一種基于主色外觀圖的彩色圖像分割算法

摘要：在對(duì)三維傳統(tǒng)的顏色直方圖（CCH）作出了一系列改進(jìn)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于主色外觀圖(DCG)的新的彩色圖像分割方法。首先根據(jù)改進(jìn)后的顏色直方圖確立彩色圖像的近似主色成分，然后再利用CIE 1976色差公式分別計(jì)算出其每個(gè)像素與主色之間的距離，并據(jù)此建立相應(yīng)圖像的顏色距離直方圖（CDH），它精確地反映了圖像像素與參考色之間的色彩相似度。為了證實(shí)CDH在彩色圖像分割中的效用性，又通過進(jìn)一步地?cái)U(kuò)展得到了CDH集，或可稱為主色外觀圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，就精確性、魯棒性和計(jì)算的復(fù)雜度而言，基于DCG的分割方法能夠得到比傳統(tǒng)閾值法和聚類法更好的分割效果。

關(guān)鍵詞： 彩色圖像分割； 顏色直方圖； 顏色距離直方圖； 主色外觀圖

中圖分類號(hào)：TP32文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－3695(2008)01－0313－03

圖像分割是指將圖像分解為各具特性的區(qū)域，并提取出感興趣目標(biāo)的技術(shù)和過程。圖像分割是圖像理解、模式識(shí)別和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中一個(gè)十分重要且又十分困難的問題，是計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)中首要的關(guān)鍵步驟[1]。在視覺圖像的分割問題上，大部分研究人員仍然是針對(duì)灰度圖像，其惟一可用信息便是明度。隨著技術(shù)的進(jìn)步，彩色圖像使用得越來越多，對(duì)彩色圖像的分割也就越來越引起人們的重視。彩色圖像分割是指在一幅彩色圖像中分離出主要的色彩一致的區(qū)域，通常針對(duì)灰度圖像的分割技術(shù)都不能直接應(yīng)用于彩色圖像中。現(xiàn)有的彩色圖像分割技術(shù)可分為三大類，即基于直方圖的閾值法、聚類法和基于鄰域的區(qū)域生長法。其中前兩種方法已得到了廣泛應(yīng)用。

本文首先根據(jù)三維傳統(tǒng)的顏色直方圖（CCH）確定出彩色圖像的近似主色成分，并在此基礎(chǔ)上提出了一種稱為顏色距離直方圖(CDH)的新的彩色圖像描述方法，它反映了單個(gè)像素與選定的主色之間的色彩相似度。由于一幅彩色圖像中通?？珊卸喾N主色成分，那么這樣一個(gè)CDH集又可被視為彩色圖像的另外一種強(qiáng)有力的描述方法。本文據(jù)此提出了主色外觀圖(DCG)的概念。DCG為能有效地區(qū)分彩色像素提供了一種新的表述框架，基于主色外觀圖的彩色圖像分割方法，可將每個(gè)像素歸至與其顏色距離最近的一類主色中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明了，本文所提出的基于DCG的彩色圖像分割算法能夠獲得比傳統(tǒng)的直方圖閾值法更好的分割效果，其有效性、精確性和計(jì)算復(fù)雜度均要優(yōu)于其他的閾值分割算法。

1傳統(tǒng)顏色直方圖（CCH）

一幅灰度圖像的顏色直方圖是指圖像亮度值的概率密度函數(shù)，這也是傳統(tǒng)的CCH統(tǒng)計(jì)圖。它反映了某一允許的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)每個(gè)量化級(jí)別上像素的出現(xiàn)頻率[2]。傳統(tǒng)CCH的計(jì)算快速而簡單，并且CCH是不會(huì)隨著圖像的旋轉(zhuǎn)和平移而變化的。但是對(duì)于彩色圖像而言，其顏色直方圖則需定義為圖像中三個(gè)顏色通道的聯(lián)合概率密度函數(shù)，這顯然不同于灰度直方圖，它是很難直接用圖形來描述的[3]。

在彩色圖像的分割中，須將基于直方圖的閾值法應(yīng)用于多維特征空間中，即通過在每個(gè)坐標(biāo)軸上進(jìn)行直方圖閾值化來分解典型的特征空間（如三維顏色空間）[4]。其主要問題就是如何決定閾值，這是難以直接解決的一個(gè)問題，因?yàn)橥ǔ２噬珗D像中的R、G、B三個(gè)顏色通道的值都是相互關(guān)聯(lián)的，不可能單憑某一顏色通道的直方圖閾值化即可解決一幅復(fù)雜彩色圖像的分割。

綜合上述各方面的因素，最后仍然采用改進(jìn)的二維顏色直方圖來同時(shí)表示彩色圖像的三個(gè)顏色分量值的出現(xiàn)頻率。其中一個(gè)重要的問題就是直方圖的量化，即彩色圖像中色彩信息的量化算法。三維傳統(tǒng)的顏色直方圖本是高維向量數(shù)組，就RGB空間而言，直接表示需要2563=16 777 216個(gè)向量，如果再考慮其直方圖上的相關(guān)運(yùn)算，則需要極大的運(yùn)算量。一般的解決方法是對(duì)三維傳統(tǒng)的顏色直方圖進(jìn)行降維、量化來減少其所包含的向量個(gè)數(shù)。一個(gè)合適的量化級(jí)數(shù)要求能夠在性能和計(jì)算量上取得較好的平衡。一般說來，自然景色中的彩色圖像其每個(gè)顏色通道需要10～20個(gè)量化級(jí)別[5]。本文根據(jù)上述要求對(duì)每個(gè)顏色通道均采用了18個(gè)量化級(jí)別，并對(duì)被量化后的色彩進(jìn)行了重新標(biāo)志，圖像上被量化成相同顏色的像素點(diǎn)的集合便構(gòu)成了一類，圖像像素點(diǎn)的顏色將由它們相應(yīng)類別的標(biāo)志號(hào)（1～183）所代替。圖1所示即為彩色圖像Lena及其CCH分布圖。

(a) 彩色圖像Lena(b) CCH分布圖

得到上述經(jīng)改進(jìn)的顏色直方圖后，下面的關(guān)鍵任務(wù)就是要確定出其中的近似主色成分。這里的主色是指與之相關(guān)聯(lián)的像素在整幅彩色圖像中占有絕大比例，它們對(duì)應(yīng)于顏色直方圖中的局部峰值點(diǎn)。當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中，主色的定義可以是不同的，它主要取決于用戶或機(jī)器的興趣所在。直方圖閾值法的關(guān)鍵也是在于找準(zhǔn)曲線中隱藏的峰值點(diǎn)，有很多作者曾認(rèn)為重要峰值點(diǎn)的選取應(yīng)根據(jù)其銳度或面積因素，對(duì)于一些銳度或面積值較小的峰值點(diǎn)可不予以考慮[6]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法有時(shí)并不能取得令人滿意的效果，特別是在一些未經(jīng)去噪處理的彩色圖像中。

綜上所述，CCH統(tǒng)計(jì)圖只可能有一個(gè)，但是CDH統(tǒng)計(jì)圖根據(jù)所選取的主色不同則可以有多個(gè)。本文為了易于表達(dá)，在顏色距離直方圖中的橫軸代表了各顏色距離的量化級(jí)別，縱軸則表示出現(xiàn)在各段范圍中的圖像像素個(gè)數(shù)。圖3便是一幅以黑色為前景色、灰色為背景色的彩色圖像的顏色距離直方圖。其中中間是以黑色為參考主色、右邊則以灰色為參考主色。

3主色外觀圖

如上所述，一幅典型的彩色圖像中通常含有多種主色成分。其中每一種顏色均可作為參考色來形成相應(yīng)的CDH統(tǒng)計(jì)圖。正是由于參考色選取的多樣性，才可以根據(jù)不同的參考色分別建立起相應(yīng)的CDH統(tǒng)計(jì)圖。本文下面又提出了一種稱為主色外觀圖(DCG)的新的彩色圖像描述方法。

圖4所示即為彩色圖像Lena及其DCG統(tǒng)計(jì)圖。其中近似主色成分?jǐn)?shù)目為九個(gè)。DCG的概念很簡單，但是它在許多潛在的彩色圖像應(yīng)用領(lǐng)域中非常有用。它既指出了一幅彩色圖像中含有多少、哪些主色成分，反映了全局信息；同時(shí)又分別計(jì)算出了整幅彩色圖像像素相對(duì)于各個(gè)參考色的顏色距離，并形成了相應(yīng)的CDH顏色距離分布圖，獲取了局部信息。

4基于DCG的彩色圖像分割

彩色圖像分割是指基于提取特征(如顏色、紋理和邊緣等)將一幅給定的彩色圖像分割為幾個(gè)同質(zhì)區(qū)。本文利用彩色圖像的主色外觀圖(DCG)提出了一種新的彩色圖像分割方法——基于主色外觀圖的分割(DCGS)。其中的關(guān)鍵問題就在于如何將各個(gè)像素分配至與之具有最高相似度的一類主色中。為此，需要針對(duì)DCG中的所有CDH分別進(jìn)行二值化近似處理，它能夠通過一個(gè)閾值對(duì)所有像素進(jìn)行基于各參考色的相似性分類。本文根據(jù)相關(guān)國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際情況確定了色差閾值ΔE*ab=10。

同樣以彩色圖像Lena為例，圖5就分別顯示了它的九幅CDH統(tǒng)計(jì)圖和相應(yīng)的經(jīng)二值化近似處理后的圖像。在每一幅CDH統(tǒng)計(jì)圖中，所有那些落在色差閾值以左范圍內(nèi)的像素均被認(rèn)為屬于參考色一類之中。這樣一來，同一個(gè)像素就有可能與多個(gè)不同的參考色合并為一類；相反地，也有可能某些像素尚未歸于任何一類參考色之中。一旦發(fā)生了這種錯(cuò)分和漏分的情況，那么為了降低誤差概率，上述像素將會(huì)優(yōu)先并入與其顏色距離最近的一類主色成分之中。圖6所示即為Lena及其他一些彩色圖像的最終分割結(jié)果。

5結(jié)束語

本文從最初色彩信息的量化到后來近似主色成分的查找，再到最后顏色距離直方圖的定義，并將其予以擴(kuò)展得到CDH集，從而提出了一種稱為主色外觀圖(DCG)的彩色圖像描述方法，以及基于DCG的彩色圖像分割方法。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)表明，DCGS充分考慮到了彩色圖像的實(shí)際顏色量化特征，并同時(shí)兼顧了原始圖像的全局和局部色彩信息，在分類精度和計(jì)算復(fù)雜度上要明顯優(yōu)于其他同類彩色圖像分割方法。

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