[发明专利]一种参数最优的灰度图像增强处理系统

摘要

本发明公开了一种参数最优的灰度图像增强处理系统，该系统由图像读入模块、图像预处理模块、参数寻优模块、图像增强与输出模块组成。系统首先将输入的灰度图像归一化，然后采用变换公式来增强灰度图像，变换公式中的参数通过改进的智能优化方法来确定。改进的优化方法加入了分群操作，能够防止优化过程陷入局部最优。同时，改进的优化方法中，更新公式中的惯性权重根据迭代状态自适应地改变，提高了算法的收敛性能。采用改进的智能优化方法，系统可以快速准确地确定最优参数，然后对灰度图像进行增强操作并最终输出。系统具有增强效果好，运行效率高的特点。

主权项

一种参数最优的灰度图像增强处理系统，其特征在于：该系统由图像读入模块、图像预处理模块、参数寻优模块、图像增强与输出模块组成；其中：图像读入模块读入一幅像素为M×N的灰度图像I，并将其输入图像预处理模块。灰度图像I＝{f(x,y)}，其中x＝1,2,…,M，y＝1,2,…,N，f(x,y)代表像素点(x,y)的灰度值，f(x,y)∈[Lmin,Lmax]，Lmin,Lmax分别表示读入的灰度图像的灰度值的最小值和最大值。图像预处理模块对读入的灰度图像进行归一化处理后，将结果输入参数寻优模块。像素点(x,y)经过归一化以后的像素值为f'(x,y)：f′(x,y)=f(x,y)-LminLmax-Lmin---(1)]]>参数寻优模块初始化种群规模为Ns的粒子群，随机生成维度为2的粒子i的初始位置xi＝(xi1,xi2)和初始速度vi＝(vi1,vi2)，i＝1,2,...,Ns。其中xi1,xi2∈[0,10]，vi1,vi2∈[‑10,10]，种群规模Ns＝30～100。然后按以下方法进行迭代，初始时迭代计数t＝0：(1)按公式(2)对每个像素点进行图像增强变换：F(x,y)=∫0uqa-1(1-q)b-1dq∫01qa-1(1-q)b-1dq---(2)]]>其中，F(x,y)为像素点(x,y)经过增强变换以后的像素值；u为读入的灰度图像归一化后的灰度值，即u＝f'(x,y)，u∈[0,1]；a,b为待优化的参数，用粒子的位置状态表示，a＝xi1，b＝xi2，a,b∈[0,10]；q为灰度增强变换公式中的积分变量。(2)按照公式(3)获取所有粒子的适应度值fitness(a,b)：fitness(a,b)=1M×NΣx=1MΣy=1NF2(x,y)-(1M×NΣx=1MΣy=1NF(x,y))2---(3)]]>其中，F2(x,y)为像素点(x,y)增强变换后的灰度值F(x,y)的平方。适应度值最大的粒子为全局最优粒子pbest＝(pbest1,pbest2)。(3)对所有粒子进行分群操作，包括以下子步骤：(3.1)将所有粒子按照适应度值大小从大到小排序，选取适应度值最大的粒子作为一个子群中心。(3.2)在剩下的粒子中选取适应度值最大的粒子，依次计算该粒子与各个子群中心的欧几里得距离。粒子i与粒子j的欧几里得距离dist(i,j)定义为：dist(i,j)=(xi1-xj1)2+(xi2-xj2)2---(4)]]>其中，xi＝(xi1,xi2)代表粒子i的位置，xj＝(xj1,xj2)代表粒子j的位置，i,j＝1,2,...,Ns。若该粒子与某一个子群中心的欧几里得距离小于半径r，则将该粒子归为该子群中心所在的子群，并不再计算该粒子与剩下的子群中心的欧几里得距离；若该粒子与所有子群中心的距离都大于半径r，则将该粒子置为一个新的子群中心。半径r＝1～3。(3.3)重复步骤(3.2)，直到处理完所有粒子，则分群完成，且每个子群中心为该子群中适应度值最大的粒子。(4)确定种群的进化状态。首先，定义每个粒子与其所在子群的子群中心的距离的绝对值之和dg：dg=Σi=1Ns(|pig1-xi1|+|pig2-xi2|)---(5)]]>其中，pig＝(pig1，pig2)为粒子i所在子群的子群中心的位置。其次，定义每个粒子与其所在子群的子群中心的距离之和的绝对值Dg：Dg=|Σi=1Ns((pig1-xi1)+(pig2-xi2))|---(6)]]>定义进化因子δ为：δ=Dgdg---(7)]]>由定义可知进化因子δ∈[0,1]。(5)按照式(8)(9)更新每个粒子的速度与位置：vid(t)＝w·vid(t‑1)+c1r1·(pid‑xid(t‑1))+c2r2·(pigd‑xid(t‑1))    (8)xid(t)＝xid(t‑1)+vid(t)   (9)其中，w为惯性权重；c1,c2为加速度因子，c1＝c2＝2；r1,r2为0到1之间均匀分布的随机数；pi＝(pi1，pi2)为粒子i的历史最优位置，pig＝(pig1，pig2)为粒子i所在子群的子群中心的位置；d为维度变量，d＝1,2。惯性权重按照式(10)变换：w=11+1.5e-2.6δ---(10)]]>若更新后xid<0，则令xid＝0；若更新后xid>10，则令xid＝10。(6)迭代计数累加，t＝t+1。(7)重复步骤(1)到(6)，直到迭代计数达到最大迭代计数tmax则停止迭代，tmax＝100～2000。种群全局最优粒子所在的位置pbest＝(pbest1,pbest2)即优化后的参数a,b，即a＝pbest1,b＝pbest2。参数寻优模块将优化后的参数a,b输入图像增强与输出模块，图像增强与输出模块按照公式(2)进行图像增强变换，并将增强后的图像的灰度值按照公式(11)扩展到[L'min,L'max]范围并输出：F'(x,y)＝(L'max‑L'min)×F(x,y)   (11)。