x.gL)一面r J n j a P(y,O,)log y,g2,)dy (5) P( .仃_)足灰度级分布,它被定义为: P(x,n )一J( )I,( )dz Y∈n l f( )H (≯(J’))dx f 一 ・—————一 众所周知,异质性程度的熵可以测量图像分割区域内, 越均匀分割区域。熵就越低“” 。图1(a)是有强噪声并且 灰度不均匀的图片,网1(b)是局部熵的图片。通过对比, nr以发现局部熵对噪声具有鲁棒性而且可以分割灰度不均 匀的网像。 3.2模型描述 fz一 l H ( ( ))dx l,( )(1一H ( ( )))d5 ——————————一 (1O) J n I(1一H ( ( )))dx rI K (J’一 )J(. y)H (声( ))dy u,’ 一 ]_-————————————一 在本节中,将详细介绍活动轮廓模型的图像分割 。 利川局部熵E( ,n )来描述在一个点 区域问的n。. l K (5一 )H ( ( ))dy 第39卷 电 子 测 量技术 置参数 —O.02×255×255.Ⅲ一O.97~0.99。在这些 ,。一 ・———————————————一 图片中,部分血管的边界很弱,这使提取更有难度。从图3 中可以看到,方法可以克服弱边界和对不同初始轮廓来提 取感兴趣区域,不同的初始轮廓,S都可以得到正确的分割 结果。该方法被证实可以有效地分割图像强度不均匀的图 片,而且对初始轮廓具有鲁棒性。 一 (F +F2)+ 删iv( )+ v( )) … ( F.一(1]c’)1 I 』 K ( — )E ( )I,( )一 ( )I dy l I— 。I K --y)E ̄(y)l j )一 ( )I dy+l F 一 I-it,‘ L^ I( 3.3算法实现 (12) 下面给出本文模型算法的具体实现步骤: stepl:初始化轮廓C 并且初始化水平集函数 。 step2:设置∞、it,、A 、v、 、 的值,并且设置步 长△,。 4.3与CV模型和LBF模型的比较 在执行效率以及执行精确度方面,与CV模型、I BF模 型进行比较 ” 。选取了3张图片.在图4中(a)~(c)分 别是大脑图片、肺部图像、骨骼图像。第l列是在CV模型 下分割的图,第2列是在LBF模型下分割的图,所有这些 step3:根据式(12)计算FI、F2。 step4:根据式(11)计算水平集函数妒。 图片都产生严重噪声和低信噪比,第3列是在本文模型下 的效果。在表1中,对不同模型的运行时问进行对比,可以 发现CV模型处理速度非常快,但是分割的效果却并不好; CV模 LBF模型 本文模型 step5:重复step3,直到满足收敛标准。 4 实验结果 本文的模型在合成图片.真实图片和医学图像不同模 式下都进行了测试。实验环境是MATI AB201la, Windows7,Core i7双核CPU 2.5 GHz。定义以下的参数: 一2,步长At一0.1,itl—it2—1, :1, 一3,y和 00『欠迷代 cc,的值根据实际情况来调整。 4.1分割合成图像 为了评估该方法是否可行,选取了多幅合成图像进行 处理,选取的1组结果如图2所示图片尺寸为103×97,图 2显示了原始图片以及相应的结果。设置参数v一0.02× 255×255.∞一0.97~0.99。尽管这些初始轮廓区别很 大,但是相应的结果却几乎一样,和对象的边界是准确的。 这些实验证明该 型解决了对活动轮瘟的初始化不明感的 羁2 对于合成图像不同初始轮廓的分割结果 4.2分割不均匀的血管图像 虱4大脑图像、肺部图像、骨骼图像在CV模型 I BF模型以及本文模型的分割效果 在不同的初始轮廓位置分割血管图像如图3所示,设 王 星等:基于局部熵的图像分割算法研究与实现 LBF模型可以处理一些灰度不均匀的图片,但是需要更长 第12期 application to brain MR image segmentation[J]. Computerized Medical Imaging and Graphics,2009, 33:520—531. 的时间来获取所需要的轮廓。通过使用局部熵,该模型可 以有效地消除噪声。通过结果可以看到,模型分割图像的 能力以及消除噪声的能力都是优于其他两个模型的。 表1不同图像迭代次数以及运行时间 5 结 论 本文结合CV模型以及LBF模型,提出了一个改进的 图像分割模型,通过局部熵推导出图像的灰度图分布,重新 定义类似于LBF模型的能量公式,并与CV模型相结合。 这种改进的模型不仅可以对灰度分布不均的图像进行处 理,而且增强了噪声的鲁棒性,对于不同的初始轮廓,也都 可以分割得到正确的结果。 参考文献 [1]HE C,WANG Y,CHEN Q,et a1.Active contours driven by weighted region-scalable fitting energy based on local entropy[J].Signal Processing,2012, 9.2(2):587—600. [2] LI C,KA0 C,G0RE J C,et al_Minimization of region-sealable fitting energy for image segmentation1-J]. IEEE Transactions on Image Processing,2008,17(1O):1940—1949. [3] PRICE B L,MORSE B,COHEN S.Geodesic graph cut for interactive image segmentation 1-C].2010 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR),IEEE.2010:316卜3168. 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