林堅(jiān)普，王衛(wèi)星,2，嚴(yán) 群，郭太良，姚劍敏，林志賢，白莉娜

(1.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福州 350108;2.瑞典皇家工學(xué)院,斯德哥爾摩SE-10044)

經(jīng)過(guò)爆破或者自然崩落法采集的礦巖塊，其尺寸和形狀的分布是評(píng)價(jià)生產(chǎn)質(zhì)量的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的測(cè)量方式主要是人工測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，最常用的方法是制作不同尺寸的篩子進(jìn)行塊度的篩分。但在骨料(礦巖塊度)生產(chǎn)中，由于礦巖塊度的堅(jiān)硬程度和設(shè)備材質(zhì)，以及設(shè)備磨損等因素的影響，導(dǎo)致篩分測(cè)量效率不夠高，而且設(shè)備的投入成本較大，效益低。所以，研究一種方法快速準(zhǔn)確地獲取礦巖塊的形狀及尺寸參數(shù)信息對(duì)提高生產(chǎn)效率及生產(chǎn)自動(dòng)化程度有實(shí)際意義。自20世紀(jì)末開(kāi)始，隨著數(shù)字圖像處理和分析技術(shù)的快速發(fā)展，人們開(kāi)始將圖像處理技術(shù)應(yīng)用于礦巖塊度的測(cè)量與分析及在線檢測(cè)/監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中[1-6]。在20世紀(jì)90年代也曾研發(fā)過(guò)礦巖塊度測(cè)量和分析系統(tǒng)[1]：一種是人機(jī)交互的測(cè)量分析系統(tǒng)；另一種是在線檢測(cè)系統(tǒng)。近幾年來(lái)，這方面的研究越來(lái)越多[2-6]，但熱點(diǎn)之一仍然是運(yùn)輸帶上礦巖塊度的精確提取問(wèn)題。為了避免塊度重疊及表面紋理和三維信息給從運(yùn)輸帶上獲取的圖像分割帶來(lái)的困難，本文的檢測(cè)系統(tǒng)在傳送帶末端利用CCD視頻相機(jī)，以天空為背景，獲取空中降落的礦巖塊度圖像并進(jìn)行實(shí)時(shí)在線處理(見(jiàn)圖1)。該方法能夠獲取清晰的礦巖塊度在空中的投影并可對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的全天候測(cè)量和分析，并對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量做出評(píng)價(jià)及自動(dòng)控制。

圖1 礦巖塊度在運(yùn)輸帶上及降落流中的情況對(duì)比Fig.1 Comparison of rock fragments on a conveyor belt and in a falling stream

為了滿足在線檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，閾值分割算法是圖像分割的一個(gè)較好的選擇?；诨叶鹊拈撝捣指钪饕歉鶕?jù)圖像中的灰度差異，將圖像分割為目標(biāo)和背景兩類。傳統(tǒng)的全局閾值分割算法針對(duì)目標(biāo)和背景亮度對(duì)比度較大的圖像有較好的分割效果，但是對(duì)于本文的礦巖塊度圖像，由于天氣及灰塵等變化原因，圖像中會(huì)存在礦巖塊度的陰影及噪聲，此外還存在一些的塊度粘連現(xiàn)象，以至于用全局閾值算法無(wú)法完全將礦巖塊度檢測(cè)出來(lái)。為了克服這一弊病及減少算法的運(yùn)算量，我們研究了一種基于模糊綜合評(píng)判的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)閾值分割算法，該算法先對(duì)圖像進(jìn)行全局閾值分割，提取各巖塊區(qū)域參數(shù)信息并進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，根據(jù)判決結(jié)果對(duì)需要的塊度區(qū)域或異常尺寸及形狀的區(qū)域，再利用閾值分割算法求取新的局部閾值，重復(fù)這一操作，直到每一塊度無(wú)可再分為止。算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算快，可達(dá)到精度要求，算法流程如圖2所示。

圖2 礦巖塊度圖像模糊自適應(yīng)閾值分割算法流程Fig.2 Working flowchart of adaptive fuzzy thresholding algorithm for rock fragment images

1 圖像預(yù)處理和初始分割

1.1 圖像的預(yù)處理

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的圖像是彩色圖像，先要對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理，以便后續(xù)處理。本文圖像背景多為藍(lán)色，而紅色成分較弱，故加大藍(lán)色的權(quán)值，減少紅色的權(quán)值，根據(jù)彩色圖像的RGB值，轉(zhuǎn)換為灰度圖像的灰度值公式如下，即灰度值X為：

X=0.11R+0.59G+0.3B

在采集圖像的過(guò)程中，圖像不可避免地受到各種因素的干擾，致使圖像中存在一些噪聲。由于光線不均，圖像中還存在不清晰問(wèn)題。這些問(wèn)題會(huì)給后續(xù)工作帶來(lái)困難，較好的圖像預(yù)處理可以降低這些因素的影響。因此，圖像的預(yù)處理主要是對(duì)圖像進(jìn)行平滑濾波處理。這里采用中值濾波方法來(lái)去除或減少那些噪聲及保持似粘連部分的弱邊界。初始處理后的結(jié)果如圖3所示。

圖3 原始圖像及其預(yù)處理圖像Fig.3 Original image and its preprocessed result

1.2 圖像初始分割

初始分割利用經(jīng)典閾值分割算法對(duì)圖像進(jìn)行全局分割，全局分割是指對(duì)整幅圖像進(jìn)行閾值分割。這樣的算法很多，為了選取合適的算法，本文選取應(yīng)用較為廣泛的閾值分割算法，如：最大類間方差法(Otsu法)、最大熵法、矩保持法、迭代法。這些算法的基本思路是：對(duì)圖像的像素灰度值運(yùn)算，確定一個(gè)灰度閾值T(0≤T≤255)，根據(jù)閾值T將整幅圖像分成兩個(gè)區(qū)域：目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域。在目標(biāo)區(qū)域中，所有的像素點(diǎn)的灰度值小于這個(gè)閾值，故在二值圖像里，目標(biāo)區(qū)域像素點(diǎn)的值設(shè)為0；而背景區(qū)域的像素點(diǎn)的灰度值小于這個(gè)閾值，在二值圖像里將背景區(qū)域的像素點(diǎn)值定為255。閾值運(yùn)算后得到二值化的圖像可用如下公式所示：

(1)

閾值分割算法的結(jié)果很大程度上依賴于對(duì)閾值的選取，因此閾值分割算法最重要的就是選取合適的閾值，這也是圖像分割算法的關(guān)鍵，下面簡(jiǎn)單介紹幾種經(jīng)典的閾值分割算法。

最大類間方差法(Otsu法)又稱大津法[7]，是日本學(xué)者大津展之在1979年提出的一種全局閾值分割算法。其基本思想是假設(shè)閾值將圖像分為目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域，然后分別計(jì)算這兩個(gè)不同區(qū)域中的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)和平均灰度值，再求目標(biāo)和背景區(qū)域之間的類間方差，最后求解使得類間方差最大且類內(nèi)方差最小的對(duì)應(yīng)灰度值T作為閾值。矩保持法是Tsai于1985年提出的[8]基于圖像矩的多閾值分割算法，其原理是在閾值分割運(yùn)算前后，保持圖像的矩不變。最大熵法的作者Kapur[9]認(rèn)為圖像中的目標(biāo)物體和背景區(qū)域是兩種不同的信號(hào)源，當(dāng)這兩類區(qū)域的熵之和為最大值時(shí)，那個(gè)對(duì)應(yīng)的灰度值也就是要求解的閾值。由熵的定義可知，如果圖像中灰度值差異小，則熵大，所以如果選取的閾值合適，圖像被分割后的結(jié)果中，各區(qū)域內(nèi)灰度值的差異較小，信息量大，即熵最大。所以，找到目標(biāo)與背景區(qū)域熵最大時(shí)對(duì)應(yīng)的灰度值即閾值。迭代法是先設(shè)定整幅圖像的一個(gè)閾值，將該初始閾值分割后得到的區(qū)域分別看作子圖像，然后利用子圖像再計(jì)算全局閾值，重復(fù)上述過(guò)程，直到所求得的閾值與前次閾值相等時(shí)，將此時(shí)的閾值作為最終的閾值。圖5及表1數(shù)據(jù)是幾種閾值算法的例子。

對(duì)圖像取全局閾值時(shí)，目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域的差異反映在圖像的直方圖中就是在兩個(gè)較大的波峰中有相對(duì)明顯的波谷，求圖像的全局閾值就是要找到這個(gè)波谷。采集到的礦巖塊圖像直方圖多為波谷較明顯的圖像(圖4)，利用上述算法得到的閾值，都基本上落在直方圖的波谷區(qū)，但最好算法的選取還要根據(jù)圖像分割結(jié)果來(lái)說(shuō)明(圖5和表1)。

圖4 圖像直方圖Fig.4 Image histogram

當(dāng)圖像被預(yù)處理后，我們先利用全局閾值算法對(duì)圖像進(jìn)行初始分割。經(jīng)過(guò)對(duì)比多幅巖石塊度圖像(圖像序號(hào)0～300)的初始分割結(jié)果，并統(tǒng)計(jì)全局閾值算法的閾值，我們得到：在表1中，大津法和迭代法要相對(duì)好一些，剩余的另兩種方法所得到的全局閾值過(guò)大，致使粘連的巖石塊度較多，給進(jìn)一步分割造成困難。而進(jìn)一步的試驗(yàn)說(shuō)明：迭代法閾值算法的結(jié)果與初始閾值選取有關(guān)，初始閾值的設(shè)置有時(shí)可導(dǎo)致整幅圖像全黑或全白。對(duì)比結(jié)果說(shuō)明無(wú)論從速度還是從穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，大津法閾值算法都是最佳的閾值算法選擇。所以，我們?cè)诔跏奸撝捣指詈瓦M(jìn)一步閾值分割時(shí)，都選取大津法作為基礎(chǔ)算法。再進(jìn)一步的分割就是要分離粘連在一起的巖石塊度。

圖5 不同的閾值分割算法分割結(jié)果 Fig.5 Results of threshold algorithms:(a) Original image;(b) Otsu result; (c) Iteration result;(d) Moment-preserving result;(e) Max entropy result

2 基于模糊評(píng)判的圖像分割

初始全局閾值算法分割后的圖像為二值圖像，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)礦巖塊度的不同特征進(jìn)一步分割。全局閾值分割是直接利用整幅圖像的灰度差異特性區(qū)分出目標(biāo)和背景。但對(duì)于細(xì)節(jié)的地方，效果不一定很好。在未分離的礦巖塊度之間有陰影，及微弱灰度差異的共有區(qū)域，利用全局閾值無(wú)法分割，所以針對(duì)礦巖塊度之間有粘連現(xiàn)象的情況，利用粘連礦巖塊度的多種特征作為判斷準(zhǔn)則，作進(jìn)一步圖像分割。

表1 幾種閾值分割算法全局閾值數(shù)據(jù)結(jié)果

2.1 區(qū)域特征參數(shù)定義

利用尺寸和形狀特征，可以較為簡(jiǎn)捷地分離粘連的礦巖塊度[10-13]。礦巖塊度一般為不規(guī)則的多邊形凸包域，對(duì)于目標(biāo)區(qū)域的尺寸和形狀描述主要有以下幾種：

1)目標(biāo)的面積計(jì)算

從初始分割后的圖像中可以看出，粘連在一起的目標(biāo)物體最顯著的特征就是面積太大。面積的計(jì)算非常簡(jiǎn)單，求出區(qū)域邊界及邊界內(nèi)像素點(diǎn)的總和即可[14-15]。

2)目標(biāo)的周長(zhǎng)計(jì)算

目標(biāo)的周長(zhǎng)在區(qū)別具有簡(jiǎn)單或復(fù)雜形狀物體時(shí)非常重要。由于數(shù)字化的周長(zhǎng)的表示方法不同，所以計(jì)算方法也不同，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，我們用目標(biāo)物體邊界上的像素之和來(lái)表示周長(zhǎng)。

3)區(qū)域的形狀因子

這里的形狀因子是用來(lái)描繪一個(gè)區(qū)域與圓形接近的程度，圓形的形狀因子為1，區(qū)域的形狀與圓形的差別越大，其形狀參數(shù)與1的差值也就越大[16-17]。其定義如下：

(2)

式中：L—區(qū)域周長(zhǎng)，S—區(qū)域面積。

4)區(qū)域內(nèi)部梯度

圖像目標(biāo)區(qū)域邊界上的像素點(diǎn)，在對(duì)應(yīng)的灰度圖像中，其鄰域是灰度值的變化帶。梯度可以有效地衡量灰度值的變化。圖像在任意點(diǎn)的微分值大小可以表示灰度的變化率大小，因而我們用一階微分的值來(lái)定義梯度，若圖像為f(x,y)，在某點(diǎn)(x，y)處的梯度值可定義如下：

(3)

常用差分來(lái)近似微分，典型的梯度差分算法，表示為：

(4)

5)區(qū)域內(nèi)部的平滑度

圖像的平滑度是圖像的平滑特征之一，我們用圖像區(qū)域的灰度方差來(lái)表示圖像的平滑度。其定義如下：

(5)

2.2 礦巖塊度參數(shù)模糊綜合評(píng)判

若將巖塊的參數(shù)信息作為進(jìn)一步閾值分割的依據(jù)時(shí)，有多個(gè)因素需要考慮。如果只單獨(dú)考慮某個(gè)因素，無(wú)法得到較為準(zhǔn)確的判斷。而且每一個(gè)目標(biāo)區(qū)域是否需要作進(jìn)一步分割，多半都是模糊的，為此，可以采用模糊數(shù)學(xué)中的模糊綜合判斷方法來(lái)進(jìn)行判斷，結(jié)合圖像特性的幾個(gè)主要因素來(lái)對(duì)每一目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行判斷。模糊綜合評(píng)判的思想是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則來(lái)考慮與被評(píng)價(jià)事物相關(guān)的各種因素，從而對(duì)其做出較為合理的綜合評(píng)價(jià)[18]。

模糊綜合評(píng)判的主要三要素為：

1)確定因素集：U={u1,u2,…,um}

2)設(shè)計(jì)評(píng)語(yǔ)集：V={v1,v2,…,vn}

3)顧名思義，單因素判斷就是對(duì)單個(gè)因素ui(i=1,2，…,m)的評(píng)判，得到V上的F集(ri1,ri2,…,rin)，所以它是從U到V的一個(gè)F映射，F(xiàn)映射f可以確定一個(gè)F關(guān)系R∈μm×n，R為評(píng)判矩陣。

(6)

各評(píng)判因素相對(duì)評(píng)判結(jié)果有不同決定性，需要對(duì)各因素做加權(quán)處理。用A=(a1,a2,…,am)表示各因素的權(quán)重分配。權(quán)重集與評(píng)判矩陣合成得到綜合評(píng)價(jià)集B(b1,b2,…,bn)，模糊綜合評(píng)價(jià)集是針對(duì)各因素的綜合評(píng)判的結(jié)果，最后根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的最大隸屬度原則，選取模糊綜合評(píng)價(jià)集中最大的評(píng)語(yǔ)作為評(píng)價(jià)的結(jié)果。

由巖石塊度參數(shù)組成的因素集是整個(gè)模糊綜合評(píng)判的基礎(chǔ)，其關(guān)系到評(píng)判結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。選擇的因素應(yīng)能全面地反映巖石塊度基于灰度及形狀的特征。故此我們選取分割后的目標(biāo)區(qū)域的面積、周長(zhǎng)、形狀、梯度和平滑度為因素集成員。模糊綜合評(píng)判的結(jié)果(即評(píng)語(yǔ)集)由需進(jìn)一步分割和不需進(jìn)一步分割組成。每個(gè)因素權(quán)重值的確定方法很多，一般的方法有統(tǒng)計(jì)法和層次分析法等。其中，統(tǒng)計(jì)法需要請(qǐng)多位行業(yè)專家對(duì)因素集中的各個(gè)元素給出認(rèn)為最合適的權(quán)重，然后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。而評(píng)判矩陣的確定則需要知道各個(gè)因素單獨(dú)對(duì)評(píng)價(jià)的影響，這個(gè)評(píng)判矩陣由每個(gè)因素的隸屬度構(gòu)成，而隸屬度的確定是很關(guān)鍵的步驟，要能夠穩(wěn)定地表示每個(gè)因素屬于每個(gè)評(píng)價(jià)的頻率。通常隸屬函數(shù)的確定方法有許多，如推理法、模糊統(tǒng)計(jì)方法、三分法、二元對(duì)比排序法等。模糊統(tǒng)計(jì)方法要進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)，然后用邏輯推理的結(jié)果來(lái)確定。例如：若確定論域U上固定的元u0是否屬于論域上的一個(gè)模糊集合A*的隸屬度，那么u0是固定的，A*是動(dòng)態(tài)的集。通過(guò)做n次模糊統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)，就可以確定隸屬度：

隨著n的增大，隸屬頻率呈現(xiàn)穩(wěn)定性，穩(wěn)定的頻率就是u0對(duì)A的隸屬度。通過(guò)模糊統(tǒng)計(jì)大量的礦巖塊度圖像，由觀察統(tǒng)計(jì)圖像上礦巖塊度的粘連狀況得到每一區(qū)域各個(gè)因素對(duì)評(píng)價(jià)集的隸屬度，再通過(guò)曲線擬合，得到隸屬函數(shù)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，各個(gè)因素穩(wěn)定在某一個(gè)隸屬值，由這些隸屬值所組成的隸屬函數(shù)分別為(該擬合函數(shù)圖如圖6)：

面積的隸屬函數(shù)：(見(jiàn)圖6)

F(x)=0.008131x9-0.03741x8-

0.001882x7+0.2197x6-0.2257x5-

0.303x4+0.5725x3-0.227x2-

0.01311x+1.008

擬合的結(jié)果質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)：

SSE: 0.75，R-square: 0.982 3

周長(zhǎng)的隸屬函數(shù)(見(jiàn)圖5)：

F(x) = 0.007753x9-0.03216x8+

0.2362x7-0.1396x6-0.4537x5+

0.5318x4-0.04068x3-0.09318x+ 1.01

擬合結(jié)果的質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)：

SSE: 2.007，R-square: 0.936 1

形狀因子的隸屬函數(shù)(見(jiàn)圖5)：

F(x)=0.006222x+0.4685(x<50)

F(x)= -0.02712x4+0.1385x3-

0.1587x2-0.1711x+

0.7113 (50≤x≤275)

F(x)= 39.63x9-91.06x8-77.39x7+

193.1x6+88.61x5-111.6x4-

48356x3+12.94x2+6.111x+

0.8071(x>275)

擬合結(jié)果的質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)：

SSE: 7.29， R-square: 0.4807

梯度的隸屬函數(shù)(見(jiàn)圖5)：

F(x)=0.3408x+0.2591 (x<30)

F(x) =0.02721x9-0.1422x8+0.1277x7+

0.398x6-0.65481x5-0.1142x4+

0.4862x3-0.07631x2-0.06878x+

0.1478 (30≤x≤208)

F(x)= 0.1546x4-0.2838x3-0.2729x2

+0.7091x+0.7214 (x>208)

擬合結(jié)果的質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)：

SSE: 0.666 5，R-square: 0.875 6

平滑度的隸屬函數(shù)(見(jiàn)圖6)：

F(x)=0.3532x+0.337(x<68)

F(x) =0.1113x4-0.05123x3-

0.4865x2-0.1153x+

0.6175 (68≤x≤200)

F(x)= 0.1238x2-0.07593x+0.2963

(x>200)

擬合結(jié)果的質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)：

SSE: 1.145，R-square: 0.8072

當(dāng)擬合函數(shù)時(shí)，原始的數(shù)據(jù)先經(jīng)歸一化，再經(jīng)中心化，其中心化方式為：

(7)

式中：x—原始的數(shù)據(jù)，mean—x均值，std—標(biāo)準(zhǔn)差。相應(yīng)地，以上隸屬函數(shù)中的x均經(jīng)過(guò)中心化和歸一化的數(shù)據(jù)。這里函數(shù)分段標(biāo)準(zhǔn)則是按歸一化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行的。擬合的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)存在一定誤差，衡量擬合結(jié)果質(zhì)量?jī)?yōu)劣之評(píng)價(jià)參數(shù)是：

1)誤差平方之和SSE：The sum of squares due to error

2)確定系數(shù)：R-square

評(píng)價(jià)擬合曲線時(shí)，SSE越接近0，曲線的擬合效果越好，當(dāng)R-square越接近1，曲線的擬合效果將越好。每條擬合曲線的質(zhì)量參數(shù)都如圖所示，擬合效果均為較好(見(jiàn)圖6)。

(a) Membership function of area(b) Membership function of perimeter (c) Membership function of shape factor (d) Membership function of gradient; and (e) Membership function of smoothness圖6 礦巖塊度區(qū)域特征的五種隸屬函數(shù)Fig.6 Five membership functions of rock blocks

對(duì)于每一個(gè)巖石塊度區(qū)域，當(dāng)獲取其參數(shù)后，都可以由隸屬函數(shù)得到評(píng)價(jià)矩陣。然后再由評(píng)價(jià)矩陣和權(quán)重集來(lái)合成最終綜合評(píng)價(jià)集。權(quán)重集由統(tǒng)計(jì)分析方法得出：

A=(0.4，0.2，0.2，0.1，0.1)各因素對(duì)應(yīng)分別是：面積、周長(zhǎng)、形狀因子、梯度、平滑度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及與其它算法的比較

3.1 模糊綜合評(píng)判結(jié)果

針對(duì)初始分割后的圖像，在進(jìn)行模糊綜合評(píng)判之前，首先要獲取參數(shù)信息。然后取多幅圖像進(jìn)行分類分析，再利用標(biāo)號(hào)和邊界跟蹤來(lái)獲取每一巖石塊度的面積、周長(zhǎng)和形狀因子參數(shù)，最后計(jì)算初始處理后的灰度圖像中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)區(qū)域的梯度和平滑度參數(shù)，具體例子見(jiàn)圖5(b)和對(duì)應(yīng)的表2。所得到的參數(shù)先分別對(duì)其歸一化和中心化處理后，然后再通過(guò)隸屬函數(shù)來(lái)計(jì)算每個(gè)單獨(dú)因素的隸屬度，最后組合為評(píng)價(jià)矩陣。評(píng)價(jià)矩陣與權(quán)重集相乘后得最終評(píng)價(jià)集。

表2 最大類間方差法礦巖塊度參數(shù)

以表2中兩組礦巖塊參數(shù)為例，做模糊綜合評(píng)判。具體步驟如下：

1)因素集

(第一組數(shù)據(jù))

原始數(shù)據(jù)中心化隸屬度塊度的面積/像素377-1.609 00.067 4塊度的周長(zhǎng)/像素71-1.612 40.047 6形狀因子1.064 1-1.335 20.241 0塊度的梯度6.803 8-0.659 00.100 7平滑度116.392 4-1.296 40.076 4

(第二組數(shù)據(jù))

原始數(shù)據(jù)中心化隸屬度塊度的面積/像素200 2-0.692 9 0.708 0塊度的周長(zhǎng)/像素156-0.971 1 0.472 6形狀因子0.967 30.676 2 0.560 2塊度的梯度4.481 2-1.204 7 0.660 9平滑度142.041 5-0.761 2 0.307 8

2)評(píng)價(jià)矩陣

3)權(quán)重集

A=(0.4，0.2，0.2，0.1，0.1)

4)綜合評(píng)價(jià)集：

B1=A*R1=(0.095 6 0.804 4)；

B2=A*R2=(0.586 6 0.413 4)

根據(jù)最大隸屬度原則，判定區(qū)域1不需要進(jìn)一步分割。區(qū)域2需要進(jìn)一步分割。

3.2 最終分割結(jié)果及與其它算法的比較

實(shí)驗(yàn)選取多幅圖像進(jìn)行，算法總體運(yùn)行速度是復(fù)雜分割算法[1，13，15，19]的20倍以上(0.04秒/幅)。圖7比較了人工篩選法、初始分割和自適應(yīng)分割算法：相對(duì)于僅采用初始分割，自適應(yīng)算法的分割結(jié)果與人工篩選的結(jié)果更為接近，更能精確地得到圖像的礦巖塊度，通過(guò)對(duì)100多幅礦石塊度圖像的實(shí)驗(yàn)及分析，新算法的分割結(jié)果準(zhǔn)確率約為95%。新算法在初始分割基礎(chǔ)上，對(duì)粘連的礦巖塊度自動(dòng)進(jìn)行分離，分割的例子如圖8所示。由圖8和表3可看出，初始分割中礦巖塊度之間的陰影部分(圖中箭頭所指出處)通過(guò)局部閾值分割，都分離開(kāi)了，因此對(duì)陰影部分的分割效果較為顯著。對(duì)所得到的分割結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明：新算法與人工篩選結(jié)果接近。從圖9中的5幅圖像分割結(jié)果看出，幾種最近研究熱點(diǎn)的圖像分割算法很難解決巖石塊度粘連的難題。圖9為新算法與其它兩種類似的圖像分割算法(聚類分析及圖論最小割)[20]的比較情況，這里有四幅典型的礦巖塊度圖像。第一、二、三和四列分別是原始圖像，聚類分析結(jié)果，圖論最小割分割結(jié)果及新算法的分割結(jié)果，聚類分析的結(jié)果及圖論最小割的結(jié)果，均以不同的顏色代表分割的塊度。

圖7 人工篩選、初始分割、最終分割結(jié)果效果比較(上線為人工篩選結(jié)果，中線為最終結(jié)果，底線為初始分割結(jié)果)Fig.7 Artificial screening, initial segmentation results and final segmentation results

原始的圖像可見(jiàn)的巖塊數(shù)/塊粘連的個(gè)數(shù)/個(gè)分割的巖塊數(shù)/塊分割的精度/%第一行2322295.7第二行2642596.2第三行2632596.2第四行2332295.7總體98129495.9

從圖8～9中可以看出，聚類分析算法和圖論最小割分割算法不僅僅處理時(shí)間較長(zhǎng)(約為新算法的10～20倍)， 而又達(dá)不到實(shí)際工程所需要的圖像分割精度：對(duì)于該類礦石塊度圖像，除了粘連問(wèn)題得不到解決外，而且還有欠分割的問(wèn)題。

原始巖石塊度圖像 新算法的初分割結(jié)果 最終分割結(jié)果圖8 新算法的初始閾值分割結(jié)果與最終分割結(jié)果Fig.8 Initial image segmentation results and final segmentation results of new algorithm

原始巖石塊度圖像 聚類分析分割結(jié)果 圖論最小割分割結(jié)果 新算法分割結(jié)果圖9 新算法和其它兩種算法的分割結(jié)果Fig.9 Image segmentation results by using new algorithm and other two existing algorithms

4 結(jié)論

圖像分割是礦巖塊度在線檢測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，通常的全局閾值分割算法計(jì)算簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快，穩(wěn)定性較好，但難以解決粘連塊體的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，本文研究了一種自適應(yīng)式的閾值分割算法，該算法在對(duì)圖像初始處理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Otsu全局閾值分割算法對(duì)圖像進(jìn)行分割。然后基于二值圖像和灰度圖像信息，利用礦巖塊度特征參數(shù)根據(jù)模糊綜合判斷的結(jié)果對(duì)于未分割開(kāi)的粘連巖塊再進(jìn)一步分離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：對(duì)于應(yīng)用其它熱點(diǎn)研究的三種圖像分割算法(聚類分析和圖論最小割)，粘連的巖石塊度很難被分割，而新算法是基于簡(jiǎn)單的Otsu全局閾值分割算法改進(jìn)的，該方法圖像分割的結(jié)果較好：精度95%以上，速度為其它算法的20倍以上，可以應(yīng)用在礦巖塊度的在線檢測(cè)系統(tǒng)中。進(jìn)一步的研究工作是考慮如何將該算法擴(kuò)展應(yīng)用到其它類似的復(fù)雜多目標(biāo)物體(如顆粒)圖像在線檢測(cè)/監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中去。