基于多策略融合未來搜索算法的林火圖像分割

陳光偉 徐梁 方亮 付雪 陳普寬

摘 要：為解決林火圖像傳統(tǒng)閾值分割方法時效性差、分割精度低等問題，提出一種基于多策略融合未來搜索算法（IFSA）的多閾值林火圖像分割方法。在提升算法的性能方面，采用帳篷映射（Tent 映射）初始化種群中的個體，引入自適應(yīng)權(quán)重與認(rèn)知因子增強種群內(nèi)部信息交流，并對最優(yōu)位置引入柯西分布與高斯分布結(jié)合的變異機(jī)制提高算法的收斂精度。利用改進(jìn)算法對森林火災(zāi)圖像進(jìn)行分割，并選取最佳適應(yīng)度、峰值信噪比和結(jié)構(gòu)相似度作為評價指標(biāo)，與粒子群優(yōu)化算法、灰狼優(yōu)化算法等進(jìn)行對比分析。研究結(jié)果表明，改進(jìn)的未來搜索算法（Improved Future Search Algorithm，IFSA）的適應(yīng)度曲線收斂效果明顯優(yōu)于其他對比算法，峰值信噪比、結(jié)構(gòu)相似度取得最優(yōu)的實驗次數(shù)分別占總實驗次數(shù)的100%與91.67%，證明基于IFSA的圖像分割方法能有效改善林火圖像分割效果，為林火特征的提取與分析建立依據(jù)。

關(guān)鍵詞：未來搜索算法；Tent混沌映射；柯西-高斯變異；多閾值圖像分割；林火圖像

中圖分類號：S??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2023）04-0134-11

Forest Fire Image Segmentation Based on Multi-strategy

Fusion Future Search Algorithm

CHEN Guangwei1， XU Liang1， FANG Liang2， FU Xue1， CHEN Pukuan2

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China;

2.Lianyungang Tianbang Technology Development Company Ltd.， Lianyungang 222346， China）

Abstract：A multi-threshold forest fire image segmentation method based on a multi-strategy fused future search algorithm （IFSA） is proposed to address the shortcomings of traditional threshold segmentation methods for forest fire images， such as poor timeliness and low segmentation accuracy. To improve the performance of the algorithm， the solution space is initialized using Tent chaotic mapping. Inertia weights and cognitive factors are introduced to enhance exchange within populations. A variational mechanism combining the Cauchy distribution and Gaussian distribution is introduced to improve the convergence accuracy of the algorithm. The improved algorithm is used to segment forest fire images， and the best adaptation， peak signal-to-noise ratio and structural similarity are selected as evaluation metrics and compared with particle swarm optimization algorithm and grey wolf optimization algorithm for analysis. The results show that the convergence of the adaptation curve of improved future search algorithm （IFSA） is better than that of other algorithms， and the number of experiments in which the peak signal-to-noise ratio and structural similarity achieved the best results accounted for 100% and 91.67% of the total number of experiments， respectively. It is proved that the IFSA-based image segmentation method can effectively improve the segmentation effect of forest fire images and establish a basis for the extraction and analysis of forest fire features.

Keywords：Future search algorithms; Tent chaotic map; Cauchy-Gaussian mutation; multi-threshold image segmentation; forest fire image

收稿日期：2022-11-22

基金項目：連云港“智能海州人才計劃”創(chuàng)新類項目（“氣壓密閉式大口徑流體裝卸臂”）

第一作者簡介：陳光偉，博士，副教授。研究方向為液壓伺服控制和機(jī)械設(shè)計及理論研究。E-mail： chengw730245@sina.com

引文格式：陳光偉，徐梁，方亮，等.基于多策略融合未來搜索算法的林火圖像分割[J]. 森林工程， 2023，39（4）：134-144.

CHEN G W， XU L， FANG L， et al. Forest fire image segmentation based on multi-strategy fusion future search algorithm[J]. Forest Engineering， 2023， 39（4）：134-144.

0 引言

近年來，由于部分地區(qū)氣候干燥以及人為原因引起的不同規(guī)模大小的森林火災(zāi)多達(dá)數(shù)十起，森林火災(zāi)的發(fā)生將嚴(yán)重影響森林中各種生物的生長與自然繁育。為預(yù)防森林火災(zāi)，目前已研制出無人化的森林火災(zāi)早期預(yù)警與視覺監(jiān)測系統(tǒng)，其中，林火圖像分割是系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)之一。林火圖像分割可以從圖像中辨別出火源部分，為后續(xù)的林火特征提取與分析，以及滅火工作提供重要依據(jù)[1-3]。

圖像分割的大類方法主要有閾值分割、邊緣檢測和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[4]；在眾多圖像分割的方法中，閾值分割因其簡單且性能穩(wěn)定而被廣泛應(yīng)用。閾值分割法又可以分為多種，其中最大類間方差法（Ostu）[5]是目前公認(rèn)的對閾值選取較為合理、分割效果較優(yōu)的多閾值分割方法[6]。

隨著迭代次數(shù)的增加，多閾值分割方法的計算量呈指數(shù)級增長[7]。為提高算法的運算效率，產(chǎn)生了學(xué)科交叉下的閾值分割算法[8]，如近些年來許多學(xué)者將粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization Algorithm，PSO）[9]、灰狼優(yōu)化算法（Gray Wolf optimization algorithm，GWO）[10]、烏鴉搜索算法（Crow search algorithm，CSA）[11]和帝企鵝優(yōu)化算法（Emperor Penguin optimization algorithm，EPO）[12]等應(yīng)用于圖像分割中，并取得了較好的優(yōu)化效果。

常君杰等[13]提出了一種基于改進(jìn)烏鴉算法的多閾值圖像分割方法，針對烏鴉位置更新的盲目性，采用精英分享策略，同時引入萊維飛行機(jī)制，幫助CSA跳出局部最優(yōu)；同時改進(jìn)烏鴉算法去優(yōu)化Kapur熵函數(shù)，明顯地提高了多閾值圖像的分割精度。郎春博等[14]提出了一種模擬退火算法與粒子群算法的混合優(yōu)化算法，加快以O(shè)tsu為適應(yīng)度函數(shù)的多閾值圖像分割的閾值選取過程，并在處理植物冠層圖像分割問題時提高了圖像的分割精度。賈鶴鳴等[15]提出了一種基于共生生物搜索算法的多閾值分割方法，并應(yīng)用于林火圖像分割；通過引入精英反策略與萊維飛行策略提高算法的尋優(yōu)能力，進(jìn)而獲得良好的分割效果。邢致愷等[16]針對Otsu算法用于多閾值圖像分割中存在的運算時間長與分割精度不足問題，提出應(yīng)用萊維飛行對樽海鞘優(yōu)化算法進(jìn)行改進(jìn)，從而獲得最優(yōu)閾值。

近幾年，許多新發(fā)現(xiàn)的智能優(yōu)化算法具備了更好的尋優(yōu)能力，其中未來搜索算法（Future Search Algorithm， FSA）具有計算復(fù)雜度較低，收斂速度較快的優(yōu)點[17]；但也存在著求解精度低，易陷入局部最優(yōu)的問題。鑒于此，本研究提出了一種多策略融合的未來搜索算法（Improved Future Search Algorithm，IFSA），并將其應(yīng)用到林火圖像多閾值分割領(lǐng)域。該算法改進(jìn)的基本思想是利用IFSA對Otsu函數(shù)搜索尋優(yōu)，獲得最優(yōu)閾值組合，最終提升林火圖像分割的精度。

本研究采用式（24）作為目標(biāo)函數(shù)，通過IFSA中個體向最優(yōu)個體學(xué)習(xí)，從而得到一組閾值，求取使目標(biāo)函數(shù)最大的閾值組合。

3.3 基于IFSA的多閾值圖像分割流程

綜上，在FSA中引入Tent混沌、自適應(yīng)權(quán)重與認(rèn)知因子，以及柯西-高斯變異策略后，IFSA就具備了較強抗停滯的能力，可以更加精準(zhǔn)、高效地找到全局最優(yōu)解。

基于IFSA的圖像分割流程如圖3所示。

4 實驗設(shè)計

4.1 實驗樣本

實驗選取4幅林火圖像作為實驗樣品評估IFSA算法的性能，如圖4所示，圖4（a）為白天無遮擋的近距離火源；圖4（b）為夜間煙塵、森林遮擋的遠(yuǎn)距離火源；圖4（c）為白天以森林為背景的遠(yuǎn)距離火源；圖4（d）為夜間背景簡單的近距離火源。

4.2 實驗環(huán)境

通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)[31-33]，種群規(guī)模過小會導(dǎo)致算法陷入局部最優(yōu)；種群規(guī)模過大會增加算法的計算復(fù)雜度；根據(jù)實驗過程可以發(fā)現(xiàn)，算法迭代次數(shù)在500時可收斂至最優(yōu)值。故選取最大迭代次數(shù)為500，避免浪費系統(tǒng)資源；此外，為驗證算法在不同維度下的圖像分割性能，選擇dim=5、10和15驗證算法在低維、高維情況下的性能；種群大小設(shè)置為30，選擇FSA、PSO、GWO、CSA、 EPO 5種算法作為對比算法；具體設(shè)置參數(shù)見表1。實驗采用Windows 10系統(tǒng)、仿真軟件為MATLAB 2019a、CPU為2.7 GHz的環(huán)境下進(jìn)行。

4.3 評價指標(biāo)

實驗中選用峰值信噪比（PSNR）、結(jié)構(gòu)相似度（SSIM）和適應(yīng)度函數(shù)3個參數(shù)作為圖像分割效果的評價指標(biāo)。

1）PSNR值（公式中用PSNR表示）越大表明m×n彩色圖像的失真程度越小[34-35]。公式如下

PSNR=10×log（M2AXMSE）=20×log（MAXMSE）。（25）

MSE=1mn∑m－1i=0∑n－1j=0I（i，j）－K（i，j）2。（26）

式中：MAX表示圖像的最大灰度值；MSE表示均方差。

2）SSIM能夠反映場景中物體的結(jié)構(gòu)與圖像的亮度及對比度。SSIM值越接近1，表明2幅結(jié)構(gòu)越相似[36]。SSIM（公式中用SSIM表示）表示為

SSIM=2μxμy+d1μ2x+μ2y+d1α2σxy+d3σxσy+d32σxσy+d2σ2x+σ2y+d2。（27）

式中：μx與μy分別表示原圖像與分割后圖像的均值；σx與σy分別表示原圖像與分割后圖像的方差；σxy則表示原圖像與分割后圖像之間的協(xié)方差；d1、d2、d3是常數(shù)，取d1=（0.01×L）2，d2=（0.03×L）2，d3=d2/2，L=255。

3）適應(yīng)度函數(shù)

此外，本研究以式（24）為適應(yīng)度函數(shù)，利用智能優(yōu)化算法對函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，求取使類間方差最大的閾值組，因此選取適應(yīng)度值作為評價指標(biāo)。一方面，適應(yīng)度函數(shù)最終的收斂值可以反映圖像的分割精度，適應(yīng)度值越大，其獲取的閾值組合更優(yōu)，圖像分割精度更高；另一方面，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)收斂曲線可以直觀反映各算法的收斂效率，即圖像分割效率。

5 實驗結(jié)果與分析

5.1 失真度與相似度分析

在表2中給出6種算法分割后圖像的SSIM和

PSNR值。從整體來看，隨著閾值分割層次逐步遞增，分割后圖像的失真程度逐漸減小，與原圖的相似性逐漸提高。根據(jù)表2中數(shù)據(jù)分析，在12組實驗中，IFSA在SSIM中最優(yōu)占比為91.67%，在PSNR中最優(yōu)占比為100%。 在閾值個數(shù)較少時，幾種優(yōu)化算法的SSIM和PSNR數(shù)值相差較?。坏S著閾值個數(shù)增加，基于IFSA的圖像分割方法在SSIM、PSNR 2個指標(biāo)均表現(xiàn)出良好的數(shù)據(jù)特征。這表明基于IFSA分割后的圖像在亮度、對比度和結(jié)構(gòu)相似性方面與原始圖像都更加相似。此外，為了直觀體現(xiàn)圖像分割指標(biāo)PSNR與SSIM數(shù)據(jù)之間的差異性，圖5和圖6給出30次平均運行結(jié)果的SSIM與PSNR的曲線圖。由圖5可知，閾值從5、10到15，IFSA算法的PSNR與SSIM 2項指標(biāo)值均高于其他對比算法，說明算法的穩(wěn)定性較高，分割后的圖像與原圖像相似度更高，失真程度更低。并且對于同一幅實驗圖像，IFSA 折線在絕大多數(shù)情況均高于對比算法。特別地，閾值選取個數(shù)增加意味著計算量的急劇增加，算法此時很容易陷入局部最優(yōu)，但I(xiàn)FSA與其他算法之間的差值仍逐漸變大。具體分析曲線圖6可看出，在圖像（c）與（d）的維度為5時，IFSA相比FSA之間的數(shù)值差距尤為明顯，這說明改進(jìn)策略的確可以提高算法的收斂精度，幫助其跳出局部最優(yōu)。

5.2 Otsu適應(yīng)度函數(shù)收斂曲線分析

圖7為算法對圖像（c）進(jìn)行分割的Otsu適應(yīng)度函數(shù)收斂曲線。其中IFSA的收斂曲線用粉色曲線與對比算法進(jìn)行區(qū)分。從圖7中可以清晰發(fā)現(xiàn)，IFSA相比FSA有了很大的提高；特別是隨著閾值數(shù)目的增加，IFSA與FSA之間的差距愈大。對比圖像（c）在維度5到15的曲線圖，各算法的適應(yīng)度函數(shù)值均隨之增加，圖像分割更細(xì)致，分割效果更佳。根據(jù)IFSA的收斂曲線走勢進(jìn)行分析，由于柯西-高斯變異策略幫助算法跳出局部最優(yōu)的情況，因此隨著計算復(fù)雜度的增加，IFSA仍可以收斂到比較理想的值；從收斂速度方面分析，對比各個算法收斂曲線的斜率，IFSA仍位居所有算法的前列。綜合以上分析結(jié)果，有力證明了IFSA可以在保證較高算法效率的同時獲得較出色的收斂精度。

5.3 圖像分割效果分析

各個算法在閾值K=10時，對林火圖像（a）—（d）分割后的效果圖見表2。圖（a）是夜間拍攝的林火圖像，能見度低且火源被植物遮擋，清晰度不高。對比各算法對圖（a）的分割效果可見，IFSA與CSA分割的圖像中，火源范圍分割更精準(zhǔn)，亮度更高；此外，從對煙塵的分割效果來看，IFSA對煙塵與天空的邊界分割更清晰。圖（b）是清晰無遮擋的林火圖像，所有算法都將火源的輪廓從背景中分割出來。但是，可以觀察到IFSA分割得到林火圖像，其火源內(nèi)外焰的細(xì)節(jié)更清楚。圖（c）是以森林為背景，發(fā)生在空曠草地上遠(yuǎn)距離拍攝的林火圖像。整體來看，各個算法分割后的圖像差異最明顯之處是所提取的火源圖像完整度。其中，IFSA分割效果最優(yōu)，火源輪廓與原圖像基本相符；其次為CSA與EPO，但二者與原圖相比均缺失部分火源區(qū)域，屬于欠分割。圖（d）是近距離拍攝的正在燃燒樹木。IFSA相較于前3幅圖像分割效果最好，不同分割圖像間的火源細(xì)節(jié)略有不同；特別是圖像的左半部分，圖中火勢迅猛，火焰溫度高，火焰亮度高，所以分割后的圖像亮度整體偏高，火焰區(qū)域比較連貫，雜質(zhì)較少。對比分割結(jié)果來看，只有IFSA、GWO與EPO比較相符。

6 結(jié)論

為提高林火圖像的分割精度，準(zhǔn)確辨識火源，本研究在FSA中融入Tent混沌、自適應(yīng)權(quán)重與認(rèn)知因子，以及柯西-高斯變異策略等多種手段，使得改進(jìn)后的IFSA具備了更強搜索能力。據(jù)此，選取結(jié)構(gòu)相似度、峰值信噪比與適應(yīng)度值作為評價指標(biāo)，對4幅林火圖像進(jìn)行了實驗分割，并與其他5種分割算法進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明： 1）相較于其他算法，IFSA分割后圖像相似度與失真度的均值最高，說明其對林火圖像分割精度達(dá)到最優(yōu)；2）通過對比同一圖像不同維度的適應(yīng)度函數(shù)收斂曲線，當(dāng)?shù)螖?shù)相同時，IFSA表現(xiàn)出更好的時效性與視覺效果。以上結(jié)果說明，IFSA能夠更為準(zhǔn)確、有效地分割不同環(huán)境下的林火圖像，具備應(yīng)用于實際林火監(jiān)測的可行性，能夠為林火圖像的分析以及后期處理提供依據(jù)。

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