薛玉利
(山東青年政治學院 信息工程學院，山東 濟南 250103)
摘要：提出一種最大極值區(qū)域（MSERs）結(jié)合分水嶺變換的粘連交通標志分離算法。首先通過MSERs對圖像進行二值化，選取在多個二值圖像中形狀均保持不變的區(qū)域作為候選標志區(qū)域；然后，判斷是否為粘連標志，若是則用分水嶺變換分離；最后提取單個標志。實驗結(jié)果表明，該算法能夠有效分離粘連交通標志，提取到完整的單個交通標志。
關鍵詞： MSERs；分水嶺變換；粘連標志
0引言
利用顏色分割來檢測交通標志的算法主要采用RGB［1］、YUV和HIS等顏色空間，因為RGB顏色特征對光照變化非常敏感，人們又提出了歸一化RGB［2］和MSERs［3］來改進。在檢測中，如果多個交通標志距離較近，分割后的圖像會出現(xiàn)互相粘連的情況（通常為2~4個），在去除干擾區(qū)域時，粘連的標志區(qū)域被誤濾除，降低了交通標志檢測性能。目前的檢測算法對這個問題關注較少，在參考文獻［4］中，BUIMINH T等提出兩種分離粘連標志的算法，第一種算法利用粘連標志內(nèi)部區(qū)域之間不連通的特性進行分離，當遮擋程度高時，分離效果差；第二種算法利用分水嶺變換分離，不受遮擋程度的約束，但算法計算成本較高。參考文獻［5］采用歸一化RGB方法對圖像分割，對每一個候選標志區(qū)域進行分水嶺變換，計算成本較參考文獻［4］有明顯提高，但是在圖像二值化時采用單一閾值，提取的標志存在斷裂、不連續(xù)等問題，影響了后續(xù)的檢測和識別。
本文針對上述問題，提出一種基于MSERs和分水嶺變換的粘連交通標志分離算法，利用多個閾值對圖像進行二值化，選取在多個二值圖像中形狀均保持不變的區(qū)域作為候選標志區(qū)域，然后對其進行分離處理，可以有效提取出交通標志，而且對光照變化魯棒性更強。
1基于MSERs的圖像分割
1.1交通標志的MSERs提取
圖像轉(zhuǎn)換為歸一化紅藍圖像ΩRB的公式為：
ΩRB可以提取出紅、藍色像素值最高的像素，有利于檢測紅、藍色的標志。設定標志的閾值范圍為［90,150］，均勻選擇12個閾值對ΩRB二值化。如果某個連通區(qū)域的形狀在幾個閾值的二值圖像中均保持不變，則選作候選標志區(qū)域。
1.2排除干擾區(qū)域
將候選區(qū)域進行孔洞填充，將像素數(shù)小于80或大于2 000的區(qū)域判為干擾區(qū)域，將其濾除。
對于候選標志區(qū)域，設定縱橫比參數(shù)閾值ARth。圓形或正方形標志最小外接矩形的縱橫比為1；三角形標志的縱橫比為0.87（水平放置）或1.15（垂直放置）?？紤]到交通標志傾斜、旋轉(zhuǎn)及攝像裝置的放置位置等問題，容許各種形狀標志的縱橫比在一個范圍內(nèi)。不同數(shù)量的粘連標志的縱橫比范圍如表1所示。
當候選標志區(qū)域的縱橫比擊中［0.8,1.3］時，判定為1個標志，直接提??；如果縱橫比擊中2、3、4個標志的閾值區(qū)間時，判定為粘連標志，提取該連通區(qū)域。
2基于分水嶺變換的粘連標志分離
距離變換的圖像可以看做一個分水嶺地形結(jié)構(gòu)，需要通過分水嶺變換找到分水嶺脊線。
令M1，M2，…，MR是表示圖像G(x,y)的區(qū)域最小點的坐標的集合。令C(Mi)是標志與區(qū)域最小值Mi相聯(lián)系的匯水盆地中的點的坐標集合。令T［n］表示滿足G(s,t)<n的坐標(s,t)的集合。即：
T［n］={(s,t)|G(s,t)<n}(2)
令Cn(Mi)表示匯水盆地中與淹沒階段n的最小值Mi相關聯(lián)的點的坐標集。則Cn(Mi)可看成是由下式給出的一幅二值圖像。
Cn(Mi)=C(Mi)∩T［n］(3)
令C［n］表示在階段n中已被水淹沒的匯水盆地的“并”。令C［max+1］表示所有匯水盆地的“并”。即：
C［n］=∪Ri=1CnMi(4)
C［max+1］=∪Ri=1C(Mi)(5)
顯然，C［n-1］是C［n］的一個子集，因為C［n］是T［n］的一個子集，所以C［n-1］可以理解為是T［n］的一個子集。即C［n-1］中的每一個連通分量都恰好包含在T［n］的一個連通分量中。
尋找分水線的算法使用C［min+1］=T［min+1］來初始化，然后利用遞歸處理由C［n-1］計算C［n］，最終可以得到1個像素寬的分水嶺脊線，對脊線求補，將粘連的連通區(qū)域與脊線的補進行“與”操作，即可得到被脊線分離的區(qū)域ROI。設ROI的高、寬分別為h、w，滿足式(6)的ROI被判斷為單個標志，不滿足的則認為是干擾區(qū)域。
3實驗結(jié)果與分析
為了驗證本文算法的有效性，分別對德國交通標志集GTSDB和濟南市區(qū)的交通標志集進行測試。GTSDB中粘連標志圖像20幅，涉及粘連的交通標志60個。濟南數(shù)據(jù)集是在汽車速度為30~80 km/h，由行車記錄儀在不同時間采集的城市道路圖像，共有477幅圖像，其中粘連標志圖像50幅，涉及粘連的標志150個，其中紅色標志83個，藍色標志67個。
對于粘連的標志圖像，分別采用參考文獻［5］的RGBN算法和本文的MSERs算法進行二值化，出現(xiàn)了兩種情況：(1) RGBN算法出現(xiàn)粘連標志，MSERs未出現(xiàn)粘連標志；(2) 兩種算法均出現(xiàn)粘連標志。
第一種情況如圖1所示。為了觀察方便，分別對兩種算法的粘連標志進行了局部放大。
由圖1可以看出，RGBN算法的閾值單一，在圖像分割中，出現(xiàn)了交通標志粘連、區(qū)域不連續(xù)等問題。MSERs算法選取多個閾值，其中有幾個接近最佳閾值，所以MSERs的分割效果比RGBN的好。
對GTSDB中20幅粘連標志圖像分別用兩種算法分割，統(tǒng)計是否出現(xiàn)粘連標志的結(jié)果如表2所示。
第二種情況兩種分割算法均出現(xiàn)粘連，此時需要進行分離。實驗結(jié)果如圖2所示。
由圖2可以看出，RGBN算法導致三角形標志不連續(xù)，后續(xù)的孔洞填充中該標志填充失敗，且三角形的不連續(xù)邊緣粘連在右下角的圓形標志上，在分水嶺變換中無法將二者分離。在判斷分離后的標志是否為單個標志時，因不滿足縱橫比條件導致右下角的圓形標志被濾除。兩種算法的分離結(jié)果如表3所示。
本文算法還適于紅色和藍色標志粘連、藍色標志之間粘連的情況。因為MSERs得到的是歸一化紅藍圖像，當出現(xiàn)紅色、藍色之間標志粘連時，也可以用本文算法進行分離處理。實驗結(jié)果如圖3所示。
對于濟南市區(qū)的數(shù)據(jù)集，采用參考文獻［5］ 與本文算法分割，實驗結(jié)果如表4所示。
由表3、4可以看出，參考文獻［5］僅對紅色交通標志進行實驗分析，采用RGBN分割算法，導致部分標志分割后出現(xiàn)斷裂、不連續(xù)等問題，因而無法定位這些標志。本文算法基于MSERs算法，采用多個閾值分割，可以獲得較完整的交通標志，最后成功定位交通標志，并且該算法同時適用于紅色和藍色的交通標志。
4結(jié)束語
本文提出了一種基于MSERs和分水嶺變換分離粘連交通標志的算法，實驗證明，該方法能夠有效分離粘連的交通標志，定位單個標志，為后續(xù)的交通標志識別打好基礎。MSERs方法采用多個閾值對圖像進行二值化，可以獲得比RGBN方法更好的分割效果。
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