融合特征描述符约束的3维等距模型对应关系计算

目的 为了更准确地构建3维等距模型之间的对应关系,本文提出了一种基于热核签名与波核签名的融合特征描述符计算3维等距模型对应关系的方法。方法 首先计算3维模型Laplace算子获得模型的特征向量和特征值;然后将所得到特征值和特征向量作为基参数分别计算源模型与目标模型的热核签名和波核签名,并将热核签名与波核签名融合为一个新的特征描述符。融合特征描述符作为模型上随机均匀采样点的约束,通过最小值匹配算法得到源模型和目标模型之间的对应关系。结果 实验结果表明,利用融合特征描述符约束进行计算得到的对应关系正确匹配率比热核签名约束计算得到的对应关系匹配率平均提高19.429%,比波核签名约束计算得到的对应关系匹配率平均提高4.857%。结论 本文提出的融合特征描述符适用于计算3维等距模型或近似等距的3维模型之间的对应关系,与单一使用热核签名或波核签名特征描述符相比,可以得到更加准确的对应关系。     

结合类内和类间距离的可能聚类分割算法

目的 为了进一步提高噪声图像分割的抗噪性和准确性,提出一种结合类内距离和类间距离的改进可能聚类算法并将其应用于图像分割。方法 该算法避免了传统可能性聚类分割算法中仅仅考虑以样本点到聚类中心的距离作为算法的测度,将类内距离与类间距离相结合作为算法的新测度,即考虑了类内紧密程度又考虑了类间离散程度,以便对不同的聚类结构有较强的稳定性和更好的抗噪能力,并且将直方图融入可能模糊聚类分割算法中提出快速可能模糊聚类分割算法,使其对各种较复杂图像的分割具有即时性。结果 通过人工合成图像和实际遥感图像分割测试结果表明,本文改进可能聚类算法是有效的,其分割轮廓清晰,分类准确且噪声较小,其误分率相比其他算法至少降低了2个百分点,同时能获得更满意的分割效果。结论 针对模糊C-均值聚类分割算法和可能性聚类分割算法对于背景和目标颜色相近的图像分类不准确的缺陷,将类内距离与类间距离相结合作为算法的测度有效的解决了图像分割归类问题,并且结合直方图提出快速可能模糊聚类分割算法使其对于大篇幅复杂图像也具有适用性。     

自适应属性加权2维FCM分割算法

目的 为了提高2维直方图模糊C均值聚类分割算法的抗噪性和普适性,提出了属性加权2维直方图模糊C均值聚类分割新方法。方法 针对2维直方图模糊C均值聚类分割算法存在阈值参数选取不当导致抗噪性能差的不足,将属性加权引入2维直方图模糊C均值聚类并有效解决了每维属性聚类贡献度的问题。结果 本文算法相比2维直方图模糊C均值聚类分割法抗椒盐和高斯噪声性能平均提高了2～3 dB;同时,相比模糊局部C均值聚类分割法抗椒盐噪声性能平均提高了2～3 dB且抗高斯噪声性能稍差大约1 dB,但本文算法相比模糊局部C均值聚类分割法的速度平均提高了大约40倍。结论 实验结果表明,本文算法相比现有2维直方图模糊C均值聚类算法更适合噪声图像分割;同时,相比模糊局部C均值聚类算法更有利于实时性要求较高场合的目标跟踪和识别等需要。同时从大量图像测试得出,本文算法对于一般人工合成图像、智能交通图像及遥感图像等具有普遍适用性。     

3维灰度矩阵的钢板缺陷图像识别

目的 钢板表面缺陷的种类多样、灰度结构复杂,现有的图像分割技术运用在灰度结构复杂、目标边缘模糊的钢板缺陷图像中仍然存在识别效率低、过分割现象明显等问题,本文结合图像灰度矩阵的空间特征,提出一种基于3维灰度矩阵的钢板表面缺陷识别算法。方法 首先根据灰度图像构建3维灰度矩阵;然后引入半类间方差改进克里金插值算法,绘制3维灰度矩阵的等值线图;接着构建等值线的拓扑关系树;最后根据自定义的全局搜索策略和局部搜索策略相结合,寻找局部凹凸区域,从而定位缺陷区域,达到分割钢板表面缺陷的目的。结果 本文方法能有效地识别钢板表面缺陷区域,对光照变化不敏感,在保证低误差率的前提下,提高了有效分割率。通过对氧化、辊印、结疤和气泡四类钢板缺陷图像进行测试,从分割效果和评价指标两方面对比其他钢板缺陷分割算法。与Fisher阈值分割法、经典的活动轮廓模型CV模型、基于半局部区域描述符的活动轮廓模型HTB模型和改进背景差分法进行分割效果对比,本文方法对四类钢板表面缺陷的识别更精确,分割结果更细致,一定程度上抑制了过分割现象。与大津法Ostu、1维最大模糊熵法1DMFE、最大模糊超熵法MFEE进行评价指标对比,得出对于分割孔洞和辊印图像,本文方法在误分割率均保持在2.0%以下的前提下,将有效信息率分别提升了1.6%和2.1%;对于夹杂图像,本文方法在3.4%的误分割率的前提下,具有85%以上的有效信息率。结论 提出的基于3维灰度矩阵的钢板缺陷图像识别算法可以有效地识别多种类型的钢板缺陷,即使在缺陷结构复杂的图像识别中仍具有较高的识别率。     

图匹配算法激光扫描点云树干分割

目的 移动激光扫描系统能够成功采集丰富的城市行道树侧边信息,然而由于点云数据规模大、密度欠均匀和噪声多等原因,导致行道树的提取精度和效率偏低。为此,本文提出一种基于层次聚类的算法从移动激光扫描点云中提取树干。方法 采用自下而上的聚类策略合并目标区域,基于点云间欧氏距离和点云的局部主方向计算聚类所需的邻近矩阵,通过构造能量函数评估不同的簇合并方案,将能量函数最小化问题转换为计算二分图匹配问题,求解二分图的最小代价完美匹配获得全局最优的层次聚类。结果 实验在公开的巴黎场景数据集与自采集的南京黄埔路场景数据集上进行测试,本文提出的自下向上的聚类算法成功地从点云中提取出树干和主要树枝点,其中提取树干的平均正确率、完整率和F-score分别为98.5%、94.8%和0.97,与其他算法中最好的实验结果对比,分别提高了1.0%、0.6%和0.02。结论 实验结果表明,本文算法通过优化层次聚类中的簇合并,可以有效减少聚类中的“过分割”和“欠分割”,提高点云中树干的分割精度与效率。     

图卷积网络下牙齿种子点自动选取

目的 选取牙齿种子点是计算机正畸中常用牙齿分割方法的关键步骤。目前业内大部分牙齿正畸软件都采用需要交互标记的分割方法,通过人机交互在3维牙颌模型上选取每一颗牙齿的种子点,效率较低。针对这一问题,提出基于特征导向的图卷积网络（feature-steered graph convolutional network,FeaStNet）牙齿种子点自动选取方法。方法 通过分析每个牙齿类型的种子点位置和最终分割效果,设立统一的规则,建立了牙颌模型的种子点数据集;利用特征导向的图卷积构建了新的多尺度网络结构,用于识别3维牙颌模型上的特征信息,为了更好地拟合牙齿特征,加深网络模型的深度;再通过训练调整参数和多尺度网络结构,寻找特定的种子点,使用均值平方差损失函数对模型进行评估,以提高预测模型的精确度;把网络寻找出的特征点作为基础点,在牙颌模型上找出与基础点距离最近的点作为种子点,如果种子点位置准确,则根据种子点将牙齿与牙龈分割开。对于种子点位置不准确的结果,通过人工操作修正种子点位置,再进行分割。结果 实验在自建的数据集中测试,其中种子点全部准确的牙颌占88%,其余情况下只需要调整部分不准确种子点的位置。该方法简单快速,与现有方法相比,需要较少的人工干预,提高了工作效率。结论 提出的种子点自动选取方法,能够自动选取牙齿种子点,解决牙齿分割中需要进行交互标记的问题,基本实现了牙齿分割的自动化,适用于各类畸形牙患者模型的牙齿分割。     

结合基因表达式编程与空间模糊聚类的图像分割

目的 针对模糊C-均值聚类图像分割方法存在的对初始值敏感及抗噪性能差的问题,提出一种结合基因表达式编程与空间模糊聚类的图像分割方法。方法 首先,利用基因表达式编程算法对图像进行初次分割,即将聚类中心编码成染色体,通过适应度评价引导搜索获得优化的聚类中心;然后在隶属度计算中引入空间函数,以初次分割结果作为初始值,使用空间模糊聚类对图像进行二次分割。结果 对加噪的合成图像和Berkeley图像的分割实验显示,本文方法在聚类划分系数（VPC）、聚类划分熵（VPE）和峰值信噪比（PSNR）等评价指标上总体性能优于经典的模糊C-均值聚类和空间模糊C-均值聚类分割算法,其中VPC值平均高出0.062 4和0.061 1,VPE值平均降低0.117 0和0.101 1,而PSNR值平均提升了约13.312 1 dB和3.308 4 dB;在对Berkeley图像库中的6幅图片的分割实验显示,本文方法对图像分割的VPC值均在0.93以上,相比两种对比方法平均提高0.157 6和0.013 3,VPE值保持在0.1附近,均低于对比方法,PSNR值平均提高2.896 3 dB和1.934 4 dB;在多目标分割实验上,随着聚类数目增加,3种方法的分割性能均有下降,但本文方法性能曲线最为平缓,受聚类数目的影响最小。虽然本文方法所需的运行时间略有增加,但求解所需的迭代次数却极大地减少。结论 本文提出的图像分割方法具有很强的抗噪性、更高的分割精度和稳定性,适用于需要更精确结果、对时间要求不高的分割场景。     

应用球形算子层次聚类的3维冠脉跟踪提取

目的 计算机断层血管造影术（CTA）是冠脉疾病诊疗过程中最为常用的成像方法之一。然而造影图像中冠脉与其周边组织的灰度分布较为接近,冠脉整体结构的识别较为困难。为此提出一种基于方向聚类的冠脉结构跟踪提取方法。方法 该方法首先使用闭运算及灰度拉伸对影像进行预处理,然后在选定的种子点构造球形算子,该球形算子由多对方向相反且从球心指向球壳的射线组成,通过对多组数据进行分析得到血管在球形算子内部的灰度差异率特征,对灰度差异率特征曲线构造2维凸包可得到射线与血管壁的交点,以此获得血管段的分割结果以及指向血管走势的方向向量的集合,应用最小距离层次聚类法对向量集合进行分类得到跟踪方向,遍历整条血管完成对冠状动脉的分割。结果 实验结果表明,本文方法能够获得较为精确的冠脉提取结果,与近年流行算法相比在临床有效血管段的跟踪上具有一定优势。能够达到0.39 mm的跟踪精度。结论 本文方法的优势在于所提出的球形算子对不同形态的3维血管具有较好的适应性和鲁棒性。用于向量分类的层次聚类方法无需训练,算法自动化程度高,且分类较为准确。血管跟踪提取方法精度较高。     

参考1维光谱差异的区域生长种子点选取方法

目的 区域生长法是遥感影像分割中常用的算法,该算法首先选取适当的像元作为生长的起始点（种子点）。现有的种子点选取方法存在种子点数目较多、效率低以及地物细节种子点不足等问题。针对种子点选取存在的问题,提出一种基于1维光谱差异的区域生长种子点的选取方法。方法 首先计算像元间1维（水平、竖直）方向上的光谱差异,然后选取光谱差异的局部极小值作为种子点,最后对种子点进行优选,得到区域生长的起点。结果 应用本文方法选取种子点,对高分辨率的IKONOS遥感影像进行了区域生长。将实验结果与分形网络演化方法及Kernel Graph Cuts方法的分割结果进行了目视对比,并且分别计算了3种方法所得分割结果的基元内部同质性和基元间相关性的评价指数。目视比较的结果表明,本文的种子点选取方法能够为区域生长提供具有代表性的种子点,得到了精细的分割结果。在定量评价上,本文方法也表现出了数值优势,各波段分割质量指数均提高15%以上。结论 提出的种子点选取方法能够为高分辨率遥感图像的区域生长分割提供具有代表性的种子点,产生精细的分割图像,对于地物细节有良好的分割效果,具有较高的实用价值。     

自适应K-means聚类的散乱点云精简

目的 点云精简是曲面重建等点云处理的一个重要前提,针对以往散乱点云精简算法的精简结果存在失真较大、空洞及不适用于片状点云的问题,提出一种自适应K-means聚类的点云精简算法。方法 首先,根据k邻域计算每个数据点的曲率、点法向与邻域点法向夹角的平均值、点到邻域重心的距离、点到邻域点的平均距离,据此运用多判别参数混合的特征提取方法识别并保留特征点,包括曲面尖锐点和边界点;然后,对点云数据建立自适应八叉树,为K-means聚类提供与点云密度分布相关的初始化聚类中心以及K值;最后,遍历整个聚类,如果聚类结果中含有特征点则剔除其中的特征点并更新聚类中心,计算更新后聚类中数据点的最大曲率差,将最大曲率差大于设定阈值的聚类进行细分,保留最终聚类中距聚类中心最近的数据点。结果 在聚类方面,将传统的K-means聚类和自适应K-means聚类算法应用于bunny点云,后者在聚类的迭代次数、评价函数值和时间上均优于前者;在精简方面,将提出的精简算法应用于封闭及片状两种不同类型的点云,在精简比例为1/5时fandisk及saddle模型的精简误差分别为0.29×10^-3、-0.41×10^-3和0.037、-0.094,对于片状的saddle点云模型,其边界收缩误差为0.030 805,均小于栅格法和曲率法。结论 本文提出的散乱点云精简算法可应用于封闭及片状点云,精简后的数据点分布均匀无空洞,对片状点云进行精简时能够保护模型的边界数据点。     

基于特征矩阵相似性度量的形状对应性分析

针对快速、高效的三维模型形状分析与匹配技术的迫切需求,提出了融合内蕴热核特征与局部体积特征的三维模型对应形状分析方法。首先,通过拉普拉斯映射以及热核分布提取模型的内蕴形状特征;其次,结合模型热核特征的稳定性与局部空间体积的显著性,建立特征匹配矩阵;最后,通过特征矩阵相似性度量及最短路径搜索实现模型的配准与形状匹配分析。实验结果表明,融合热核距离以及局部体积约束的形状分析方法不仅有效地提高了模型匹配的效率,而且能够有效地识别同一类模型的结构特征,可以应用于进一步实现多组模型的协同分割与模型检索。     

Circulant dissimilarity-based shape registration for object segmentation

ABSTRACT

A shape prior-based object segmentation is developed in this paper by using a shape transformation distance to constrain object contour evolution. In the proposed algorithm, the transformation distance measures the dissimilarity between two unaligned shapes by cyclic shift, which is called ‘circulant dissimilarity’. This dissimilarity with respect to transformation of the object shape is represented by circular convolution, which could be efficiently computed by using fast Fourier transform. Given a set of training shapes, the kernel density estimation is adopted to model shape prior. By integrating low-level image feature, high-level shape prior and transformation distance, a variational segmentation model is proposed to solve the transformation invariance of shape prior. Numerical experiments demonstrate that circulant dissimilarity-based shape registration outperforms the iterative optimization on explicit pose parameters, and show promising results and highlight the potential of the method for object registration and segmentation.     

核空间中智模糊聚类及图像分割应用

目的 为了更有效地提高中智模糊C-均值聚类对非凸不规则数据的聚类性能和噪声污染图像的分割效果,提出了核空间中智模糊均值聚类算法。方法 引入核函数概念。利用满足Mercer条件的非线性问题,用非线性变换把低维空间线性不可分的输入模式空间映射到一个先行可分的高维特征空间进行中智模糊聚类分割。结果 通过对大量图像添加不同的加性和乘性噪声进行分割测试获得的核空间中智模糊聚类算法提高了现有算法的对含噪声聚类的鲁棒性和分类性能。峰值信噪比至少提高0.8 dB。结论 本文算法具有显著的分割效果和良好的鲁棒性,并适应于医学,遥感图像处理需要。     

基于非均匀热扩散的交互式图像分割算法

交互式图像分割是图像分割中的重要分支,在现实生活和医学领域都有着广泛的应用。该文基于计算测地距离的热方法,引入了热扩散系数,提出了一种基于非均匀热扩散的交互式图像分割算法。该算法利用图像的颜色信息构造三角网格作为热扩散的媒介,首先由热方程找到距离增加的方向,再利用泊松方程还原测地距离。将前景中人工交互区域上的热流扩散速度增加,则前景不同部分之间的测地距离变小,消除了内部边界,通过设置外部边界分割限制条件,即可实现完整的前景分割。算法仅需求解两个稀疏线性方程组,鲁棒性强、精度高且更易于操作。同时,拉普拉斯算子和梯度算子的预计算可以被多次重用,减少了内存占用和时间消耗。大量交互式图像分割实验结果表明:该算法无需过多的用户交互信息,即可将现实图像中的复杂前景快速准确地分割出来。     

Pose-oblivious shape signature

A 3D shape signature is a compact representation for some essence of a shape. Shape signatures are commonly utilized as a fast indexing mechanism for shape retrieval. Effective shape signatures capture some global geometric properties which are scale, translation, and rotation invariant. In this paper, we introduce an effective shape signature which is also pose-oblivious. This means that the signature is also insensitive to transformations which change the pose of a 3D shape such as skeletal articulations. Although some topology-based matching methods can be considered pose-oblivious as well, our new signature retains the simplicity and speed of signature indexing. Moreover, contrary to topology-based methods, the new signature is also insensitive to the topology change of the shape, allowing us to match similar shapes with different genus. Our shape signature is a 2D histogram which is a combination of the distribution of two scalar functions defined on the boundary surface of the 3D shape. The first is a definition of a novel function called the local-diameter function. This function measures the diameter of the 3D shape in the neighborhood of each vertex. The histogram of this function is an informative measure of the shape which is insensitive to pose changes. The second is the centricity function that measures the average geodesic distance from one vertex to all other vertices on the mesh. We evaluate and compare a number of methods for measuring the similarity between two signatures, and demonstrate the effectiveness of our pose-oblivious shape signature within a 3D search engine application for different databases containing hundreds of models     

核空间广义均衡模糊C-均值聚类算法

目的 针对现有广义均衡模糊C-均值聚类不收敛问题,提出一种改进广义均衡模糊聚类新算法,并将其推广至再生希尔伯特核空间以便提高该类算法的普适性。方法 在现有广义均衡模糊C-均值聚类目标函数的基础上,利用Schweizer T范数极限表达式的性质构造了新的广义均衡模糊C-均值聚类最优化目标函数,然后采用拉格朗日乘子法获取其迭代求解所对应的隶属度和聚类中心表达式,同时对其聚类中心迭代表达式进行修改并得到一类聚类性能显著改善的修正聚类算法;最后利用非线性函数将数据样本映射至高维特征空间获得核空间广义均衡模糊聚类算法。结果 对Iris标准文本数据聚类和灰度图像分割测试表明,提出的改进广义均衡模模糊聚类新算法及其修正算法具有良好的分类性能,核空间广义均衡模糊聚类算法对比现有融入类间距离的改进模糊C-均值聚类(FCS)算法和改进再生核空间的模糊局部C-均值聚类(KFLICM)算法能将图像分割的误分率降低10%30%。结论 本文算法克服了现有广义均衡模糊C-均值聚类算法的缺陷,同时改善了聚类性能,适合复杂数据聚类分析的需要。     

基于变形与测地距离一致性约束的3D面皮点对应

针对三维面皮生理点对应关系建立这一难题,充分考虑测地距离在描述复杂几何体表面形状方面的优势,提出了基于变形与测地距离一致性约束的3D面皮生理点对应方法。首先在Frankfurt坐标变换后标定面皮特征点集,利用特征点对应关系进行TPS变形;然后根据特征点几何特征向量建立初始点对应关系集,并利用测地距离一致性约束对其进行修剪以生成对应关系核心集;最后扩展对应关系核心集,直至确定源模型上每一顶点的对应关系。实验表明,该方法提高了点对应关系准确度,可有效建立三维面皮生理点对应关系。     

体积分布的三维模型形状分析方法

针对目前形状分析方法的局限性,提出了一种融合可视化体积的网格模型形状分析方法。该方法采用ray-shooting法计算每个顶点对应的模型内部可视化体积,建立可视化体积视图,对模型进行表面及内部的形状分析。实验结果表明,基于三维模型可视化体积的方法可以描述模型的局部和全局特征,为有效地实现模型的形状分析与匹配奠定基础。