基于改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像邊緣分割技術(shù)

衛(wèi)洪春

摘 要： 采用梯度下降法進(jìn)行圖像邊緣分割時(shí)受到噪聲的干擾，訓(xùn)練過程中存在局部最佳解，從而導(dǎo)致圖像邊緣分割效果和泛化性能差。為此，提出基于改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像邊緣分割方法，采集樣本圖像的中值特征量、基于梯度的特征量、Krisch算子方向特征量，融合三個(gè)特征向量塑造具備較強(qiáng)抗噪性能的樣本圖像特征向量，通過基于特征向量和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣檢測(cè)算法，將樣本圖像特征向量輸入四層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用改進(jìn)BP算法訓(xùn)練四層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用訓(xùn)練后的改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成圖像邊緣分割。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提圖像邊緣分割方法細(xì)節(jié)保有性能強(qiáng)，分割精度和泛化能力強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 圖像邊緣； 圖像分割； 梯度特征； 中值特征； 改進(jìn)BP算法

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）16?0112?04

Abstract： There exist noise interference when the gradient descent method is used for image edge segmentation and local optimal solution in its training process， resulting in poor image edge segmentation effect and generalization performance. Therefore， an image edge segmentation method based on improved neural network is proposed. The median feature quantity， gradient?based feature quantity， and Krisch operator direction feature quantity of sample images are collected. The three feature vectors are fused to shape the feature vector with strong anti?noise performance for the sample image. The feature vectors of sample images are input into the four?layer BP neural network by means of the edge detection algorithm based on the feature vector and BP neural network. The improved BP algorithm is used to train the four?layer BP neural network. The improved neural network is used to complete image edge segmentation. The experimental results show that the proposed image edge segmentation method has strong detail preservation performance， segmentation precision， and generalization capability.

Keywords： improved neural network； image edge； image segmentation； gradient feature； median feature； improved BP algorithm

圖像的關(guān)鍵特征是邊緣，其廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)視覺、模式識(shí)別等領(lǐng)域。圖像邊緣檢測(cè)是數(shù)字圖像處理領(lǐng)域研究的重點(diǎn)[1]。尋求有效的圖像邊緣分割方法，對(duì)于醫(yī)療、軍事、探測(cè)以及工業(yè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。以往BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法大都采用梯度下降法實(shí)現(xiàn)圖像邊緣分割，其訓(xùn)練時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部最佳值，導(dǎo)致圖像分割精度大大降低，泛化性能差。圖像邊緣檢測(cè)是一種分類過程，可通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效分類，本文通過樣本圖像訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)圖像邊緣。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中，采集的特征需要對(duì)噪聲點(diǎn)同真實(shí)邊緣間的差異進(jìn)行充分分析，該方法抗噪性能強(qiáng)[2]。因此，本文提出基于改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像邊緣分割方法，實(shí)現(xiàn)圖像邊緣的快速、準(zhǔn)確分割。

1 基于改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像邊緣分割技術(shù)

1.1 圖像特征向量提取

在圖像里產(chǎn)生灰度突變的點(diǎn)統(tǒng)稱為圖像的邊緣，其在鄰域里的灰度布局是有規(guī)律并有方向的。噪聲點(diǎn)與其差異在于即使也有灰度突變[3]，但不存在方向性這一特征。建立3×3鄰域像素灰度值來對(duì)恢復(fù)突變進(jìn)行描述，由于邊緣點(diǎn)與噪聲點(diǎn)存在不同，通過建立適應(yīng)各自的特征量來對(duì)二者的不同進(jìn)行描述，可以提高圖像邊緣分割算法的抗噪性。

1.2 基于特征向量和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣檢測(cè)算法

BP網(wǎng)絡(luò)是一種具有代表性和廣泛應(yīng)用的多層前饋式誤差反向傳播的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP網(wǎng)絡(luò)操作流程是將輸入信號(hào)[Xi]在中間節(jié)點(diǎn)（隱層點(diǎn)）進(jìn)行非線性變換獲得輸出信號(hào)[Yk]。輸出向量[Y]與期望輸出量[t]是網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本的基礎(chǔ)量。想要讓[Y和t]之間的誤差順梯度方向減小，那么就要改變輸入節(jié)點(diǎn)和隱層節(jié)點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度取值[Wi，j]，以及隱層節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)之間的結(jié)合強(qiáng)度[Tjk]和閾值。多次實(shí)踐訓(xùn)練后，得出與最小誤差符合的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（權(quán)值和閾值）訓(xùn)練便可以完成。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過訓(xùn)練后可以對(duì)相似樣本輸入信號(hào)，自動(dòng)對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行調(diào)整以保證得到最小誤差[6]，最后輸出通過非線性轉(zhuǎn)換的信息。

基于特征向量和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣檢測(cè)算法如圖1所示，融合1.1節(jié)獲取的三個(gè)特征向量塑造具備較強(qiáng)抗噪性能的樣本圖像特征向量，將該樣本圖像特征向量當(dāng)作樣本對(duì)四層BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練[7]，得出BP網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行圖像邊緣檢測(cè)。輸入層、隱含層、輸出層是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本層。本文所分析的BP網(wǎng)絡(luò)為在基本層之后增加隱含層，是一種四層BP網(wǎng)絡(luò)，這樣可以使網(wǎng)絡(luò)收斂速度得以提升[8]。選取3個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，即中值特征量[Mi，j]、基于梯度的特征量[Gi，j]、Krisch算子方向特征量[Ki，j]；選取2個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，用來代表邊緣與背景。

在訓(xùn)練中，通過對(duì)選取的圖像的各向同性Krisch算子獲取圖像的邊緣，并對(duì)其進(jìn)行過濾，除掉因噪聲產(chǎn)生的虛假邊緣獲取合格的有效邊緣，即圖像信號(hào)采用邊緣點(diǎn)編碼（1，0），背景區(qū)域編碼（0，1）來描述；利用改進(jìn)后的BP算法訓(xùn)練四層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像中各點(diǎn)提取邊緣特征向量進(jìn)行訓(xùn)練[9]。通過反復(fù)訓(xùn)練獲取網(wǎng)絡(luò)隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)和學(xué)習(xí)步長(zhǎng)以及動(dòng)量因子。

基于特征向量和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣檢測(cè)算法的詳細(xì)步驟為：

1） 在所選的訓(xùn)練圖像上，利用窗口滑動(dòng)計(jì)算像素點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)向量，獲取BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本。選擇Lena為訓(xùn)練圖像，見圖2a）。

2） 計(jì)算出3個(gè)特征分量（中值特征量、基于梯度的特征量、Krisch算子方向特征量），同時(shí)再定義[Xi，j]作為一個(gè)新樣本分量：

3） 訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)。選取的BP網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)隱層、4個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入層、1個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出層組成。隱層的節(jié)點(diǎn)數(shù)尚未確定，通過經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行選取。設(shè)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為[n1]，則有：

通過實(shí)驗(yàn)得出隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)有3個(gè)。

4） 在BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，對(duì)邊緣進(jìn)行檢測(cè)。輸入圖像特征向量，BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后能夠直接選取邊緣點(diǎn)從而得出邊緣圖。所得圖像是灰度圖像，再對(duì)閾值進(jìn)行設(shè)置得出二值圖像。

2 實(shí)驗(yàn)分析

椒鹽噪聲與高斯噪聲是數(shù)字圖像中經(jīng)常存在的噪聲。所以本文實(shí)驗(yàn)所用圖像為迭加椒鹽噪聲的血細(xì)胞圖像、迭加高斯噪聲的TM影像。圖3a）為迭加椒鹽噪聲血細(xì)胞圖像。利用本文方法取得所需特征向量，再利用改進(jìn)后的BP算法進(jìn)行網(wǎng)格訓(xùn)練。其中，網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)是6，8，學(xué)習(xí)步長(zhǎng)是0.3，動(dòng)量因子是0.4，進(jìn)行1 014次迭代后收斂。通過Sobel方法與本文算法中已訓(xùn)練的BP網(wǎng)格對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像邊緣進(jìn)行檢測(cè)，所得結(jié)果見圖3b）、圖3c）。

圖4a）為迭加高斯噪聲的TM影像。利用本文方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。其中，網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)是7，8，學(xué)習(xí)步長(zhǎng)是0.3，動(dòng)量因子是0.5，進(jìn)行1 086次迭代后收斂。通過Sobel方法與本文方法對(duì)該圖像邊緣進(jìn)行檢測(cè)，所得結(jié)果見圖4b）、圖4c）。

分析圖3和圖4可得，采用本文方法檢測(cè)圖像邊緣，能夠使噪聲干擾降低，圖像邊緣分割效果遠(yuǎn)高于Sobel方法。

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)本文方法以及Sobel方法對(duì)彩色圖片的邊緣分割結(jié)果如圖5所示。

分析圖5可以看出，相對(duì)于Sobel方法，本文方法能夠在細(xì)節(jié)處理方面得到提升，細(xì)節(jié)保有性能強(qiáng)，并且在檢測(cè)弱邊緣時(shí)能力有所增強(qiáng)，所得圖像邊緣更加明顯，本文方法的分割精度高。

利用camera標(biāo)準(zhǔn)灰度圖像對(duì)本文方法泛化能力進(jìn)行檢測(cè)，所選圖像尺寸為256×256，見圖6a）。將經(jīng)過歸一化處理的圖像，輸入經(jīng)過訓(xùn)練的BP網(wǎng)絡(luò)，所得結(jié)果見圖6b）。本文方法能夠有效地提取camera灰度圖像邊緣，即證明本文方法在圖像邊緣檢測(cè)方面的泛化能力特別強(qiáng)。

圖7為本文方法訓(xùn)練時(shí)的誤差曲線。觀察曲線走勢(shì)可知，誤差在訓(xùn)練至300次以前迅速下降，此時(shí)收斂的速度比較快；在訓(xùn)練經(jīng)過300次以后，誤差曲線較為平坦，比較接近訓(xùn)練所需結(jié)果，因此可以看出，訓(xùn)練的次數(shù)不宜過多，本文方法選取了1 000次訓(xùn)練；同時(shí)曲線沒有明顯的波動(dòng)，所以證明了本文方法是一種高效率的圖像邊緣分割技術(shù)。

3 結(jié) 論

本文采用改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分割方法，其基于采集的圖像中值特征量、基于梯度的特征量、Krisch算子方向特征量，采用基于特征向量和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)圖像邊緣的高精度分割。

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