浅谈图像处理技术

张淑姚 孙婷婷 张路园

摘 要：随着科技进步，图像处理技术也在与时俱进。图像处理技术由两部分组成：特征提取和图像分割。其中，图像分割中的语义分割是其充满魅力和挑战的一部分，它要求给定一张图片，机器能自动分割并识别出其中的内容，已经广泛应用于无人机和自动驾驶技术中。本文围绕图像处理技术进行探索，主要介绍了图像处理中特征提取和图像分割中常用的技术，基于ORB特征提取技术和语义分割技术。

关键词：特征提取；ORB特征；语义分割；N-Cut技术；Grab-Cut技术

1 特征提取

特征是像素梯度变化较大的点，具有尺度不变性、亮度不变性[1]、旋转不变性[2]的特点。特征提取的过程为特征定位和特征描述，特征定位即识别出给定图像中特征所处的位置，用一种特定的方法将特征描述出来称为特征描述。

ORB特征：ORB方法特征定位用的是oFAST方法，是对FAST方法的改进，改进主要有四个方面：特征计算的简化，非最大值抑制，金字塔，方向。该方法中仅计算1，5，9，13位置和中心点是否相同，超过三个不同就认为该区域内有特征。非最大值抑制即选取周围一圈中和中心点累计差距最大的像素点为特征，主要是为了简化后续的计算。FAST方法并没有尺度不变性，oFAST方法加入了金字塔（把一幅图片不断的缩小）用来改善这一缺点，金字塔方法是特征提取当中十分常见的解决尺度不变性的方法。oFAST方法把坐标系增加了旋转角度很好的解决了FAST方法没有旋转不变性的问题。

ORB方法特征描述用的是rBRIEF方法，rBRIEF是对BRIEF的一些改进，在特征处提取不同的点对，点对是满足高斯分布的二维随机数。设定T，A位置的像素比B位置的像素高就置为1，否则为0，所以每个点对在每个特征处对应不同的值，得到一个矩阵记为M，然后计算每一列的均值，以均值接近0.5的程度进行重新的排序，越接近0.5越靠前。把矩阵M里的第一列放到R矩阵中，然后去算矩阵M第二列和R的相关系数，如果相关系数小于已经设定好的阈值K，就认为矩阵M第二列的数据是比较好的，就接受其放入R中，如果大于阈值K就舍弃这一列。以此类推，进行下一列的判断。

2 图像分割

图像分割作为目前很热门的研究领域，[3]应用十分广泛。图像分割主要操作是把图像中人们感兴趣的、有用的画面从整个图像中分割出来，便于之后的图像分析。图像分割的方法很多，利用了各种数学理论，关键是找出一些特征，按所找特征将图像分割方法分为阈值分割、边缘检测、区域分割、直线检测等，这几种方法都有不同的特点和使用范围，但并没有适用于所有图像的通用方法。

按照分割目的可以分为三种：普通分割、语义分割、实例分割。其中语义分割较困难，不仅要把不同物体分割开，还要指出分割出的每一个区域是什么类型。

2.1 N-Cut技术

阈值分割是常见的处理方法，即设置一个阈值将灰度差异较大的前景和背景分割开，阈值选取是阈值分割的关键，阈值过低就会将很多目标点归为前景，反之相反。N-Cut就是阈值分割的一种，现已广泛应用与计算机视觉领域。每次运行 N-Cut，只能切割一次图片，需要多次运行才能分割出图像上的多个物体。[4]该技术简单且速度快，是较早的图像分割方法，但在分割时会出现很多不理想的情况，如过分割和前分割。在分割颜色差别大的物体时，往往会分割不准确，导致部分人们感兴趣的区域留在背景中。

2.2 Grab-Cut技术

该技术属于“图划分”的分割方法，主要用于图像编辑中的抠图，和PS中的套索工具类似，是对Graph-Cut技术的改进，在分割时使用了人機交互，需要人为的事先输入前景点和背景点，随着迭代次数的增加，效果会逐渐变好。但由于需要人工干预不能实时处理导致分割速度慢。如果目标图像和背景颜色差异不大，会导致分割效果不好，此时需要手动进行标注，再次运算后便能得出更好的结果。

3 图像处理技术

图像处理技术是当前计算机专业研究的热门方向之一，其在航空航天，生物医学，通信工程，机器视觉，科学可视化，电子商务，工业工程，军事安全，文化艺术等各个方面都有这广泛的应用前景。目前其常用处理方法众多，各有特点。文中简单介绍了其中常见的几种方法。未对当前热门方法进行全面介绍，还应继续学习，了解目前图形处理技术的最新动态。

参考文献：

[1]郭存山.亮度不变性的图像局部特征描述算法研究[D].安徽大学，2013.

[2]谢志江，吕波，刘琴，陈平.旋转不变性图像模板匹配快速算法[J].重庆大学，2013.

[3]王梅，李玉鑑，全笑梅.图像分割的图论方法综述[J].北京工业大学，2014.

[4]罗彤.视觉感知启发的图像分割系统研究[D].浙江大学，2008.

作者简介：张淑姚（1997-），女，汉族，河北新乐人，河北农业大学理工学院在读本科；孙婷婷（1988-），女，汉族，河北黄骅人，硕士，河北农业大学理工学院讲师；张路园（1998-），女，汉族，河北邯郸人，河北农业大学理工学院在读本科。