基于灰度共生矩陣與SOM神經網絡的樹皮紋理特征識別

李可心，戚大偉，牟洪波，倪海明

(東北林業大學 理學院，哈爾濱 150040)

基于灰度共生矩陣與SOM神經網絡的樹皮紋理特征識別

李可心，戚大偉*，牟洪波，倪海明

(東北林業大學 理學院，哈爾濱 150040)

黃檗、水曲柳、胡桃楸3種林木的樹皮提取物作為名貴中藥的植物來源。通過環剝再生技術采集樹皮，在保證經濟需要的同時有效地保護了林木。但3種林木樹皮紋理相近且不易區分，現場采集給林業工作者帶來困難。因此通過圖像處理技術解決這一難題具有實際意義。采集3種林木樹皮圖像各300幅，共計900幅，對圖像分別進行ROI(感興趣區域)截取、直方圖均衡，構造d=2；g=128；θ=0°、45°、90°、135°的灰度共生矩陣，提取14個特征參數；通過數字特征分析，篩選出8個特征值；應用SOM(Self Organizing Maps)神經網絡對大量林區樹皮圖像進行參數驗證。得到由角二階矩、熵、相關性、方差、聚類陰影、和熵、聚類陰影構成的參數集有效，識別精度83.33%。證明該方法可以很好地區分黃檗、水曲柳、胡桃楸3種林木。

樹皮紋理；灰度共生矩陣；SOM神經網絡

0 引言

國家林業局報道稱預計2016年年底部署全面停止全國天然林商業性采伐[1]。因此，如何對現有天然林進行保護是現階段必須要考慮和研究的重要課題。黃檗、水曲柳、胡桃楸并稱“東北三大硬木”[2]。由于過度的采伐，3種木材資源緊缺，被列入到中國稀有瀕危植物中[3]。隨著大數據時代的到來，針對研究對象應用圖像處理技術進行特征提取是非常重要的研究方向[4]。樹皮表面的紋理是樹木所具有的天然屬性，樹皮紋理包含的信息可以在一定程度上描述樹木的性質[5]。灰度共生矩陣的特征提取是統計方法中描述圖像紋理的典型算法，國內外眾多學者將其應用于醫學、生物圖像的特征提取工作，但并沒有進行樹皮表皮紋理上的研究[6]。隨計算機技術的不斷發展，人們對深度學習的要領越來越重視，運用神經網絡對大數據進行模式識別是非常重要的研究領域[7]。自組織映射(Self Organization Map，SOM)神經網絡是一種經典的無導師學習算法，運用該網絡進行聚類分析是十分重要的研究方法[8]。本研究結合灰度共生矩陣與SOM神經網絡對3種林木進行有效區分。

1 圖像獲取與處理

獲取東經127°25′07″，北緯42°24′23″的泉陽鎮大頂子林場地區，黃檗、水曲柳、胡桃楸3種林木胸徑部位樹皮表皮紋理圖像各300幅，合計900幅。為了更加準確地提取表征圖像紋理信息的14個特征參數，在Photoshopcs5環境下，截取圖像的感興趣區域(ROI區域)；為了增強圖像的整體對比效果，在MATLAB2014a環境中進行直方圖均衡化[9]。以黃檗圖像為例，圖1為截取ROI區域后的圖像，圖2為直方圖均衡化后的ROI區域圖像。

圖1 截取的ROI區域圖像Fig.1 The captured image ROI area

圖2 直方圖均衡化后的ROI區域圖像Fig.2 The image of ROI area after histogram equalization

2 基于灰度共生矩陣的樹皮紋理特征提取

2.1 灰度共生矩陣構造因子的確定

圖像越清晰，得到的特征值越準確[10]。因此選取圖像灰度級為256時，作為最佳生成步長。在256級的生成步長下，改變灰度級，從而提取最佳值[11]。即應用控制變量法，在圖像灰度級g不變的情況下，改變生成步長d的值；確定最佳生成步長d后，改變圖像灰度級g，再得到最佳灰度級的值[12]。最后結合特征值的性質，分析灰度共生矩陣特征參數隨其3個構造因子(圖像灰度級、生成步長以及生成角度)的變化規律，確立適合描述樹皮紋理圖像的灰度共生矩陣構造方法[13]。由紋理特征值差值最大化原理、程序運行的最優時間的選擇，確定：d=2；g=128；θ=0°、45°、90°、135°四個方向[14]。此構造方法下的特征值穩定、變化浮動較小、特殊值出現概率最小。

2.2 灰度共生矩陣的特征參數

在MATLAB2014a環境下，編寫提取特征參數的程序，得到樹皮紋理圖像的14個二次統計量：角二階矩、對比度、相關、熵、方差、均值和、方差和、逆差矩、差的方差、和熵、差熵、聚類陰影、最大概率[15]。表1為適合表征所研究圖像信息的6個特征參數計算公式。

表1 特征值的計算Tab.1 The calculating formula of characteristic values

2.3 特征值數字統計分析

計算實驗樣本的14個特征參數在其4個方向上的平均值，記為：W1-W14。進行數據統計分析，得到3種林木的8個特征參數：角二階矩、熵、慣性矩、相關性、方差、聚類陰影、最大概率、和熵。以篩選得到的角二階矩特征值、篩選排除的逆差矩特征值選取20幅樣本圖像進行詳細說明。

圖3 3種林木樹皮表皮紋理圖像的角二階矩特征比較Fig.3 Comparison on the angular second moments of the bark texture of three tree species

圖4 3種林木樹皮表皮紋理圖像的逆差矩特征比較Fig.4 Comparison on the inverse difference moments of the bark texture three tree species

由特征值數字分析圖像可知，3種林木表皮紋理圖像的角二階矩特征值數據在一定范圍區間，紋理特征值具有可區分性；而逆差矩特征值區間范圍相互交錯，不能對3種林木表皮紋理信息進行較好的說明[16]。針對大量樣本圖像進行研究，選取的8個特征值有部分重疊區域，因此應用SOM神經網絡對特征值進行進一步篩選。

3 SOM神經網絡在樹皮紋理識別的應用

生物神經元系統所具有的“加強中心而抑制周圍”的現象，與人腦所具有的自組織特性有著密切的聯系。芬蘭學者Teuvo Kohonen 提出的自組織特征映射神經網絡(Self Organizing Maps，SOM)，引入了網絡的拓撲結構，通過鄰域的概念模擬了生物元間的側抑制現象，從而實現了網絡的自組織特性。由于該網絡有效地模擬了腦皮層細胞的自組織特性、該模型可以有效地處理數據，被廣泛應用于模式分析與識別中。

為了盡量避免數據大小差異的影響，研究以歸一化的數據樣本特征值(取4個方向值)：角二階矩X1、熵X2、慣性矩X3、相關性X4、方差X5、聚類陰影X6、最大概率X7、和熵X8，構建SOM神經網絡輸入模式集：

(1)

在上述模式集的基礎上，逐一減少特征值并任意組合，在不同模式集下分別對大量樹皮表皮圖像進行聚類分析，得到角二階矩、熵、相關性、方差、聚類陰影、和熵6個數據樣本集，在1 000次的訓練次數下，識別精度為83.33%。下圖為SOM神經網絡的樣本劃分情況。

圖5 SOM神經網絡模式識別結果Fig.5 The result of pattern classification by SOM neural network

4 結論

提出應用灰度共生矩陣與SOM神經網絡結合的方法，得到由角二階矩、熵、方差、相關性、和熵、聚類陰影構成的一組參數集，可以有效區分黃檗、水曲柳、胡桃楸3種林木，識別精度83.33%。對3種樹皮表皮紋理圖像各300幅(共計900幅)進行處理，驗證由該方法提取的參數集可以有效區分3種林木。證明該方法可以幫助林業工作者推廣應用于3種林木樹種的識別，提取得到的特征值可以為后續相關研究人員提供數據支持。

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Identification of Tree Bark Texture Characteristic Based onGray Co-occurrence Matrix and SOM Neural Network

Li Kexin，Qi Dawei*，Mu Hongbo，Ni Haiming

(College of Science，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

The extractives of tree bark ofCortexPhellodendri，FraxinusmandshuricaandCatalpaare used as the important source of precious Chinese medicine.The bark is harvested by girdling regeneration technology which ensures the economic needs and also protects the trees.Due to the tree barks of three species are too similar to easily distinguish，it brings the difficult to forestry workers.Therefore it is of practical significance that uses the image processing technology to solve this issue.A total 900 tree bark images of three species，300 per species，were collected.ROI(Region of Interest)image capture and histogram equalization were conducted.The gray level co-occurrence matrix withdof 2，g of 128 and theθof 0°，45°，90°and 135 ° were constructed.14 characteristic parameters were extracted.8 characteristic parameters were selected effectively through the analysis of digital characteristics.The SOM(Self Organizing Maps)neural network was used to conduct parameters validation for a large number of tree bark images.The parameters set consisting of angular second moment，entropy，moment of inertia，correlation，variance，clustering shadow，and entropy can be used to effectively distinguish three tree species with the recognition of 83.33%.The method studied in this paper is capable to well distinguish three trees species ofCortexPhellodendri，Fraxinus mandshurica andCatalpa.

tree bark texture；gray co-occurrence matrix；SOM neural network

2016-12-05

國家自然科學基金項目(31570712)；黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12543019)； 黑龍江省自然科學基金項目(C201338)；高校科研基金項目(2572014CB30)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2572016AB26)

李可心，碩士研究生。研究方向：生物物理。

*通信作者：戚大偉，博士，教授。研究方向：生物物理。 E-mail：qidw9806@126.com

李可心，戚大偉，牟洪波，等.基于灰度共生矩陣與SOM神經網絡的樹皮紋理特征識別[J].森林工程，2017，33(3)：24-27.

S 718；TP 391.41

A

1001-005X(2017)03-0024-04