1、第 32 卷 第 1 期 大 连 海 事 大 学 学 报 Vol. 32 No. 12006 年 2 月 Journal of Dalian Maritime University Feb 2006文 章 编 号 :100627736 (2006) 0120062203二 值 图 像 中 目 标 物 体 轮 廓 的 边 界 跟 踪 算 法 X王 福 生 ,齐 国 清(大 连 海 事 大 学 信 息 工 程 学 院 ,辽 宁 大 连 116026)摘 要 :分 析 了 二 值 图 像 识 别 中 常 见 的 边 界 跟 踪 算 法 ,在 此 基 础 上 提 出 一 种 通 用 性 强 的 边 界
2、 跟 踪 算 法 ,能 够 根据 上 一 边 界 点 的 位 置 判 断 轮 廓 走 向 . 在 搜 索 下 一 个 边 界 点 时 ,只 需 要 对 候 选 的 5 个 点 进 行 判 断 ,便 可 以 找 到 下一 个 边 界 点 的 位 置 ,从 而 减 少 了 搜 索 的 次 数 ,使 得 边 界 跟 踪 的 时 间 大 为 减 少 . 算 法 对 于 轮 廓 不 封 闭 的 线 段 也 可以 一 次 扫 描 得 到 其 轮 廓 信 息 . 实 验 表 明 ,算 法 不 仅 速 度 快 ,而 且 轮 廓 识 别 准 确 . 对 于 目 标 物 较 复 杂 的 图 像 ,算 法更 能 体
3、 现 出 其 优 越 性 .关 键 词 :图 像 识 别 ;二 值 图 像 ;边 界 跟 踪 ;目 标 物 体 轮 廓 ;模 式 识 别中 图 分 类 号 :TP391. 41 文 献 标 识 码 :A0 引 言在 模 式 识 别 领 域 ,图 像 的 形 状 特 性 是 特 征 提取 的 重 要 指 标 ,很 多 情 况 下 ,只 有 知 道 了 图 像 的 形状 特 征 才 能 定 量 地 对 图 像 作 进 一 步 分 析 1 . 而 边界 轮 廓 的 确 定 又 是 研 究 形 状 特 征 的 前 提 2 ,也 是计 算 机 对 图 像 自 动 识 别 的 前 提 ,它 对 特 征 描
4、 述 、 识别 和 理 解 等 高 层 次 的 处 理 有 着 重 大 的 影 响 3 .边 界 跟 踪 是 一 种 基 于 梯 度 的 图 像 分 割 方 法 .从 梯 度 图 的 一 个 边 界 点 出 发 ,通 过 对 先 前 一 个 边界 点 的 考 虑 而 确 定 下 一 个 新 的 边 界 点 4 . 传 统 的边 界 跟 踪 法 一 般 有 “ 虫 随 ” 法 、 光 栅 扫 描 法 、 T算 法等 . 但 这 些 方 法 都 要 多 次 重 复 才 能 得 到 结 果 ,有 时也 可 能 出 现 反 复 跟 踪 某 局 部 区 域 ,使 程 序 陷 入 死循 环 6 . 文 献
5、 6 中 的 目 标 邻 域 点 边 界 跟 踪 法 是 在“ 虫 随 ” 法 的 基 础 上 衍 生 而 来 ,它 克 服 了 “ 虫 随 ” 法的 缺 点 ,一 次 循 环 就 可 准 确 得 到 目 标 物 的 轮 廓 ,实验 效 果 较 好 . 在 此 基 础 上 ,本 文 提 出 的 算 法 能 够 根据 上 一 边 界 点 的 位 置 判 断 轮 廓 走 向 ,从 而 减 少 了搜 索 次 数 ,提 高 了 搜 索 效 率 . 目 标 物 图 像 越 复 杂 ,越 能 显 示 出 它 的 优 越 性 .1 传 统 的 边 界 跟 踪 算 法一 种 常 见 的 边 界 跟 踪 算 法
6、 是 “ 虫 随 ” 法 . 它 采用 如 下 的 规 则 处 理 7 .一 个 理 想 的 小 虫 从 白 色 背 景 向 黑 色 背 景 像 素区 域 前 进 ,该 黑 色 像 素 区 域 表 示 为 一 个 闭 合 的 轮廓 . 当 小 虫 进 入 到 了 黑 色 像 素 中 时 ,小 虫 就 向 左 转弯 并 继 续 向 下 一 个 像 素 运 动 . 如 果 下 一 个 像 素 也是 黑 色 ,则 小 虫 再 次 左 转 ,如 果 下 一 个 像 素 是 白色 ,则 小 虫 向 右 转 . 这 一 过 程 持 续 下 去 直 到 小 虫 到达 其 运 动 开 始 点 才 停 止 .
7、这 种 方 法 存 在 以 下 问 题 :(1) 目 标 的 某 些 小 凸 部 可 能 被 迂 回 过 去 ,如图 1 右 下 角 小 凸 所 示 . 若 要 避 免 这 种 情 况 ,必 须 多选 一 些 起 始 点 并 取 不 同 起 始 方 向 重 复 进 行 ,然 后取 相 同 的 轨 迹 作 为 目 标 轮 廓 . 重 复 的 次 数 视 图 像的 复 杂 程 度 而 定 . 但 即 使 重 复 多 次 也 未 必 能 避 免这 种 问 题 .(2) 小 虫 可 能 会 掉 进 陷 阱 ,即 围 绕 某 个 局 部封 闭 的 区 域 重 复 爬 行 ,回 不 到 起 始 点 . 为
8、 避 免 这 个问 题 ,可 以 让 小 虫 有 记 忆 功 能 ,使 小 虫 在 当 前 不 正确 路 线 时 能 够 记 住 它 走 过 的 步 子 并 由 原 路 退 回 .X 收 稿 日 期 :20052092011作 者 简 介 :王 福 生 (1980 - ) ,男 ,辽 宁 大 连 人 ,研 究 生 ; E2mail :foxwfs sina. com.由 于 有 回 路 返 回 过 程 ,小 虫 所 走 的 步 数 为 原 来 简单 小 虫 所 走 步 数 的 两 倍 . 显 然 ,对 于 某 些 复 杂 图像 ,这 种 方 法 的 运 算 量 太 大 ,甚 至 无 法 实 现
9、 . 而 且在 选 择 起 始 点 时 就 有 可 能 已 经 “ 踏 ” 在 陷 阱 中 了 ,从 而 出 现 误 判 .图 1 “ 虫 随 ” 法 确 定 目 标 边 界光 栅 扫 描 法 8 通 过 采 用 设 定 一 定 阈 值 对 图 像进 行 多 次 行 扫 描 和 列 扫 描 实 现 跟 踪 . 该 方 法 的 缺点 是 要 不 断 调 整 阈 值 ,而 且 扫 描 严 重 依 赖 于 光 栅扫 描 的 方 向 性 ,还 要 多 次 行 扫 描 、 列 扫 描 配 合 使用 . 由 于 阈 值 选 择 的 盲 目 性 和 行 扫 描 、 列 扫 描 的 次数 的 不 确 定 性
10、,因 此 很 难 得 到 目 标 物 的 准 确 轮 廓 .轮 廓 编 码 中 用 到 的 T(Trace) 算 法 也 可 以 用 来跟 踪 区 域 的 边 界 等 值 线 . T 算 法 是 4 邻 域 搜 索 算法 ,其 搜 索 规 则 与 进 入 方 向 有 关 9 ,搜 索 效 率 不高 ,且 无 法 克 服 内 孔 洞 (边 界 ) 的 存 在 对 算 法 的 影响 10 .2 本 文 提 出 的 边 界 跟 踪 算 法作 为 对 传 统 算 法 的 改 进 ,本 文 提 出 一 种 新 的跟 踪 算 法 ,既 能 有 效 地 跟 踪 外 边 界 又 能 克 服 内 边界 的 存
11、在 对 算 法 的 影 响 ,对 于 不 封 闭 的 线 段 也 能实 现 很 好 的 跟 踪 . 算 法 的 思 路 是 :边 界 跟 踪 从 梯 度图 像 的 左 上 角 点 开 始 逐 像 点 扫 描 ,当 遇 到 目 标 点时 开 始 顺 序 跟 踪 ,直 至 跟 踪 的 后 续 点 回 到 起 始 点(对 于 封 闭 轮 廓 ) 或 其 后 续 点 再 没 有 新 的 后 续 点(对 于 非 封 闭 线 段 )为 止 . 如 果 为 非 封 闭 轮 廓 ,则 跟踪 到 一 侧 的 终 结 后 需 从 起 始 点 开 始 朝 相 反 的 方 向跟 踪 到 另 一 终 结 点 . 当 存
12、 在 多 个 分 离 的 轮 廓 时 ,逐个 跟 踪 ,为 避 免 陷 入 死 循 环 ,前 面 的 区 域 处 理 好 后应 采 用 背 景 色 对 它 进 行 填 充 .如 图 2 (a) 所 示 ,若 当 前 点 ( x , y) 为 一 个 边 界点 ,则 下 一 个 边 界 点 必 定 在 点 ( x , y) 的 8 邻 域 内 ,该 邻 域 内 8 像 素 位 置 的 坐 标 表 示 和 编 码 表 示 如 图2 (b) 所 示 . 现 在 的 问 题 是 确 定 在 8 邻 域 内 按 怎 样的 规 则 搜 索 ,才 能 迅 速 有 效 地 找 到 下 一 个 边 界 点 .(
13、x - 1 ,y - 1) (x - 1 ,y) (x - 1 ,y + 1)(x ,y - 1) (x ,y) (x ,y + 1)(x + 1 ,y - 1) (x + 1 ,y) (x + 1 ,y + 1)(a)坐 标 表 示3 2 14 p 05 6 7(b)位 置 编 码 表 示图 2 8 邻 域 位 置 表 示根 据 前 一 点 和 当 前 点 的 相 互 位 置 可 以 大 致 确定 出 边 界 的 走 向 ,因 此 在 对 下 一 点 的 搜 寻 时 不 必再 对 当 前 点 的 8 邻 域 进 行 计 算 比 较 ,而 可 以 根 据前 一 点 P 和 当 前 点 C 在
14、位 置 上 的 不 同 (共 8 种 可能 的 方 向 ) ,对 边 缘 方 向 上 的 5 个 像 素 进 行 计 算 比较 即 可 (如 图 3 所 示 ) ,这 样 将 减 少 相 当 的 计 算 量 .图 3 搜 索 的 候 选 点 与 前 一 点 的 位 置 关 系因 此 可 以 得 出 寻 找 下 一 边 界 点 的 准 则 如 下 :设 当 前 点 P( x , y) 在 上 一 边 界 点 C 的 8 邻 域 内 的位 置 编 码 为 n ,则 从 当 前 点 ( x , y) 的 8邻 域 内 的 编码 为 n 的 位 置 ,顺 时 针 方 向 移 动 2 个 像 素 的 位
15、 置就 是 下 一 边 界 点 的 起 始 搜 索 位 置 . 若 不 是 边 界 点 ,则 从 搜 索 的 起 始 点 开 始 按 照 逆 时 针 方 向 顺 次 搜索 ,共 搜 索 5 次 便 可 以 找 到 下 一 个 边 界 点 .举 例 说 明 :观 察 图 2 (b) ,如 果 当 前 点 P 在 上一 边 界 点 的 位 置 编 码 为 1 ,则 按 上 述 准 则 可 知 搜索 的 起 始 点 是 位 置 编 码 为 7 的 点 . 若 不 是 目 标 点 ,从 7点 开 始 顺 次 搜 索 位 置 编 码 为 0 ,1 ,2 ,3的 点 ,当第 一 次 出 现 其 灰 度 等
16、 于 目 标 区 域 值 时 ,该 像 素 点就 是 所 要 求 的 下 一 边 界 点 . 本 文 的 8 邻 域 边 界 跟踪 算 法 执 行 步 骤 如 下 :设 图 像 中 背 景 点 值 为 0 ,目标 点 为 1 , Pk 为 第 k个 边 界 点 , k的 初 值 为 0 , t表 示边 界 终 结 点 的 个 数 .(1) 设 定 感 兴 趣 的 目 标 区 域 的 标 签 值 label ;(2) 从 左 到 右 自 上 而 下 扫 描 图 像 ,发 现 第 一个 像 素 为 1的 点 且 标 签 值 为 label的 点 即 为 边 界 的36第 1 期 王 福 生 ,等
17、:二 值 图 像 中 目 标 物 体 轮 廓 的 边 界 跟 踪 算 法 起 始 点 P0 ,并 把 其 坐 标 ( x , y) 存 入 边 界 点 序 列表 ,预 置 t 为 0 ,位 置 编 码 为 0 ;(3) 按 上 述 准 则 确 定 下 一 目 标 点 搜 索 的 起 始位 置 ,然 后 从 该 位 置 开 始 按 逆 时 针 方 向 依 次 检 查当 前 边 界 点 的 8 邻 近 像 素 ,当 第 一 次 出 现 其 像 素点 的 标 签 值 等 于 预 定 标 签 值 时 ,这 一 像 素 点 就 是新 的 边 界 点 Pk ( k = k + 1) ,并 记 下 它 在
18、8 邻 域 中的 位 置 编 码 值 ;(4) 若 新 边 界 点 Pk = P0 ,即 回 到 了 起 始 点 ,该 轮 廓 跟 踪 结 束 ,此 时 边 界 点 序 列 中 存 放 的 就 是该 目 标 的 外 边 界 点 坐 标 ,转 (7) ;(5) 若 新 边 界 点 Pk P0 ,则 以 Pk 作 为 当 前点 ,记 下 其 位 置 编 码 ,然 后 转 (3) ;(6) 若 没 有 找 到 目 标 点 ,说 明 当 前 点 是 轮 廓的 终 结 点 ,终 结 点 个 数 t 加 1 ,如 果 t = 1 ,则 令 P0为 当 前 点 ,置 位 置 编 码 为 4 ,转 (3) (
19、即 对 不 封 闭 轮廓 从 起 始 点 开 始 朝 相 反 的 方 向 搜 索 ,直 到 找 到 另一 个 终 结 点 为 止 ) ,如 果 t = 2 ,则 转 (7) ;(7) 若 还 需 跟 踪 其 他 目 标 的 轮 廓 ,转 回 (2) ;否 则 算 法 结 束 .由 于 本 算 法 可 以 记 忆 当 前 点 在 上 一 边 界 点 的位 置 ,所 以 在 搜 索 下 一 目 标 点 时 不 必 对 8 邻 域 的点 全 部 搜 索 ,最 多 只 需 要 搜 索 5 次 便 可 以 找 到 目标 点 ,这 种 智 能 性 大 大 缩 短 了 边 界 跟 踪 的 时 间 .3 实
20、验 结 果图 4 (a) 和 图 4 (c) 分 别 是 对 原 始 的 rice 和blobs图 像 经 过 二 值 化 得 到 的 二 值 图 像 ,图 4 (c) 和图 4 (d) 分 别 是 应 用 本 文 算 法 得 到 的 边 界 跟 踪 结果 . 实 验 表 明 ,对 图 4 (a) 和 图 4 (c) 采 用 文 献 6 的方 法 分 别 需 要 对 8 邻 域 搜 索 4368 次 和 9896 次 ,而采 用 本 文 的 算 法 只 需 对 8邻 域 分 别 搜 索 3310次 和7438次 ,便 可 以 完 成 目 标 物 体 的 边 界 跟 踪 ,效 率 分别 提 高
21、了 24. 2 % 和 24. 8 %. 可 见 对 于 目 标 物 较 复杂 的 图 像 ,本 算 法 更 能 体 现 出 其 优 越 性 来 .(a)二 值 化 后 的 rice 图 (b)跟 踪 结 果 (c)二 值 化 后 的 blobs 图 (d)跟 踪 结 果图 4 实 验 结 果4 结 束 语上 述 算 法 与 传 统 的 边 界 跟 踪 算 法 相 比 ,能 一次 扫 描 得 到 目 标 区 域 的 轮 廓 信 息 ,同 时 按 该 方 法在 8 邻 域 中 搜 索 边 界 点 ,最 多 只 需 搜 索 5 次 便 可以 找 到 边 界 点 ,提 高 了 轮 廓 跟 踪 的 效
22、 率 . 实 验 表明 ,本 文 提 出 的 对 二 值 图 像 中 目 标 物 体 的 边 界 跟踪 算 法 是 行 之 有 效 的 .参 考 文 献 :1 王 昕 ,曲 波 ,王 厚 枢 . 一 种 不 规 则 封 闭 形 状 的 轮 廓 跟 踪 算 法 J . 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报 ,1996 ,28 (4) :580 - 583.2 田 捷 . 实 用 图 像 分 析 与 处 理 技 术 M. 北 京 :电 子 工 业 出 版 社 ,1995 :155 - 156.3 CASTLEMAN K R. Digital Image ProcessingM. S. l. :P
23、rentice Hall ,1996 :309 - 312.4 CANNYJ . A computational approach to edge detectionJ . IEEE - PAMI ,1986 ,8 :679 - 698.5 柳 稼 航 ,杨 建 峰 ,单 新 建 ,等 . 一 种 基 于 优 先 搜 索 方 向 的 边 界 跟 踪 算 法 J . 遥 感 技 术 与 应 用 ,2004 ,19 (3) :209 - 213.6 崔 凤 魁 ,张 丰 收 ,白 露 ,等 . 二 值 图 像 目 标 邻 域 点 法 边 界 跟 踪 算 法 J . 洛 阳 工 学 院 学 报 ,2
24、001 ,22 (1) :28 - 34.7 PRATT K. 数 字 图 像 处 理 M. 邓 鲁 华 ,张 延 恒 ,译 . 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,2005 :397 - 398.8 崔 凤 魁 . 定 量 金 相 分 析 算 法 及 实 现 J . 材 料 科 学 与 工 艺 ,2000 (9) :48 - 52.9 夏 德 深 ,傅 德 胜 . 现 代 图 像 处 理 技 术 与 应 用 M. 南 京 :东 南 大 学 出 版 社 ,1998 :124 - 127.10 李 云 ,鲍 苏 苏 ,杨 璐 . 二 值 图 像 中 物 体 区 域 的 选 定 及 外 边 缘
25、 跟 踪 技 术 J . 华 南 师 范 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) ,2000(3) :27 - 29. (下 转 第 67 页 )46 大 连 海 事 大 学 学 报 第 32 卷 才 能 通 过 验 证 .4 结 束 语本 文 以 文 献 1 ,2 为 基 础 ,给 出 了 一 个 具 有 很好 的 防 欺 诈 性 能 的 基 于 Hash 函 数 的 动 态 密 钥 分存 方 案 ,不 但 实 现 添 加 、 修 改 和 删 除 子 密 钥 时 不 影响 其 他 子 密 钥 和 系 统 密 钥 ,而 且 在 防 止 欺 诈 方 面有 很 高 的 安 全 性 .参 考 文
26、献 :1 刘 焕 平 ,胡 铭 曾 ,方 滨 兴 ,等 . 基 于 单 向 函 数 的 动 态 密 钥 分 存 方 案 J . 软 件 学 报 , 2002 , 13 (5) : 1009 - 1012.2 费 如 纯 ,王 丽 娜 . 基 于 RSA 和 单 向 函 数 防 欺 诈 的 秘 密 共 享 体 制 J . 软 件 学 报 ,2003 ,14 (1) :146 - 150.3 BLAKLEY G R. Safeguarding cryptographic keys. Proceedings of the National Computer Conference C. Montval
27、e , NJ : AFIPSPress , 1979. 313 - 317.4 SHAMIR A. How to share a secretJ . Communications of the ACM , 1979 ,24 (11) :612 - 613.5 ASMUTH C , BLOOM J . A modular approach to key safeguardingJ . IEEE Transactions on Information Theory , 1983 ,29 (2) :208- 210.6 Karnin E D , Greene J W , Hellman M E. O
28、n secret sharing systemsJ . IEEE Transactions on Information Theory , 1983 ,29 (1) :231 - 241.Improved algorithm of dynamic secret sharing schemesbased on Hash functionYAN Hui2juan ,LIN Guo2shun( Economy dynamic key ; Hash function ; secret sharing scheme(上 接 第 64 页 )Boundary tracking algorithm of o
29、bjects in binary imageWANG Fu2sheng ,QI Guo2qing( Information Technol. College , Dalian Maritime Univ. , Dalian 116026 , China)Abstract :First , the common contour detection methods in binary image identification were analysed. Then a newgeneral boundary tracking algorithm was proposed. This algorit
30、hm could judge the contour direction from the founda2tion of the former contour pixel. Only by judging five candidated pixels when detecting the next contour pixel , theposition of the next contour pixel could be found. So the detection time could be reduced. The algorithm could alsoget contour info
31、rmation from lines which were not closed by scanning just for once. The experiment indicates that thealgorithm is not only very fast ,but the contour recognition is exact. For an image , the more the objects are compli2cated , the more this algorithm is advantaged.Key words :image identification ; binary image ; boundary tracking ; objects contour ; pattern recognition76第 1 期 闫 会 娟 ,等 :基 于 Hash 函 数 的 动 态 密 钥 分 存 技 术 的 改 进
