不同光照強度對點帶石斑魚圖像分割結果影響的研究

徐愫，邢克智，通信作者，田云臣，馬國強，路寧，包蕊

（1.天津農學院 a.水產學院 天津市水產生態與養殖重點實驗室，b.計算機與信息工程學院，天津300384；2.天津市農村工作委員會 信息中心，天津 300061）

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不同光照強度對點帶石斑魚圖像分割結果影響的研究

徐愫1a，邢克智1a，通信作者，田云臣1b，通信作者，馬國強1b，路寧2，包蕊2

（1.天津農學院 a.水產學院 天津市水產生態與養殖重點實驗室，b.計算機與信息工程學院，天津300384；2.天津市農村工作委員會 信息中心，天津 300061）

摘 要：簡要介紹了點帶石斑魚圖像采集的實驗環境，3種不同光照強度的設置以及利用Matlab采集圖像的步驟。詳細闡述了采用灰度直方圖凹度分析法、最大類間方差閾值選擇法、迭代式閾值選擇法、最大熵法對不同光照強度下采集的圖像進行分割的步驟。最后，對分割結果進行了分析和討論。結果表明，光照強度對圖像分割結果有不同程度的影響，相較其他分割方法而言，迭代式閾值選擇法能更好地將魚體同背景分離并最大限度地保留魚體特征。

關鍵詞：光照強度；點帶石斑魚；圖像分割

圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，圖像處理結果直接影響著人們對圖像的理解[1]。點帶石斑魚(Epinephelus malabaricus）對環境適應性強，肉質鮮美，是中國東南沿海重要的海水養殖對象[2]，對其行為進行監測能夠有效提高魚類成活率，促進水產養殖業的發展。圖像采集、處理是分析點帶石斑魚行為的重要環節，而圖像分割是圖像識別和圖像理解的前提。影響點帶石斑魚圖像分割結果的主要因素有：圖像采集設備、圖像采集時的光照及角度和圖像處理方法等。本文主要討論光照強度對點帶石斑魚圖像分割結果的影響。

1 試驗環境與圖像采集

1.1 試驗環境

試驗環境包括：（1）循環水養殖系統。如圖1（A）所示。系統分為3層，第1層為清潔層，第2層為養殖層，第3層為過濾層，背面及左右兩側均附有藍色底膜；（2）高清廣角USB攝像頭。如圖1（B）所示；（3）照明設備。如圖1（C）所示，照明采用電壓頻率為50 Hz的水族燈，包括兩根燈管，每根燈管功率為30 W。水族燈分為兩檔，一檔開一盞燈，二檔兩盞燈全開。

圖1 圖像采集環境和設備

1.2 圖像采集

試驗設置了自然光、一檔水族燈、二檔水族燈3種圖像采集光照環境，對應光照強度分別為16、38、68 mol/(m2·s)。在Matlab環境下編寫了照片連拍程序，觸發程序的拍照按鈕后每秒自動拍攝1張照片，連續拍照30張后停止，拍照界面如圖2所示。依次選擇自然光、一檔水族燈和二檔水族燈，啟動連拍采集圖像，選取其中3張作為原始圖像，分別命名為圖像1、圖像2、圖像3，如圖3所示。

圖2 圖像采集界面

圖3 原始圖像

2 圖像分割

圖像分割可以幫助人們更直觀地理解圖像。圖像分割方法主要包括：基于閾值的分割方法、基于區域的分割方法、基于邊緣的分割方法以及基于特定理論的分割方法等。以下主要討論基于閾值的分割方法。

2.1 灰度直方圖凹度分析法

對一幅圖像而言，如果圖像主體與背景有明顯對比，則它的直方圖應該有兩個波峰。這時可以選取兩波峰中間的波谷作為閾值。大于該閾值的點都設置為白色，小于該閾值的點都設置為黑色。這樣就可以將圖像主體與背景分割開來[3-5]。如圖4所示，分別獲取了圖像1、圖像2、圖像3三個色彩通道的直方圖。

圖4 原始圖像RGB三通道對應直方圖

結合圖4，分別對圖像1、圖像2和圖像3進行直方圖凹度分析法分割，結果如圖5。

圖5 直方圖凹度分析法分割結果

2.2 最大類間方差閾值選擇法（OSTU）

最大類間方差閾值選擇法又稱為OSTU算法，其基本原理是將圖像灰度級分為兩類，依次計算每一次分類結果的類間方差，選取使類間方差最大的灰度級作為最佳閾值[6-7]。采用OSTU算法分別對圖像1、圖像2和圖像3進行分割，結果如圖6。

圖6 OSTU算法分割結果

2.3 迭代式閾值選擇法

迭代式閾值選擇法的基本思想是：設置一個值作為初始閾值，從初始值出發，根據設計好的步驟用逐次求出的近似閾值逼近精確閾值[8]。采用迭代法分別對圖像1、圖像2和圖像3進行分割，結果如圖7。

圖7 迭代式閾值選擇法分割結果

2.4 最大熵法

熵是對數據中包含信息的度量。熵取最大值時，表示獲取到的信息量越大。最大熵法利用熵對原圖像進行信息量的量化衡量，使分割后的圖像中目標熵和背景熵的和盡可能的大，以此確定閾值[9-10]。采用最大熵法分別對圖像1、圖像2和圖像3進行分割，結果如圖8。

圖8 最大熵法分割結果

對上述4種方法得到的閾值和程序運行時長進行統計，統計結果如表1所示。

表1 不同分割方法閾值與程序運行時長統計

3 結論

通過圖4、5、6、7可以看出，采用灰度直方圖凹度分析法對圖像進行分割，隨著光照強度的增加，圖像細節不斷丟失，即在采用直方圖凹度分析法中，自然光是最適光照；使用OSTU閾值分割法、迭代法分析時，稍強光照能較好地保留圖像主體特征；而使用最大熵法處理圖像時，適中光照處理效果明顯優于其他兩種光照。

通過表1可以看出，光照越強，圖像處理時間越短。在自然光與水族燈二檔光照下，4種方法得到的最佳閾值近似。在水族燈一檔光照條件下，最大類間方差閾值明顯高于其他3種方法。整體來看，最大類間方差法獲取的閾值均高于其他3種方法。而從處理結果來看，迭代法處理結果最為理想。

參考文獻：

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Effect of Light Intensity on Epinephelus malabaricus’s Image Segmentation Processing

XU Su1a,XING Ke-zhi1a,Corresponding Author, TIAN Yun-chen1b,Corresponding Author,MA Guo-qiang1b,LU Ning2,BAO Rui2
（1.Tianjin Agricultural University,a.Key Laboratory of Aquatic Ecology and Aquaculture in Tianjin,College of Fisheries,b.College of Computer and Information Engineering,Tianjin 300384,China; 2.Information Center of Rural Work Committee,Tianjin 300061,China）

Abstract：This paper briefly introduced the experimental environment of Epinephelus malabaricus’s image acquisition,brief description of the setting of three kinds of light intensities,also introduced the steps to acquisition images by Matlab.Described the steps that how to use the gray histogram concavity analysis,OTSU threshold selection method,iterative threshold selection method,maximum entropy selection method to segment images which obtained under different light intensities.Finally,the results were analyzed and discussed.The results shown as follows: light intensity had different influence on the results of the image segmentation,iterative threshold selection method could separate the fish body from the background better and kept the fish body characteristics with the maximum retention.

Key words:light intensity; Epinephelus malabaricus; image segmentation

通信作者：邢克智（1956-），男，天津市人，教授，學士，主要從事水產生態與養殖方面的研究。E-mail：kzxing6668@126.com。田云臣（1967-），男，山西孝義人，教授，碩士，主要從事水產養殖業信息技術研究工作。E-mail：tianyunchen@tjau.edu.cn。

作者簡介：徐愫（1990-），女，貴州畢節人，碩士在讀，主要從事計算機視覺在水產養殖方面的應用研究工作。E-mail：1184507518@qq.com。

基金項目：公益性行業（農業）科研專項“現代漁業數字化及物聯網技術集成與示范”（201203017）；天津市科技支撐計劃項目“水產養殖業物聯網技術集成研究與應用示范”（14ZCZDNC00009）

收稿日期：2015-09-25

文章編號：1008-5394（2016）01-0034-04

中圖分類號：S966

文獻標識碼：A