基于局部最大熵的圖像自適應(yīng)標(biāo)記方法

安遠(yuǎn)英 段永平

摘要：針對傳統(tǒng)圖像標(biāo)記方法圖像特征標(biāo)記時(shí)間長，特征識(shí)別率低的問題，提出基于局部最大熵的圖像自適應(yīng)標(biāo)記方法，構(gòu)建圖像局部特征最大熵矩陣，運(yùn)用并行算法對圖像樣本數(shù)據(jù)中的像素特征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，獲取圖像標(biāo)記參數(shù)的局部最大熵值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來設(shè)定圖像特征二階矩、熵、對比度以等多種特征自適應(yīng)參數(shù)歸一化處理，并據(jù)此求出圖像自適應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，與傳統(tǒng)方法比較，所提方法圖像標(biāo)記耗時(shí)保持在40s以下，標(biāo)記出的特征識(shí)別率約為99%左右，性能均優(yōu)于傳統(tǒng)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的自適應(yīng)標(biāo)記。

關(guān)鍵詞：局部最大熵;并行算法;特征識(shí)別;圖像標(biāo)記

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1009-3044（2020）26-0196-03

圖像標(biāo)記技術(shù)主要包括圖像局部特征預(yù)處理、像素標(biāo)記、圖像標(biāo)簽等[1]。把掃描設(shè)備轉(zhuǎn)化為圖像。受人為因素和硬件設(shè)備的影響，掃描得到的圖像不可避免地存在一定程度的缺陷，從而導(dǎo)致圖中特征自適應(yīng)識(shí)別錯(cuò)誤[2]。

針對傳統(tǒng)方法的不足，提出一種基于局部最大熵的圖像特征自適應(yīng)標(biāo)記方法。通過測試結(jié)果驗(yàn)證了所提特征自適應(yīng)標(biāo)記方法在圖像特征標(biāo)記時(shí)間與特征識(shí)別率等方面均具有優(yōu)越性能。

1 圖像特征自適應(yīng)標(biāo)記方法

1.1 圖像局部特征最大熵矩陣構(gòu)建

為提高局部特征最大熵矩陣的計(jì)算效率，利用并行算法計(jì)算元素間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，設(shè)計(jì)多個(gè)標(biāo)記參數(shù)對每個(gè)像素進(jìn)行并行標(biāo)記[3]。其具體過程如下：

局部特征最大熵矩陣設(shè)定為從局部特征級[i]的點(diǎn)移動(dòng)按照特定位置關(guān)系[d，θ]達(dá)到局部特征級為[j]的概率，其中[d]代表兩個(gè)圖像像素間的距離;[θ]代表兩個(gè)圖像像素間的方向角;可表示為[d=1，2，3，4]，[θ=0?，45?，90?，135?]。

從識(shí)別各個(gè)圖像像素的值[Pix_ref]與[d，θ]給出的距離及方向角識(shí)別鄰近像素值[Pix_associate]，到由[Pix_ref]與[Pix_associate]組成的Simple DPRAM像素坐標(biāo)中進(jìn)行加1的計(jì)算，各個(gè)像素都獨(dú)立運(yùn)行的，所以可以設(shè)計(jì)多個(gè)PEs對多個(gè)像素進(jìn)行計(jì)算。

Simple DPRAM的識(shí)別順序?yàn)榇械?，每次僅能從Simple DPRAM識(shí)別一個(gè)圖像像素值，假設(shè)每次識(shí)別完[Pix_ref]后再識(shí)別[Pix_associate]會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，針對此弊端，設(shè)計(jì)了2個(gè)Simple DPRAM，每個(gè)Simple DPRAM中存儲(chǔ)了同樣的圖像數(shù)據(jù)，2個(gè)Simple DPRAM分別識(shí)別[Pix_ref]與[Pix_associate]，計(jì)算2個(gè)Simple DPRAM的像素坐標(biāo)映射關(guān)系。

假設(shè)2個(gè)Simple DPRAM能實(shí)現(xiàn)[Pix_ref]與[Pix_associate]同時(shí)識(shí)別，并將識(shí)別的圖像像素值分類到相應(yīng)的FIFO中，完成圖像數(shù)據(jù)分類進(jìn)一步提高局部特征最大熵矩陣的計(jì)算效率。

因?yàn)閇PTi，j：d，θ]與[Pi，j：d，θ]的計(jì)算過程相同，將[Pix_ref]與[Pix_associate]位置交換組成一個(gè)新的圖像矩陣元素位置坐標(biāo)，若等[Pi，j：d，θ]計(jì)算結(jié)束后再計(jì)算[PTi，j：d，θ]，會(huì)增加整個(gè)流程的執(zhí)行時(shí)間，所以在各個(gè)PE完成一次像素識(shí)別的時(shí)候，不要立即進(jìn)行下一個(gè)像素的識(shí)別，要對[Pix_ref]與[Pix_associate]進(jìn)行轉(zhuǎn)換，組成一個(gè)新的像素坐標(biāo)Simple DPRAM，再繼續(xù)進(jìn)行余下的工作，當(dāng)結(jié)束了全部像素識(shí)別工作后的值為[Pi，j：d，θ]+[PTi，j：d，θ]的值。

1.2 自適應(yīng)標(biāo)記

通過1.1得到的局部特征最大熵矩陣，根據(jù)局部特征最大熵矩陣對圖像的特征二階矩、熵、對比度與特征標(biāo)記點(diǎn)等特征自適應(yīng)參數(shù)通過四種自適應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，對其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)合分析結(jié)果對局部最大熵的圖像局部特征最大熵矩陣的局部特征集進(jìn)行自適應(yīng)標(biāo)記[4-5]。

將1.1節(jié)描述的局部特征最大熵矩陣設(shè)定為圖像中相距為[δ=Δx，Δy]的兩個(gè)局部特征像素同時(shí)一起出現(xiàn)的聯(lián)合概率分布，假設(shè)圖像的局部特征級為[N]，最大熵矩陣可表示為[Pδi，j]，其中處于[i，j]位置的元素[Pi，j]值可描述為局部特征[i]與[j]之間距離為[δ=Δx，Δy]的像素對出現(xiàn)的概率。在實(shí)際應(yīng)用中，為了減少計(jì)算，[Δx，Δy]一般取四種情況：

圖像特征結(jié)構(gòu)不同，相應(yīng)的局部特征最大熵矩陣也不同，其中特征尺度較大的圖像其相應(yīng)的局部特征較為平滑，像素之間差異不大，這種特征尺度下的局部特征最大熵矩陣局部特征值[Pi，j]會(huì)集中在對角線臨近區(qū)域。圖像特征尺度較小的局部特征值分布分散，[Pi，j]隨意分布，通過上述分析可知，局部特征最大熵矩陣能夠反映不同局部特征像素所處位置的空間信息。

通過上述描述的局部特征最大熵矩陣可設(shè)定圖像特征二階矩、熵、對比度以及特征標(biāo)記點(diǎn)等多種特征自適應(yīng)參數(shù)，為了簡化分析，僅選用圖像特征二階矩、熵、對比度以及特征標(biāo)記點(diǎn)這四種自適應(yīng)進(jìn)行分析，具體過程如下。

上述給出的自適應(yīng)參數(shù)中，對比度可描述圖像的清晰度，圖像特征溝紋越深，對比度越大，視覺效果就越清晰，對于粗特征，CON值較小;細(xì)特征，CON值較大，角二階矩是衡量圖像局部特征分布平均性的指標(biāo)，當(dāng)圖像局部特征分布較均勻時(shí)，ASM值較大，反之，ASM值較小。

2 測試證明

為了驗(yàn)證所提出圖像特征自適應(yīng)標(biāo)記方法的自適應(yīng)特性，需要對其進(jìn)行仿真測試，測試環(huán)境為：Windows Server2012R2Intel（R） Xeon（TM）CPU 2.30GHz with 32.0GB of RAM，MATLAB2014a編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

將所提方法、文獻(xiàn)[3]方法以及文獻(xiàn)[4]方法的實(shí)驗(yàn)法輸入到仿真軟件中，并在軟件中設(shè)置樣本參數(shù)，進(jìn)行自適應(yīng)標(biāo)記所需時(shí)間（ms）對比，對比結(jié)果如表1所示。表1中，N表示樣本數(shù)量，單位為個(gè)，用g表示;SJ表示自適應(yīng)標(biāo)記所需要的時(shí)間，單位為秒;用s表示，T代表文獻(xiàn)[3]方法;P代表文獻(xiàn)[4]方法;Q代表所提方法。

根據(jù)表1所示，伴隨樣本數(shù)量的不斷增加，三種方法的圖像特征標(biāo)記時(shí)間也在不斷改變，當(dāng)樣本數(shù)量為200個(gè)時(shí)，文獻(xiàn)[3]方法比文獻(xiàn)[4]方法標(biāo)記節(jié)省了13s，與所提方法相比標(biāo)記所需要的時(shí)間長了2s，文獻(xiàn)[3]方法標(biāo)記所需要的時(shí)間為最少;當(dāng)樣本數(shù)量增加到300個(gè)時(shí)，文獻(xiàn)[3]方法比文獻(xiàn)[4]方法標(biāo)記所需時(shí)間節(jié)省了7s，與所提方法相比標(biāo)記時(shí)間長4s。由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，伴隨樣本數(shù)量的進(jìn)一步增加，文獻(xiàn)[3]方法標(biāo)記所需時(shí)間不斷增加，逐漸與其他兩種方法逐漸拉開差距，因此文獻(xiàn)[3]方法只適用于樣本數(shù)量較少的情況下使用，而所提方法圖像特征標(biāo)記時(shí)間始終保持在40s以下，整體變化趨勢較為平緩，說明所提方法進(jìn)行圖像特征自適應(yīng)標(biāo)記具有穩(wěn)定性。

分別利用所提方法與文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行圖像特征自適應(yīng)圖像特征標(biāo)記時(shí)間對比之后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的有效性，對比了三種方法的特征識(shí)別率。

分析圖1可知，伴隨樣本數(shù)量的變化，三種方法的特征識(shí)別率出現(xiàn)了明顯的差異。文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]方法標(biāo)記出的特征識(shí)別率呈現(xiàn)出逐步下降的變化曲線;當(dāng)樣本數(shù)量達(dá)到40個(gè)時(shí)，文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法標(biāo)記出的特征識(shí)別率約為71%、72%左右，而所提方法的特征識(shí)別率為96%左右，此時(shí)三種方法的特征識(shí)別率為最接近狀態(tài);伴隨樣本數(shù)量的增加，文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[4]方法的特征識(shí)別率趨于接近，當(dāng)樣本數(shù)量為200個(gè)時(shí)，所提方法標(biāo)記出的特征識(shí)別率約為99%左右，比文獻(xiàn)[4]方法高出40%左右，比文獻(xiàn)[3]方法高出35%左右，此時(shí)所提方法與文獻(xiàn)[4]方法、文獻(xiàn)[3]方法標(biāo)記出的特征識(shí)別率相差最大。由此可以看出，雖然樣本數(shù)量的增加會(huì)影響特征識(shí)別率，但所提方法仍保持在穩(wěn)定的水平。

經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)分析可知，將所提方法用于圖像標(biāo)記領(lǐng)域具有一定的自適應(yīng)性。

3 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)的圖像特征自適應(yīng)標(biāo)記方法所需要的時(shí)間較長、特征識(shí)別率較低等問題，提出一種基于局部最大熵的圖像自適應(yīng)標(biāo)記方法，對圖像特征自適應(yīng)進(jìn)行標(biāo)記，對圖像特征標(biāo)記時(shí)間以及圖像辨識(shí)率進(jìn)行仿真測試。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，所提方法與傳統(tǒng)方法相比，圖像特征自適應(yīng)標(biāo)記所需要的時(shí)間較短，特征識(shí)別率較高。未來階段將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向面對復(fù)雜背景下，如何更高效、準(zhǔn)確標(biāo)記圖像特征方面。

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【通聯(lián)編輯：張薇】