基于序貫細(xì)化的二值圖像快速骨架提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及圖像壓縮、工業(yè)檢測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理、交通、公共安全等應(yīng)用領(lǐng)域，具 體是一種基于序貫細(xì)化操作的二值圖像快速骨架提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 區(qū)域骨架是區(qū)域形狀的一種集約表示，被廣泛用于圖像壓縮以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)檢 測(cè)、交通與公共安全檢測(cè)等廣泛領(lǐng)域的對(duì)象識(shí)別和圖像理解任務(wù)之中。提取骨架（骨架化） 的方法已有多種，主要包括迭代使用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)細(xì)化的方法、基于最大球球心軌跡的中軸 變換方法等不同技術(shù)途徑。相比之下，基于序貫數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)細(xì)化的方法得到的骨架為區(qū)域 的同倫骨架，即骨架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與原區(qū)域一致，從而在利用骨架進(jìn)行對(duì)象表示和識(shí)別的應(yīng) 用中更為適用，而諸如基于最大球的其他方法在這一點(diǎn)上則無(wú)法保證。
[0003] 標(biāo)準(zhǔn)的序貫細(xì)化骨架提取方法的原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)便捷，對(duì)于較小尺寸的二值圖像 十分實(shí)用。但當(dāng)圖像尺寸較大時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的序貫細(xì)化骨架提取方法的計(jì)算速度明顯下降，常常 無(wú)法適用于具有一定的交互響應(yīng)要求的應(yīng)用場(chǎng)合，更無(wú)法應(yīng)用于實(shí)時(shí)應(yīng)用。
[0004] 因此，有必要找到一種改進(jìn)的基于序貫細(xì)化的骨架提取方法，在保證所得骨架的 同倫性的同時(shí)，有效提高骨架提取的速度，使之能適用于面向較大二值圖像、交互響應(yīng)性較 高的應(yīng)用場(chǎng)合，顯著提升骨架提取方法的應(yīng)用潛力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是在現(xiàn)有的基于序貫細(xì)化的骨架提取方法基礎(chǔ)上，針 對(duì)較大尺寸的圖像，提供一種能夠快速完成同倫骨架提取的方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的解決方案為：利用紅黑樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)高效地記 錄序貫細(xì)化過(guò)程中需要移除的區(qū)域點(diǎn)，并在每一步細(xì)化操作后將更新紅黑樹(shù)內(nèi)容所需的考 察范圍限定在上一步移除的區(qū)域點(diǎn)的8鄰域之中，從而最大程度地減少重復(fù)運(yùn)算，以有效 提高運(yùn)算速度。具體包括以下步驟：
[0007] i.將待提取骨架的、高為H且寬為W的二值圖像B在上、下、左、右四個(gè)方向上分別 進(jìn)行寬度為1個(gè)像素的延拓，得到高為（H+2)、寬為（W+2)的二值圖像P，延拓部分的像素值 置為邏輯〇(黑色）；
[0008] ii.初始化8個(gè)紅黑樹(shù)結(jié)構(gòu)TQ~T7，（紅黑樹(shù)的原理與實(shí)現(xiàn)可參考"Τ· H. Cormen，C. E. Leiserson, R. L. Rivest, C. Stein著，潘金貴，顧鐵成，李成法，葉懋譯，《算法導(dǎo)論》，北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2006,第163-175頁(yè)"）用于管理每輪細(xì)化中待移除的P中的區(qū)域點(diǎn)（邏 輯值為1的點(diǎn)或白色點(diǎn)），置currentTree = 0 ;
[0009] iii.初始化一個(gè)高為（H+2)、寬為（W+2)的矩陣L，L的元素為具有TreeIndex和 Visited等兩個(gè)字段的結(jié)構(gòu)體；L的每個(gè)元素的Treelndex字段初始化為0, Visited字段初 始化為FALSE ;
[0010] iv.遍歷P中第1行（最頂部的一行為第〇行）到第H行、第1列（最左側(cè)的一列為 第O列）到第W列范圍內(nèi)的每個(gè)像素點(diǎn)（i，j)，其中i為行號(hào)，j為列號(hào)，判斷該點(diǎn)是否是需 要移除的區(qū)域點(diǎn)，若是，則將該點(diǎn)的索引值插入相應(yīng)的紅黑樹(shù)Tk中，并置L (i，j). TreeIndex =k+1，其中L(i，j)為矩陣L中第i行第j列上的元素；像素點(diǎn)索引值可按認(rèn)為方便的方 式加以定義，例如當(dāng)把P視為由左至右的各列像素由上至下首尾連接而成的一個(gè)一維數(shù)組 時(shí)，則位于第i行第j列的像素點(diǎn)（i，j)的索引值可定義為ind = j(H+2)+i ;
[0011] v.若Ttl~T7均為空，則抽取P的第1行到第H行、第1列到第W列所構(gòu)成的子圖 像作為B的骨架二值圖像S返回；否則，至第vi步；
[0012] vi.置 round = 0 ;
[0013] vii.若round = 8,則至第V步；否則，至第viii步；
[0014] viii.獲取中的所有待移除區(qū)域點(diǎn)的索引值，并將它們存放于列表R中； 清空 TcurrentTree;置 currentTree = currentTree+Ι，若 currentTree = 8,則置 currentTree =〇 ；
[0015] ix.根據(jù)R對(duì)P、L和Τ0~T 7進(jìn)行更新；
[0016] X. round = round+l ;清空 R ;至第 vii 步。
[0017] 所述的第iv步及第ix步中待移除區(qū)域點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的紅黑樹(shù)索引的確定方法（方 法A)，其具體步驟如下：
[0018] (A.1)對(duì)于二值圖像P中的像素點(diǎn)（i，j)，如果其值P(i，j)為邏輯0,則當(dāng)前像素 點(diǎn)不是待移除的區(qū)域點(diǎn)，返回；
[0019] (A. 2)根據(jù)當(dāng)前像素點(diǎn)（i，j)所在的3X3鄰域確定該像素點(diǎn)的查找表索引值V， V是一個(gè)9位無(wú)符號(hào)整型值，每一位對(duì)應(yīng)（i，j)所在的3X3鄰域中一個(gè)特定位置上的像素 值；本發(fā)明中按如下約定計(jì)算查找表索引值：V的第〇位（最低位）對(duì)應(yīng)P(i_l，j-Ι)的值， 第1位對(duì)應(yīng)P (i，j-1)的值，第2位對(duì)應(yīng)P (i+1，j-1)的值，第3位對(duì)應(yīng)P (i-1，j)的值，第4 位對(duì)應(yīng)P (i，j)的值，第5位對(duì)應(yīng)P (i+1，j)的值，第6位對(duì)應(yīng)P (i-1，j+Ι)的值，第7位對(duì)應(yīng) P (i，j+Ι)的值，第8位（最高位）對(duì)應(yīng)P (i+1，j+Ι)的值；
[0020] (A. 3)根據(jù)查找表索引值V，從如下數(shù)組TreeNum中讀取當(dāng)前像素點(diǎn)（i，j)所適用 的紅黑樹(shù)數(shù)目TreeNum(V):
[0021]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于序貫細(xì)化操作的二值圖像區(qū)域同倫骨架快速提取方法；本發(fā)明所提出的 方法包括W下步驟：
1. 將待提取骨架的、高為H且寬為W的二值圖像B在上、下、左、右四個(gè)方向上分別進(jìn)行 寬度為1個(gè)像素的延拓，得到高為（H+2)、寬為（W+2)的二值圖像P，延拓部分的像素值置為 邏輯〇(黑色）； ii. 初始化8個(gè)紅黑樹(shù)結(jié)構(gòu)T。~T,，用于管理每輪細(xì)化中待移除的P中的區(qū)域點(diǎn)（邏 輯值為1的點(diǎn)或白色點(diǎn)），置currentTree = 0 ; iii. 初始化一個(gè)高為化+2)、寬為（W+2)的矩陣L，L的元素為具有Treeindex和 Visited等兩個(gè)字段的結(jié)構(gòu)體；L的每個(gè)元素的Treeindex字段初始化為0, Visited字段初 始化為FALSE ; iv. 遍歷P中第1行（最頂部的一行為第0行）到第H行、第1列（最左側(cè)的一列為 第0列）到第W列范圍內(nèi)的每個(gè)像素點(diǎn)（i，j)，其中i為行號(hào)，j為列號(hào)，判斷該點(diǎn)是否是需 要移除的區(qū)域點(diǎn)，若是，則將該點(diǎn)的索引值插入相應(yīng)的紅黑樹(shù)Tk中，并置L(i，j). Treeindex =k+1，其中L(i，j)為矩陣L中第i行第j列上的元素；像素點(diǎn)索引值可按認(rèn)為方便的方 式加W定義，例如當(dāng)把P視為由左至右的各列像素由上至下首尾連接而成的一個(gè)一維數(shù)組 時(shí)，則位于第i行第j列的像素點(diǎn)（i，j)的索引值可定義為ind = j〇l+2)+i ; V.若T。~T ,均為空，則抽取P的第1行到第H行、第1列到第W列所構(gòu)成的子圖像作 為B的骨架二值圖像S返回；否則，至第Vi步； vi. 置 round = 0 ; vii. 若round = 8,則至第V步；否則，至第viii步； viii. 獲取TtwaMTtw中的所有待移除區(qū)域點(diǎn)的索引值，并將它們存放于列表R中；清空 TcurrentTree遣州rrentTree = currentTree+1，若 currentTree = 8,則置 currentTree = 0 ； ix. 根據(jù)R對(duì)P、L和T。~T 7進(jìn)行更新； X. round = round+1 ;清空 R ;至第 vii 步。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的第iv步及第ix步中待移除區(qū)域點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的紅黑樹(shù)索引的 確定方法，其特征在于如下步驟： a. 對(duì)于二值圖像P中的像素點(diǎn)（i，j)，如果其值P(i，j)為邏輯0,則當(dāng)前像素點(diǎn)不是待 移除的區(qū)域點(diǎn)，返回； b. 根據(jù)當(dāng)前像素點(diǎn)（i，j)所在的3X3鄰域確定該像素點(diǎn)的查找表索引值v，v是一個(gè) 9位無(wú)符號(hào)整型值，每一位對(duì)應(yīng)（i，j)所在的3X3鄰域中一個(gè)特定位置上的像素值；本發(fā) 明中按如下約定計(jì)算查找表索引值；V的第0位（最低位）對(duì)應(yīng)P(i-1，j-1)的值，第1位 對(duì)應(yīng)P(i，j-1)的值，第2位對(duì)應(yīng)P(i+1，j-1)的值，第3位對(duì)應(yīng)P(i-1，j)的值，第4位對(duì)應(yīng) P(i，j)的值，第5位對(duì)應(yīng)P(i+1，j)的值，第6位對(duì)應(yīng)P(i-1，j+1)的值，第7位對(duì)應(yīng)P(i，j+1) 的值，第8位（最高位）對(duì)應(yīng)P (i+1，j+1)的值； c. 根據(jù)查找表索引值V，從如下數(shù)組TreeNum中讀取當(dāng)前像素點(diǎn)（i，j)所適用的紅黑 樹(shù)數(shù)目 TreeNum(v); TreeNum 巧 12] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1，0, 0, 1，1，0 ，0, 1，2, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1，1，0, 0, 1，2, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1，0, 0, 0， 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1，1，2, 0, 0, 1，1，0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1，1，0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,