一种海面溢油图像分割方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及海洋污染处理领域，特别涉及一种海面溢油图像分割方法。
【背景技术】
[0002] 随着海洋石油工业和海上石油运输业的迅速发展，海上石油勘探、开发、海底管线 铺设规模的不断扩大，石油设施已成为海洋环境污染的重大危险源。海上溢油给海洋环境 和海洋生态带来了严重的污染。保护海洋环境，防止海洋表面污染已成为目前迫切需要解 决的问题。为防止海面溢油污染，多种卫星被部署用来执行跟踪监测海上溢油的日常任务。 卫星传回的海面实时图像用于检测海面溢油情况。为有效的检测海面图像中的溢油区域， 各式各样的溢油分割方法相继涌现。目前海面溢油分割方法大多是传统的图像分割方法， 如阈值分割，区域分割，边缘检测等。尤其是阈值分割作为一种传统的图像分割方法，因其 实现简单、计算量小、性能稳定而成为海面溢油图像分割常用的方法。
[0003] 阈值分割利用图像中要提取的目标区域与其背景区域的差异，把图像看作具有不 同灰度级的两类区域（目标区域和背景区域）的组合，选取一个比较合理的阈值，以确定 图像中每个像素点所属的类别区域。为了得到海面溢油图像中溢油区域与背景区域的阈 值，首先得到图像的灰度直方图。对于含有溢油现象的海面溢油图像，其灰度直方图都表现 为存在两个峰值，一般选取两峰之间的极小值作为阈值来区分油膜和背景海水区域。基于 阈值分割的海面溢油图像分割虽然能分割出溢油区域，但它只考虑了图像单个像素的灰度 值，没有考虑像素之间的相关性，包含的信息少，分割准确性太差。假如图像包含溢油区域 的大小不合适，灰度直方图只能出现一个峰值，阈值法不再适用，并且噪声的存在也使得检 测出的溢油区域不尽如意。
[0004] 为克服传统图像分割方法应用于海面溢油图像分割中的问题，GraphCuts被用于 海面溢油图像分割中。将海面溢油图像中的每个像素看作一个布尔变量，按照一定的规则 构建二次布尔能量函数，然后根据能量函数构建相应的s/t图，二次布尔能量函数中每一 布尔变量对应s/t图的一个节点，再利用最小割/最大流算法切割s/t图得到s/t图的最 小割，此时s/t图各节点对应变量的取值使得二次布尔能量最小化。将二次布尔能量最小 化时取值为1的布尔变量相对应的像素标为溢油区域，取值为0的布尔能量对应的像素标 为非溢油区域，便得到了最优的溢油区域。
[0005] 以上基于GraphCuts的溢油分割算法能有效的分割出大片完整的油膜区域，对 细长条的油膜带分割效果不佳。为有效分割细长条的溢油区域，高阶能量函数被用于海面 溢油图像分割中，在一定程度上可以较为精确的分割长条状溢油带。但基于高阶能量函数 的溢油分割方法会导致边缘扩散现象，分割出的溢油区域的边缘有向非溢油区域扩散的趋 势，产生带有毛刺的溢油分割结果，影响溢油分割精度。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有技术中的不足，本发明针对以上缺点，将保边滤波与高阶能量函 数的图像分割算法相结合，发明了一种新的海面溢油图像分割方法，有效分割细长条的溢 油区域，可以一定程度上抑制分割过程中的边缘扩散现象，从而提高了分割准确性。
[0007] 本发明的技术方案是：
[0008] 具体为构建高阶布尔能量函数，其包含一阶判定项与高阶親合项。一阶判定项由 单像素能量函数项与保边滤波器函数卷积求得，具有较好的保护溢油区域边缘的效果；高 阶耦合项能够计算像素子集中的同类成对近邻像素的耦合性，有益于精确地分割出长条状 溢油带。构造出的布尔能量函数由最大流/最小割方法求取最小值，能量最小时各布尔变 量的取值对应海面溢油图像中溢油区域最优的分割方式。
[0009] 一种海面溢油图像分割方法，包括以下步骤： 「00101 击碟1，首生设帝'初始一阶判帝'工面
【主权项】
1. 一种海面溢油图像分割方法，包括以下步骤： 步骤1 :首先设定初始一阶判定项
其中，p为像素的标号，ip为像素p的灰度值，xp是与像素p对应的布尔变量，n为阈 值；
式⑵中，Wk为中心在元素k处邻域大小为（2r+l)X(2r+l)的区域中原始一阶判定项 元素集合，|?|为集合wk内原始一阶判定项元素数目，A为防止ak(Xp)过大的标准化参数， ak(xp)和bk(xp)分别如以下两式所示：
其中，Uk(xp)和4(.\)为集合wk内原始一阶判定项元素值的均值和方差，
步骤2 :其次设定高阶耦合项 首先为海面溢油图像中每一近邻像素对{p，q}设置权重如下：
其中，T为所有|lp_Iq|2的均值； 对于同一类近邻像素对集合对应的像素子集g，高阶耦合项为深度随机场模型中的分 段平滑线性耦合函数的形式，如下所示：
其中，Xg是像素子集g对应的布尔变量集，a，0和Y是人工设定的参数，a用以均 衡一阶判定项和高阶耦合项的比重，0和y用以确定ep，q(Xp_XpXq)的分段截断点位置与后 段斜率； 步骤3 :构建高阶布尔能量函数 AT
式（7)中Ep(xp)是一阶判定项，Eg(Xg)是高阶耦合项；P= {1，2, ? ? ? ?，N}为海面溢油 图像像素标号集，N为图像中像素个数；X= {Xl，x2，…，％}是与图像整体像素集对应的布 尔变量集，其中的元素\为海面溢油图像中像素P的类别标签值，只能取值〇或1 ;gGP， g代表P中一类像素子集，像素子集中的各近邻像素对彼此相似，而与子集外的近邻像素对 差异较大；&eX，\是g对应的布尔变量子集； E⑴取最小值时，X= {Xl，x2，…，％}中各元素的取值代表海面溢油图像中溢油区域最 优的分割方式；若xp取0,表不像素p分割到溢油区域；若xp取1，表不像素p分割到非溢 油区域。
2.根据权利要求1所述的海面溢油图像分割方法，其特征在于，步骤3中E(X)最小值 的计算方法如下： 首先构造s/t图，海面溢油图像中的每一个像素点均对应s/t图中的一个节点；顶点S和T与普通节点之间的连边称为T-link，权重为布尔能量函数（7)中对应一阶项系数；普 通节点之间的连边称为N-link，权重为降阶后的布尔能量函数（7)中二阶项系数； 其次用最大流/最小割算法切割s/t图，在切割后的s/t图中，与S相连的节点对应的 像素标为〇,与T相连的节点对应的像素标为1 ;而非溢油区域的像素xp对应取值为1的布 尔变量，溢油区域的像素xp对应取值为0的布尔变量。
【专利摘要】本发明涉及海洋污染处理领域，特别涉及一种海面溢油图像分割方法。具体为构建高阶布尔能量函数，其包含一阶判定项与高阶耦合项。一阶判定项由单像素能量函数项与保边滤波器函数卷积求得，具有较好的保护溢油区域边缘的效果；高阶耦合项能够计算像素子集中的同类成对近邻像素的耦合性，有益于精确地分割出长条状溢油带。构造出的布尔能量函数由最大流/最小割方法求取最小值，能量最小时各布尔变量的取值对应海面溢油图像中溢油区域最优的分割方式。发明可以在一定程度上克服分割长条状溢油区域过程中边缘扩散现象的影响，提高分割准确性。
【IPC分类】G06T7-00
【公开号】CN104574427
【申请号】CN201510057812
【发明人】任鹏, 邸萌萌, 宋华军
【申请人】中国石油大学(华东)
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年2月4日