基于地址-事件表示的高速二值連通域標(biāo)記方法*

閆　石，徐江濤，高志遠(yuǎn)，王含宇（天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072）

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基于地址-事件表示的高速二值連通域標(biāo)記方法*

閆石，徐江濤*，高志遠(yuǎn)，王含宇
（天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072）

摘要：為提高二值連通域標(biāo)記的速度，將地址-事件表示AER（Address Event Representation）思想引入到二值圖像處理，提出了一種基于事件對(duì)等價(jià)標(biāo)號(hào)的二值連通域標(biāo)記方法。該算法無(wú)需多次遍歷圖像中的背景點(diǎn)和冗余目標(biāo)點(diǎn)，首先將待標(biāo)記的連通域以AER“事件對(duì)”的方式編碼保存，通過(guò)“事件對(duì)”的遍歷生成臨時(shí)標(biāo)號(hào)和等價(jià)標(biāo)記表；然后根據(jù)等價(jià)表修改臨時(shí)標(biāo)號(hào)；完成標(biāo)號(hào)映射后最終實(shí)現(xiàn)連通域標(biāo)記。整個(gè)算法只處理極低冗余的事件信息，避免了對(duì)全圖像素的重復(fù)掃描與處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，圖像以AER“事件對(duì)”方式存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)量?jī)H為全幀圖像的10%～35%，有較高的壓縮比；且該算法速度快，可達(dá)到了傳統(tǒng)基于等價(jià)標(biāo)號(hào)算法的1.5～8倍。

關(guān)鍵詞：二值圖像；連通域標(biāo)記；地址-事件表達(dá)；事件對(duì)；等價(jià)標(biāo)號(hào)

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金（61274021，61234003）

連通域標(biāo)記是二值圖像處理領(lǐng)域中最常見(jiàn)的運(yùn)算之一，它可以將二值圖像中不同的目標(biāo)區(qū)域標(biāo)記區(qū)分開來(lái)，從而方便分別對(duì)各個(gè)目標(biāo)的特征進(jìn)行分析和提?。?］。二值連通域標(biāo)記已被廣泛應(yīng)用于圖像分割、圖像分析以及目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域［2-3］，因此其運(yùn)行速度的提升對(duì)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的發(fā)展具有重要意義。

基于等價(jià)標(biāo)號(hào)思想的連通域標(biāo)記算法是一種最普遍的二值圖像連通域標(biāo)記算法［4］，根據(jù)實(shí)施細(xì)節(jié)的不同，其又可分為線標(biāo)記法［5］、基于像素掃描的方法［6］和基于塊掃描［4，7］的方法，這些算法本質(zhì)上都是通過(guò)遍歷圖像，初步標(biāo)記并確定等價(jià)標(biāo)號(hào)，再根據(jù)等價(jià)標(biāo)號(hào)對(duì)初步標(biāo)記進(jìn)行整合，從而獲得最終的標(biāo)記。這些算法大都需要對(duì)圖像進(jìn)行多次掃描，文獻(xiàn)［8］算法結(jié)合基于像素掃描的標(biāo)記法和線標(biāo)記法，提出了一種基于硬件加速的高速二值圖像連通域標(biāo)記方法，盡管大大提高了標(biāo)記速度，但依然需要兩次掃描。文獻(xiàn)［9］提出的方法并不直接標(biāo)記圖像中的連通區(qū)域，而是提取出每個(gè)連通區(qū)域的特定信息，這避免了多次掃描。每次掃描過(guò)程都需要對(duì)大量的背景點(diǎn)以及冗余目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行遍歷、判定和賦值。這些無(wú)效的操作很大程度地增加了算法運(yùn)行時(shí)間，特別是對(duì)于高分別率、大尺度的二值圖像，算法程序運(yùn)行的冗余現(xiàn)象更為明顯。

為提高二值圖像連通域標(biāo)記的效率，本文提出了一種基于地址-事件表達(dá)（AER）的二值連通域標(biāo)記方法。AER是一種仿生的圖像采集、處理模式［10］，最早出現(xiàn)于圖像傳感器領(lǐng)域［11］。AER圖像傳感器模仿生物視覺(jué)系統(tǒng)的工作機(jī)理，各個(gè)像素之間獨(dú)立工作，僅對(duì)光強(qiáng)發(fā)生顯著變化的像素點(diǎn)觸發(fā)事件響應(yīng)，輸出對(duì)應(yīng)像素的地址和事件屬性，從而具有低冗余、低延時(shí)、高實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)［12-14］。本文提出的算法將目標(biāo)區(qū)域前后邊緣響應(yīng)產(chǎn)生的“事件對(duì)”作為待處理的原始數(shù)據(jù)，僅對(duì)有限個(gè)“事件對(duì)”進(jìn)行遍歷；通過(guò)判斷“事件對(duì)”間的相交性確定連通性和標(biāo)號(hào)的等價(jià)關(guān)系，最后將每個(gè)“事件對(duì)”的標(biāo)記值映射回其地址間所夾的像素點(diǎn)，即可獲得二值圖像連通域的精確劃分。本算法只處理事件信息，而無(wú)需對(duì)原圖中背景點(diǎn)和冗余目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行遍歷，對(duì)于高分辨率、背景點(diǎn)數(shù)量龐大的二值圖像，該算法具有較高的處理效率。

1　 AER感知方式

AER感知方式以仿生神經(jīng)學(xué)為原型。AER圖像傳感器的工作機(jī)理為：傳感器像素陣列中各個(gè)像素單元相互獨(dú)立工作，當(dāng)某個(gè)單元檢測(cè)到光強(qiáng)變化超過(guò)設(shè)定閾值后，觸發(fā)特定事件響應(yīng)，其中ON事件代表光強(qiáng)增大，而OFF事件則代表光強(qiáng)減弱。若同時(shí)有多個(gè)單元觸發(fā)響應(yīng)，就需要經(jīng)過(guò)行、列仲裁控制依次輸出事件脈沖，并觸發(fā)外圍電路編碼事件地址與屬性。AER圖像傳感器只輸出發(fā)生事件的地址（x，y）和屬性（ON/OFF），而光強(qiáng)變化不明顯的背景和目標(biāo)內(nèi)部點(diǎn)則不會(huì)觸發(fā)事件響應(yīng)，沒(méi)有信息輸出。這從源頭上消除了冗余信息的產(chǎn)生。

將AER感知模式應(yīng)用于二值圖像的處理中，對(duì)于一幀圖像而言，基于AER的處理方式不關(guān)心其背景信息以及冗余的目標(biāo)點(diǎn)，而將每個(gè)目標(biāo)的前后邊緣點(diǎn)觸發(fā)響應(yīng)產(chǎn)生的OFF/ON事件作為原始數(shù)據(jù)，并記錄事件坐標(biāo)和屬性，稱之為AER編碼。AER數(shù)據(jù)可以由AER圖像傳感器直接獲取，也可以通過(guò)對(duì)原始圖像的二值矩陣平移求差獲得：通過(guò)平移模擬前景目標(biāo)的移動(dòng)，響應(yīng)獲得對(duì)應(yīng)的OFF/ON事件，按照由上向下、由左向右的順序?qū)⑼恍械刂飞系南噜彯愋允录鳛橐粋€(gè)“事件對(duì)”予以保存記錄。由于只保存事件點(diǎn)的地址屬性，因此AER碼可在一定程度上壓縮數(shù)據(jù)量，二值圖像AER編碼的數(shù)據(jù)壓縮比為：

式中，n為響應(yīng)事件點(diǎn)的個(gè)數(shù)。w和h分別為圖像的寬度和高度。對(duì)于目標(biāo)物數(shù)量較少的二值圖像而言，由于n值較小，AER編碼有較高的數(shù)據(jù)壓縮比。另外，現(xiàn)有的二值圖像編碼都需要解碼譯成二值矩陣之后才能進(jìn)行諸如連通域標(biāo)記等圖像處理。而AER編碼無(wú)需解碼，即可直接應(yīng)用本文算法進(jìn)行圖像處理，這進(jìn)一步提高了算法的速度。

2　連通域標(biāo)記算法

2.1基于點(diǎn)掃描的等價(jià)標(biāo)號(hào)連通域標(biāo)記算法

傳統(tǒng)的基于等價(jià)標(biāo)號(hào)的二值連通域標(biāo)記主要分為以下步驟：

初步標(biāo)記先對(duì)二值圖像按從上到下、從左到右的順序進(jìn)行一次完整掃描，判斷所有像素點(diǎn)是否為前景點(diǎn)并對(duì)前景點(diǎn)進(jìn)行初步標(biāo)記，得到臨時(shí)標(biāo)記矩陣。對(duì)于每一個(gè)前景像素點(diǎn)，只根據(jù)已標(biāo)記像素點(diǎn)來(lái)確定自身的連通性，即掃描上、左2個(gè)像素的標(biāo)記值即可。在初步標(biāo)記過(guò)程中，往往會(huì)存在重復(fù)標(biāo)記的情況，即在前面掃描過(guò)程中產(chǎn)生的不同標(biāo)號(hào)的區(qū)域最終連通在一起，這時(shí)需要將這些等價(jià)標(biāo)號(hào)對(duì)記錄下來(lái)。等價(jià)標(biāo)記對(duì)存儲(chǔ)在一維數(shù)組Equl中，其中，數(shù)組的下標(biāo)為臨時(shí)標(biāo)記值，例如：Equl（i1）=i2，表示臨時(shí)標(biāo)記i1、i2等價(jià)，即i1、i2標(biāo)記的區(qū)域連通。為了便于連通域合并，等價(jià)表按照i2

等價(jià)表整理對(duì)等價(jià)表進(jìn)行掃描整理，將所有等價(jià)的標(biāo)號(hào)統(tǒng)一為其中的最小值，得到共同連通域標(biāo)記。例如TEMP（i1）=i2，TEMP（i2）=i3，且有i3

修正初步標(biāo)記。對(duì)臨時(shí)標(biāo)記矩陣進(jìn)行掃描，根據(jù)等價(jià)表將臨時(shí)連通域標(biāo)記合并替換，得到最終的連通域標(biāo)記。

2.2基于AER的連通域標(biāo)記算法

對(duì)于二值圖像，AER的感知方式可以進(jìn)行精確、低冗余的數(shù)據(jù)處理。假設(shè)原始圖像經(jīng)過(guò)一個(gè)單位的橫向平移，此時(shí)AER像素陣列所探測(cè)到目標(biāo)物的前后邊緣必然響應(yīng)生成相應(yīng)的ON/OFF事件集。圖1（a）為一幅普通的二值圖像；圖1（b）為由AER像素陣列模型響應(yīng)輸出的ON/OFF事件，其中灰色大圓點(diǎn)為OFF事件，黑色小圓點(diǎn)為ON事件；圖1（c）為理想的連通域標(biāo)記結(jié)果。由于目標(biāo)物與背景相對(duì)光強(qiáng)關(guān)系的統(tǒng)一性，因此待標(biāo)記目標(biāo)物應(yīng)處于由前后邊緣產(chǎn)生的OFF-ON或ON-OFF事件集之間，通過(guò)這些事件集就可以精確地定位相應(yīng)的各個(gè)目標(biāo)。為此我們提出基于AER信息的快速二值連通域標(biāo)記算法，該算法僅標(biāo)記ON/OFF事件點(diǎn)，并通過(guò)判定事件對(duì)之間的相交性，創(chuàng)建等價(jià)標(biāo)號(hào)數(shù)組，確保同一連通域被相同標(biāo)號(hào)值的事件對(duì)所夾，最終根據(jù)事件對(duì)的映射域填充所有前景點(diǎn)的標(biāo)號(hào)值，完成二值圖像的連通域標(biāo)記。本文算法可以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適用于大分辨率，大尺度二值圖像的連通域標(biāo)記處理。

圖1　理論分析

3　算法實(shí)現(xiàn)與分析

基于上述的理論分析，算法的具體流程設(shè)計(jì)如下：

（1）將二值圖像轉(zhuǎn)化為OFF/ON事件信息，按從左至右，從上至下的順序分別壓制成事件數(shù)組OFFSet/ ONSet。各個(gè)OFF/ON事件依次包含3個(gè)元素：①行地址x、②列地址y以及③連通域標(biāo)號(hào)值value。OFFSet （n）和ONSet（n）為一組OFF/ON事件對(duì)。

（2）對(duì)OFFSet/ONSet數(shù)組進(jìn)行首次遍歷，為所有的事件對(duì)賦予臨時(shí)標(biāo)記并記錄等價(jià)標(biāo)記。

①一個(gè)事件對(duì)（OFFSet（1）/ONSet（1）），直接賦予臨時(shí)標(biāo)號(hào)值i=1；

②對(duì)于第n（n≥2）個(gè)事件對(duì)（OFFSet（n）/ONSet （n）），首先判斷當(dāng)前事件對(duì)的上一行是否存在已標(biāo)記的事件對(duì)，若不存在則說(shuō)明上方無(wú)連通性，直接賦予新臨時(shí)標(biāo)號(hào)值i=i+1；若存在則說(shuō)明上方可能存在連通性，順序選取上一地址行所有事件的列地址組成判定向量，分別與OFF/ON事件的列地址（OFFSet（n，y）/ONSet（n，y））相比較，若無(wú)相交情況則說(shuō)明不屬于同一連通域，對(duì)（OFFSet（n）/ONSet （n））賦予新臨時(shí)標(biāo)號(hào)值i=i+1；

③若存在相交情況，則判定該事件對(duì)與上方事件對(duì)相連通，屬于同一連通域，對(duì)OFFSet（n，value）賦予上一行中列地址≥OFFSet（n，y）且最接近的ON事件的標(biāo)號(hào)值；對(duì)ONSet（n，value）賦予上一行中列地址≤ONSet（n，y）且最接近的OFF事件的標(biāo)號(hào)值。若這兩個(gè)標(biāo)號(hào)值不同，則說(shuō)明該事件對(duì)連接了不同的連通域，首先將這兩個(gè)標(biāo)號(hào)之中較小的值賦予該事件對(duì)，然后將上一行在此事件對(duì)列地址間所有事件的標(biāo)號(hào)值設(shè)為等價(jià)標(biāo)記，記入等價(jià)標(biāo)號(hào)數(shù)組Equl，例如確定臨時(shí)標(biāo)號(hào)n，p，q等價(jià)，則Equl（n）= Equl（p）=Equl（q）=min（n，p，q）。根據(jù)每個(gè)事件對(duì)的具體情況更新等價(jià)標(biāo)號(hào)數(shù)組Equl，直至所有OFF?Set/ONSet遍歷完畢。

（3）合并等價(jià)標(biāo)號(hào)。根據(jù)Equl數(shù)組的等價(jià)性修訂中的臨時(shí)標(biāo)號(hào)，例如：a、b為自然數(shù)，若Equl（a）= b，則將OFFSet/ONSet中所有臨時(shí)標(biāo)號(hào)為a的值替換為b。

（4）原始圖像標(biāo)記。根據(jù)事件對(duì)的標(biāo)號(hào)值確定原始圖像中對(duì)應(yīng)區(qū)域的所有前景像素點(diǎn)的連通域標(biāo)記，以此完成原始二值圖像的連通域標(biāo)記處理。

圖2（a）顯示了本文提出的二值連通域標(biāo)記的算法流程，圖2（b）顯示了本文算法一個(gè)實(shí)例的具體分析。在行地址x=2下首次出現(xiàn)了3個(gè)事件對(duì)，依次賦予連通域標(biāo)號(hào)1，2，3；第3行的3個(gè)事件對(duì)都只與上一行的一個(gè)事件對(duì)相交，根據(jù)連通性賦予與之相同臨時(shí)標(biāo)記值；第4行的第二個(gè)事件對(duì)同時(shí)與上一行的兩個(gè)事件對(duì)相交，因此推出這兩個(gè)事件對(duì)具有連通性，即臨時(shí)標(biāo)號(hào)2，3等價(jià)，二次遍歷時(shí)將標(biāo)號(hào)3的事件全部替換為標(biāo)號(hào)2；最終根據(jù)事件對(duì)的標(biāo)號(hào)值和地址映射域完成對(duì)該圖所有像素點(diǎn)的連通域標(biāo)記。

圖2　算法框圖和流程分析

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文建立了AER視覺(jué)傳感器行為級(jí)模型用于生成事件信息，并選取了近百幅不同分辨率的二值圖像用以測(cè)試本文提出連通域標(biāo)記算法的性能，圖3中顯示了其中部分的測(cè)試圖樣。本文算法基于MATLAB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)并在Core 2 Duo E4500的處理器，2 GB內(nèi)存的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行仿真測(cè)試。通過(guò)100次執(zhí)行的平均運(yùn)行時(shí)間估測(cè)算法的執(zhí)行效率，以此來(lái)與傳統(tǒng)基于像素掃描等價(jià)標(biāo)號(hào)［6］、基于塊掃描［7］的二值連通域標(biāo)記算法進(jìn)行比較。仿真結(jié)果及對(duì)比如表1和圖4所示，可以看到，本文提出基于AER事件對(duì)的二值連通域標(biāo)記方法無(wú)需多次遍歷原始圖像中的所有像素點(diǎn)，只處理極低冗余的事件信息，所以當(dāng)圖像中所含目標(biāo)區(qū)域較少時(shí)，即使是原圖分辨率很大，實(shí)際需要處理的事件信息依舊很少，算法的運(yùn)行效率也就更高，可以達(dá)到傳統(tǒng)算法的4倍～8倍；然而隨著圖像中連通域數(shù)目的增加，事件的響應(yīng)率提高，AER感知方式抗冗余的特性也會(huì)隨之減弱，本文算法的運(yùn)行速度也會(huì)有所下降。綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于AER編碼事件對(duì)信息數(shù)據(jù)量?jī)H為全幀圖像的10%～35%，且運(yùn)行速度較快，是傳統(tǒng)算法的1.5倍～8倍。

圖3　部分測(cè)試二值化圖樣

表1　與傳統(tǒng)算法的速度對(duì)比

圖4　各算法運(yùn)行速度對(duì)比

表2為AER編碼與幾種現(xiàn)有二值圖像壓縮編碼的對(duì)比，本文算法將二值圖像轉(zhuǎn)化為AER事件的方式編碼，編碼壓縮比可以達(dá)到5～15，與傳統(tǒng)的跳白塊（Write Block Skipping，WBS）［15］、自適應(yīng)跳塊（Adaptive Block Skipping，ABS）［16］，方塊編碼［17］等編碼方式相同數(shù)量級(jí)。而且，AER編碼可以直接進(jìn)行連通域標(biāo)記的流程判定而無(wú)需解碼，這是其相對(duì)于現(xiàn)有編碼方式的最大優(yōu)勢(shì)。

表2　AER事件編碼與幾種現(xiàn)有編碼的數(shù)據(jù)壓縮比對(duì)比

5　總結(jié)與展望

本文在傳統(tǒng)基于等價(jià)標(biāo)號(hào)的二值連通域標(biāo)記算法基礎(chǔ)上，引入地址-事件表達(dá)的思想，提出了一種新的基于AER事件對(duì)標(biāo)記的二值連通域標(biāo)記算法。待標(biāo)記二值圖像中的所有前景目標(biāo)以AER事件對(duì)的形式保存。標(biāo)記過(guò)程中只對(duì)事件對(duì)進(jìn)行處理，從而避免了對(duì)大量無(wú)效背景點(diǎn)和冗余目標(biāo)點(diǎn)的遍歷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)與傳統(tǒng)算法的比較，對(duì)于高分辨率、前景目標(biāo)物較少的二值圖像，本文提出算法具有較高的執(zhí)行效率。而且，AER事件編碼擁有較好的圖像壓縮能力、低冗余以及無(wú)需解碼等優(yōu)勢(shì)特征，可以移植于二值圖像處理的其他領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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閆石（1991-），碩士研究生，研究方向?yàn)锳ER視覺(jué)系統(tǒng)，數(shù)字圖像處理與分析，機(jī)器視覺(jué)等，yanshi_tju@126.com；

徐江濤（1979-），副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)镃MOS圖像傳感器芯片與相機(jī)系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理電路等，xuji?angtao@tju.edu.cn。

A Fast Address-Event Representation Based Algorithm for Binary Image Connected-Component Labeling*

YAN Shi，XU Jiangtao*，GAO Zhiyuan，WANG Hanyu
（School of Electronic and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：To achieve high processing speed，address-event representation（AER）is introduced to binary image pro?cessing. A label-equivalence connected-component labeling algorithm based on AER encoding and“event-pair”matching is proposed in this paper. The binary images are coded in“event-pair”represented by address and event. The“event-pair”array is scanned and label-equivalences are recorded. Then the labels are modified according to the label-equivalences. This algorithm only requires the low-redundant events information rather than the whole pix?els in the image. The experimental results show that AER coding could help to compress images into 10%～35% da?ta volume from original ones，and the proposed algorithm has a 1.5～8 times higher speed than traditional labelequivalence labelingalgorithms.

Key words：binary image；connected components labeling；address event representation（AER）；event-pair；labelequivalence

doi：EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.03.010

收稿日期：2015-11-03修改日期：2015-12-02

中圖分類號(hào)：TN911.73

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-1699（2016）03-0362-06