專利名稱：一種基于線描述子的圖像連通域快速標(biāo)記方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域中的一種基于線描述子的圖像連通域快速標(biāo)記方法。
背景技術(shù)：
圖像連通域標(biāo)記是整個圖像處理中最基本最常見的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在圖像處理和機器視覺領(lǐng)域，圖像連通域標(biāo)記過程是完成將圖像中像素級的信息轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域級信息的必要步驟之一，是圖像識別應(yīng)用中從底層像素處理過程到高層模式識別過程過渡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其應(yīng)用非常廣泛，經(jīng)常出現(xiàn)在很多圖像處理與機器視覺的應(yīng)用場景中。它的主要作用在于將前期經(jīng)過背景壓制和分割后產(chǎn)生的感興趣區(qū)域進行遍歷、標(biāo)記和表達，進一步為高層的分類和識別等算法提供原始數(shù)據(jù)和參數(shù)。一個常規(guī)圖像識別應(yīng)用的主要處理流程為單幅圖像或圖像序列首先經(jīng)過前期成像/顯示預(yù)處理(如穩(wěn)像、超分辨率、對比度增強等等)，得到有利于后期處理的圖像場景，然后通過各種背景抑制手段(如濾波、背景估計、頻域處理等等)，得到背景壓制目標(biāo)增強的新圖像，進而采用各種分割算法將目標(biāo)區(qū)域與背景分離，得到二值化或多值化的已分割圖像，接著對該已分割圖像進行連通域標(biāo)記，最后對該標(biāo)記后的圖像進行區(qū)域參數(shù)統(tǒng)計，將該統(tǒng)計信息送入高層分類算法得到最終的識別結(jié)果。連通域標(biāo)記的應(yīng)用非常廣泛，經(jīng)常出現(xiàn)在很多圖像處理與機器視覺的應(yīng)用中，比如，機器人技術(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)，人臉的檢測與識別，文字處理與識別，車牌識別，遙感圖像處理，醫(yī)學(xué)圖像分析，工業(yè)檢測，自動目標(biāo)識別與跟蹤，扶助駕駛技術(shù)，視頻處理等等。由于一幅圖像中可能具有的復(fù)雜幾何形狀和多種多樣的連通可能性，標(biāo)記算法被認為是比其他諸如去噪、插值、邊緣檢測、門限分割等基本操作更費時的環(huán)節(jié)，而且是一個串行度很強的操作，不能降解為純粹的并行化局部操作來完成，而必須需要一定的串行和全局性操作。目前的學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對于圖像連通域標(biāo)記算法的研究主要集中在如何提高標(biāo)記的速度上，在同一計算平臺下如何獲得更快的標(biāo)記速度，更小的內(nèi)存開銷是業(yè)界關(guān)注的重點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于線描述子的圖像連通域快速標(biāo)記方法，在減少額外的數(shù)據(jù)存儲空間的同時，進一步提高了圖像連通域標(biāo)記的性能，獲得了目前為止業(yè)界領(lǐng)先的性能。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的采用了以下技術(shù)方案一種基于線描述子的圖像連通域快速標(biāo)記方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一，掃描圖像的當(dāng)前行，將當(dāng)前行中遇到的連續(xù)的前景點所組成的局部連通區(qū)域提取成由3個元素所表達的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；其中，所述的局部連通區(qū)域，也稱之為線段；所述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也稱之為線描述子；步驟二，遍歷上一行中的相應(yīng)各線段，并依次與當(dāng)前線段進行連通分析，遍歷的順序為從左到右；其中，如果上一行某一線段經(jīng)連通分析發(fā)現(xiàn)與當(dāng)前線段具有連通關(guān)系，則執(zhí)行步驟三；否則，執(zhí)行步驟四；步驟三，將當(dāng)前線段合并到其上一行線段所屬連通域中，如果當(dāng)前線段已屬于之前某個連通域，則需查找當(dāng)前上一行線段所屬連通域的根節(jié)點，并進行判斷，將其中一個根節(jié)點值較大的連通域合并至根節(jié)點值較小的連通域，此步驟完成后返回步驟二；步驟四，判斷當(dāng)前所遍歷的上行中的線段是否超出當(dāng)前線段的范圍或者到達上一行盡頭，如果是則進入步驟五，否則返回步驟二 ；步驟五，判斷當(dāng)前行是否掃描結(jié)束，如果不是返回步驟一，如果是則進一步判斷是否為圖像最后一行，如果不是則繼續(xù)處理下一行，返回步驟一，如果是則第一階段工作結(jié)束，進入步驟六；步驟六，從第一行開始依次遍歷各個線段，通過當(dāng)前線段中前三個像素所保存的值獲得當(dāng)前線段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體信息，以結(jié)構(gòu)體中保存的根節(jié)點值為起始點，找到所屬連通域的最終根節(jié)點，并依順序賦予一個連續(xù)的標(biāo)記值，并將該標(biāo)記值賦給剛才所經(jīng)查找路徑上的所有節(jié)點，該階段完成后進入步驟七；步驟七，判斷其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中保存的長度信息，將所賦予的標(biāo)記值傳播給該線段中的所有像素點，如果該線段長度小于2個像素，還須將該線段結(jié)尾的第一個背景點的像素值更改為背景值；然后判斷是否整幅圖像中的線段是否遍歷結(jié)束，如果不是則返回步驟六，否則整幅圖像的標(biāo)記工作結(jié)束。優(yōu)選的，上述方法在所述步驟一中的有關(guān)3個元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其具體情況為該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由3個數(shù)據(jù)元素所組成，分別為LP、nLP和Len ;其中LP代表當(dāng)前線段的鏈接點，nLP代表當(dāng)前線段的下一個臨近線段的鏈接點位置值，稱為跳點，Len代表當(dāng)前線段的長度值減2后的數(shù)值。優(yōu)選的，上述方法中，當(dāng)前線段的前3個像素將會被依次替換為LP、nLP、Len三個元素；具體采用如下方式來構(gòu)建該線段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)A、該線段的第一個像素用于保存連接點LP ；B、在該線段的第一個像素之后的第二個像素用于保存跳點nLP ;如果當(dāng)前線段的長度大于等于2，則在第二個像素中所裝載的跳點數(shù)值為該數(shù)值本身；如果當(dāng)前線段的長度小于2，則在第二個像素中所裝載的跳點數(shù)值為該數(shù)值的負數(shù)；C、在該線段的第一個像素之后的第三個像素用以保存該線段的長度Len ;如果當(dāng)前線段的長度小于等于2，則不對該線段的第一個像素之后的第三個像素進行任何修改。優(yōu)選的，上述方法在步驟二中所述的連通關(guān)系判斷，其具體情況為在找到第一個線段的起點位置之后，即可獲得緊鄰其后的下一個跳點位置；這樣當(dāng)前行中的所有線段都會以跳點鏈接的形式聯(lián)系在一起，而不須再進行任何搜索遍歷找到下一個線段位置；在進行局部連通關(guān)系判別的時候，上一行的跳點信息被保存在臨時變量中，將獲取的上一行線段的位置信息記為upLP，上一行線段的長度信息記為upLen，在獲得當(dāng)前的位置信息LP和Len之后，當(dāng)前線段如果與上一行線段連通須滿足以下條件 其中N為圖像列數(shù)。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果為
(I)該方法能獲得比現(xiàn)有文獻中提及的最好的算法更好的處理速度；(2)該方法同時還具有不需要開辟額外的附加數(shù)據(jù)存儲空間的特點，所有操作數(shù)據(jù)操作均在原圖中完成。


圖1是一個基于本發(fā)明處理的圖像中間結(jié)果與最終結(jié)果的示意圖。
具體實施例方式圖像連通域標(biāo)記的過程是將圖像中具有連通關(guān)系的圖像像素子集賦予唯一的標(biāo)記值，所有不具有連通關(guān)系的圖像像素子集賦予不同的標(biāo)記值的過程。其中原始圖像包含有前景(目標(biāo))像素和背景像素。前景像素的像素值稱之為前景值；背景像素的像素值稱之為背景值。一般來說，背景值為O。圖像連通域的標(biāo)記問題，從算法理論角度講，其實質(zhì)是一個并查集問題。并查集又稱為不相交集合。在某些應(yīng)用需求中，如圖像連通域標(biāo)記應(yīng)用，需要將η個不同的元素劃歸為一組不相交的集合，該不相交集合上有兩種重要的操作，即找出給定的元素所屬的集合和合并這兩個集合。每個集合可以通過一個代表來識別，該代表是集合中的某個成員。在圖像連通域標(biāo)記中，某一像素所在集合的代表稱之為該像素所屬連通域的根節(jié)點。以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。如圖1所示，以一個16X16圖像的部分片段為例，介紹本方法的工作過程。本方法分為兩個階段，每個階段完成對圖像的一次遍歷。如圖1所示，第一個子圖是表示原始的二值圖像數(shù)據(jù) ，第二、三個子圖表示本方法的第一階段的中間結(jié)果和第一階段的最終結(jié)果。如圖1所示，在圖像處理過程中所有按行掃描方式遍歷時遇到的單個或連續(xù)的一系列前景點都被抽取成了 “線描述子”的形式，其中，這些單個或連續(xù)的前景點都可以被看作是“線”。其表示方法為，該連續(xù)前景點的第一個像素內(nèi)保存該第一個像素的一維全局坐標(biāo)值，如果為單個前景點則就是該像素自身的一維全局坐標(biāo)值；其后的第二個像素內(nèi)保存的為下一個“線描述子”的第一個像素的一維全局坐標(biāo)值；其后的第三個像素內(nèi)保存的是從當(dāng)前第三個像素起，后續(xù)連續(xù)前景點的數(shù)目。如果當(dāng)前“線”的長度為2，則第三個像素自然為0，即背景點不變；如果當(dāng)前“線”的長度為1，則不但第三個像素點為0，第二個像素點的值也還需變?yōu)橄乱粋€“線”的起點的一維全局坐標(biāo)值的負數(shù)。圖1中的第二個子圖表示了采用該提取方法處理圖像后得到的結(jié)果。第三個子圖表示了各個以“線”為單位的局部連通域被歸并后的結(jié)果。其大致過程為首先判斷上下兩行間的局部連通域是否具有連通關(guān)系，如果存在連通關(guān)系，則進行歸并；否則繼續(xù)搜索連通關(guān)系。歸并的過程為找到各自局部連通域所屬的最終根，將根值較大的局部連通域的根值替換為較小的那一個。其得到的最終結(jié)果如圖1中第三個子圖所示，其也是本方法第一階段的最終結(jié)果。第二階段也按行掃描方式工作。首先，依次按行掃描方式讀入圖像的各個像素，找到第一個局部連通域的起始像素，并讀出該像素值得到起始地址addri。從第一個局部連通域起，在獲得起始地址addri后，依次讀出Bddri至addri+2的內(nèi)容,將其分別保存至臨時變量currentSP、currentNLP和currentLen。然后，以currentSP中保存的值為起始點，找到所屬連通域的最終根節(jié)點，并依賦值的順序賦予一個與之前賦值相連續(xù)的標(biāo)記值，并將該標(biāo)記值賦給剛才所經(jīng)查找路徑上的所有節(jié)點，該值為負數(shù)。該工作完成后，判斷當(dāng)前的currentNLP值是否 為負數(shù),如果為負數(shù)則將addi^+l處的值修改為背景值,然后以currentNLP的絕對值為地址尋址下一個局部連通域,繼續(xù)進行上面過程；如果currentNLP值為正數(shù)，則將addrfl處的值修改為獲得的最終標(biāo)記值，然后根據(jù)currentLen的值，將該標(biāo)記值向后傳播與currentLen值相同的距離。最后，重復(fù)以上過程直至整幅圖像中所有局部連通域遍歷結(jié)束。這時將獲得最終標(biāo)記后的完整結(jié)果，如圖1中的最后一個子圖所示。
權(quán)利要求
1.一種基于線描述子的圖像連通域快速標(biāo)記方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一，掃描圖像的當(dāng)前行，將當(dāng)前行中遇到的連續(xù)的前景點所組成的局部連通區(qū)域提取成由3個元素所表達的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；其中，所述的局部連通區(qū)域，也稱之為線段；所述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也稱之為線描述子；步驟二，遍歷上一行中的相應(yīng)各線段，并依次與當(dāng)前線段進行連通分析，遍歷的順序為從左到右；其中，如果上一行某一線段經(jīng)連通分析發(fā)現(xiàn)與當(dāng)前線段具有連通關(guān)系，則執(zhí)行步驟三；否則，執(zhí)行步驟四；步驟三，將當(dāng)前線段合并到其上一行線段所屬連通域中，如果當(dāng)前線段已屬于之前某個連通域，則需查找當(dāng)前上一行線段所屬連通域的根節(jié)點，并進行判斷，將其中一個根節(jié)點值較大的連通域合并至根節(jié)點值較小的連通域，此步驟完成后返回步驟二；步驟四，判斷當(dāng)前所遍歷的上行中的線段是否超出當(dāng)前線段的范圍或者到達上一行盡頭，如果是則進入步驟五，否則返回步驟二 ；步驟五，判斷當(dāng)前行是否掃描結(jié)束，如果不是返回步驟一，如果是則進一步判斷是否為圖像最后一行，如果不是則繼續(xù)處理下一行，返回步驟一，如果是則第一階段工作結(jié)束，進入步驟六；步驟六，從第一行開始依次遍歷各個線段，通過當(dāng)前線段中前三個像素所保存的值獲得當(dāng)前線段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體信息，以結(jié)構(gòu)體中保存的根節(jié)點值為起始點，找到所屬連通域的最終根節(jié)點，并依順序賦予一個連續(xù)的標(biāo)記值，并將該標(biāo)記值賦給剛才所經(jīng)查找路徑上的所有節(jié)點，該階段完成后進入步驟七；步驟七，判斷其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中保存的長度信息，將所賦予的標(biāo)記值傳播給該線段中的所有像素點，如果該線段長度小于2個像素，還須將該線段結(jié)尾的第一個背景點的像素值更改為背景值；然后判斷是否整幅圖像中的線段是否遍歷結(jié)束，如果不是則返回步驟六，否則整幅圖像的標(biāo)記工作結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于線描述子的圖像連通域快速標(biāo)記方法，其特征在于步驟一中所述3個元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其具體情況為該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由3個數(shù)據(jù)元素所組成，分別為LP、nLP和Len ;其中LP代表當(dāng)前線段的鏈接點，nLP代表當(dāng)前線段的下一個臨近線段的鏈接點位置值，稱為跳點，Len代表當(dāng)前線段的長度值減2后的數(shù)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于線描述子的圖像連通域快速標(biāo)記方法，其特征在于當(dāng)前線段的前3個像素將會被依次替換為LP、nLP、Len三個元素；具體采用如下方式來構(gòu)建該線段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)A、該線段的第一個像素用于保存連接點LP；B、在該線段的第一個像素之后的第二個像素用于保存跳點nLP;如果當(dāng)前線段的長度大于等于2，則在第二個像素中所裝載的跳點數(shù)值為該數(shù)值本身；如果當(dāng)前線段的長度小于2，則在第二個像素中所裝載的跳點數(shù)值為該數(shù)值的負數(shù)；C、在該線段的第一個像素之后的第三個像素用以保存該線段的長度Len;如果當(dāng)前線段的長度小于等于2，則不對該線段的第一個像素之后的第三個像素進行任何修改。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于線描述子的圖像連通域快速標(biāo)記方法，其特征在于，步驟二中所述的連通關(guān)系判斷，其具體情況為在找到第一個線段的起點位置之后，即可獲得緊鄰其后的下一個跳點位置；這樣當(dāng)前行中的所有線段都會以跳點鏈接的形式聯(lián)系在一起，而不須再進行任何搜索遍歷找到下一個線段位置；在進行局部連通關(guān)系判別的時候，上一行的跳點信息被保存在臨時變量中，將獲取的上一行線段的位置信息記為upLP，上一行線段的長度信息記為upLen，在獲得當(dāng)前的位置信息LP和Len之后，當(dāng)前線段如果與上一行線段連通須滿足以下條件
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于線描述子的圖像連通域快速標(biāo)記方法，它將圖像中的局部連通域提取成線描述子的方式進行表達和歸并，從而減少了圖像連通域標(biāo)記過程中的像素點訪問數(shù)量，減少了內(nèi)存帶寬的需求，提高了內(nèi)存的訪問效率，配合帶有路徑壓縮啟發(fā)式策略的并查集歸并算法，獲得了較目前業(yè)界領(lǐng)先的算法更好的標(biāo)記速度，同時其自身的附加內(nèi)存開銷為0。
文檔編號G06T7/00GK103065314SQ20121058019
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者趙華龍, 汪春霆 申請人:中國電子科技集團公司第五十四研究所