基于紋理特征與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)車輛識(shí)別

張秀林，王浩全，劉 玉，安 然

(中北大學(xué)a.動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

責(zé)任編輯:任健男

Gabor小波［1］具有變焦能力及多分辨率特性，廣泛應(yīng)用于內(nèi)容圖像檢索、模式識(shí)別和計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域。紋理特征的有效提取成為對(duì)紋理進(jìn)行分割、檢索和分類的關(guān)鍵。運(yùn)動(dòng)車輛的識(shí)別是智能交通系統(tǒng)(ITS)中的重要組成部分，通過減背景技術(shù)、顏色塊、局部灰度極值點(diǎn)［2］，可以得到區(qū)分運(yùn)動(dòng)車輛與背景的256級(jí)灰度圖像。利用特征值加權(quán)的Gabor小波紋理特征的提取方法，從運(yùn)動(dòng)車輛圖像的顯著方向和尺度下獲得紋理信息，根據(jù)這些信息構(gòu)造紋理特征向量，然后利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和仿真，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)車輛紋理圖像的自動(dòng)分類，達(dá)到運(yùn)動(dòng)圖像的識(shí)別。實(shí)驗(yàn)證明，該方法一方面能使圖像紋理特征向量的維數(shù)減少，另一方面保持了系統(tǒng)的檢索性能。

1 運(yùn)動(dòng)車輛紋理圖像的特征提取

1.1 Gabor濾波器的設(shè)計(jì)

Gabor函數(shù)既能兼顧信號(hào)在頻域和時(shí)域中的分辨能力，又能很好地實(shí)現(xiàn)時(shí)頻測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系下界［3－4］，同時(shí)Gabor濾波器是帶通的，與人類視覺接收模型相吻合［5］。對(duì) Gabor函數(shù)［6］，公式為

進(jìn)行適當(dāng)?shù)某叨群托D(zhuǎn)變換，公式為

式中:x′=a－m(xcosθ+ysinθ)，y′=(－ xsinθ+ycosθ)，a－m為尺度因子，m=0，1，…，L －1，L為多分辨率多分解的尺度數(shù)目;θ=，M表示總的方向數(shù)目。方向和尺度都不同的濾波器族，可以通過改變m和n的值來獲得，代入一組特定的參數(shù)集合(m，n，σx，σy)將獲得一個(gè)離散的Gabor濾波器Hmn(x，y)。

1.2 卷積值的加權(quán)處理

設(shè)經(jīng)過紋理分割后的樣本紋理圖像I(x，y)中抽取樣點(diǎn)(X，Y)，則該點(diǎn)的卷積值為

式中:w為濾波器的窗口大小，Gabor濾波器覆蓋的地方稱為卷積子窗口，盡量對(duì)整幅圖像均勻覆蓋不能間隔太小。圖1中25個(gè)窗口每個(gè)窗口包含4個(gè)卷積抽取子窗口，把25個(gè)窗口化為互相重疊的16個(gè)卷積加權(quán)組。{w1，…，w8，w21，…，w28}∈ W1，以此類推{w73，…，w80，w93，…，w100}∈W16。

圖1 卷積加權(quán)組示意圖

式中N=16 代表Wl中包含卷積抽取子窗口的個(gè)數(shù)。對(duì)于W1，當(dāng)Gabor濾波器為i是依次提取的卷積值為{Fi1，…，F(xiàn)i8，F(xiàn)i21，…，F(xiàn)i28}，得到加權(quán)后的卷積值［7］為

式中:i代表第 i個(gè) Gabor濾波器(i=1，2，…，10)，j代表第j個(gè)特征抽取子窗口(j=1，2，…，100)。在樣本圖像中均勻抽取100個(gè)樣點(diǎn)，分成100個(gè)大小為10×10的特征抽取子窗口，對(duì)每個(gè)特征抽取子窗口，取其中心點(diǎn)為樣點(diǎn)。這樣，對(duì)于每個(gè)樣點(diǎn)來說，分別有10個(gè)不同的Gabor濾波器響應(yīng)進(jìn)行特征抽取，將得到大小為1 000×1維的特征矢量，具有較高的維數(shù)。

雖然能量信息可以有效地表示紋理特征，但很容易產(chǎn)生分類誤差。所以，紋理特征將用均值和方差代替［8］，這不但降低了維數(shù)，而且降低了分類誤差。

卷積加權(quán)后的均值和方差為式中:T=1 000。當(dāng)m=4，n=6，則紋理圖像的特征向量表示為

2 三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)紋理分類器的構(gòu)建

線性分類模型并不適合用于區(qū)分復(fù)雜的紋理圖像中種類不同的紋理圖像。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋網(wǎng)絡(luò)，采用反向傳播的算法，它不僅能夠?qū)θ我獾姆蔷€性映射關(guān)系進(jìn)行逼近，而且有很好的泛化能力［9］，選擇一個(gè)可以用于任意分類問題的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［10］的過程來識(shí)別運(yùn)動(dòng)的車輛。

圖2 三層前饋網(wǎng)絡(luò)

三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的第一層神經(jīng)元從外部接收輸入為

第一層輸出為

第二層輸出為

第三層輸出為

式中:s1，s2，s3為敏感性，得到上述三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器后，首先得到大量的樣本圖像特征值構(gòu)成的矩陣，然后將樣本的特征值作為輸入使BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自行學(xué)習(xí)，最后用學(xué)習(xí)結(jié)果對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行自動(dòng)分類，流程圖如圖3所示。

圖3 紋理分類系統(tǒng)流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)采用的紋理圖像庫由紋理分割后的90幅320×240不同的車輛紋理圖像組成，其中小型車輛紋理圖像30幅(清晨10幅、中午10幅、傍晚10幅)，中型車輛紋理圖像30幅(清晨10幅、中午10幅、傍晚10幅)，大型車輛紋理圖像30幅(清晨10幅、中午10幅、傍晚10幅)。針對(duì)圖像庫中的每幅圖像分別采用Gabor小波卷積值加權(quán)后提取不同尺度、不同方向的均值和方差作為紋理特征構(gòu)成特征向量，并把這些特征向量存入特征庫。用于分類的車輛紋理圖如圖4所示。其中，圖4a為小型汽車早、中、晚的紋理圖像;圖4b為中型汽車早、中、晚的紋理圖像;圖4c為大型汽車早、中、晚的紋理圖像。

圖4 用于分類的車輛紋理圖

表1 紋理分類結(jié)果查準(zhǔn)率

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，本算法對(duì)圖像紋理特征有較好選擇，使紋理分類準(zhǔn)確率明顯提升，很好地克服了光照的影響，具有很強(qiáng)的穩(wěn)健性，對(duì)小型車輛、中型車輛、大型車輛紋理圖像都有很好的識(shí)別分類效果，對(duì)質(zhì)量較差的圖像具有很好的識(shí)別分類能力。

4 結(jié)語

Gabor小波函數(shù)與紋理圖像卷積值加權(quán)后取不同尺度、不同方向的均值和方差作為紋理圖像分類的特征向量，降低維數(shù)的同時(shí)增強(qiáng)了離散程度較小的特征分量、減弱離散程度相對(duì)較大的特征分量在分類中的作用，充分利用樣本紋理圖像的統(tǒng)計(jì)信息，具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性和類別表征能力，在利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行紋理圖像的識(shí)別過程中有效降低圖像的識(shí)別錯(cuò)誤率，降低了光照的影響具有很強(qiáng)的穩(wěn)健性，尤其適用于對(duì)質(zhì)量較差圖像的識(shí)別。

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