不同光照强度对点带石斑鱼图像分割结果影响的研究

徐愫，邢克智，通信作者，田云臣，马国强，路宁，包蕊

（1.天津农学院 a.水产学院 天津市水产生态与养殖重点实验室，b.计算机与信息工程学院，天津300384；2.天津市农村工作委员会 信息中心，天津 300061）



不同光照强度对点带石斑鱼图像分割结果影响的研究

徐愫1a，邢克智1a，通信作者，田云臣1b，通信作者，马国强1b，路宁2，包蕊2

（1.天津农学院 a.水产学院 天津市水产生态与养殖重点实验室，b.计算机与信息工程学院，天津300384；2.天津市农村工作委员会 信息中心，天津 300061）

摘 要：简要介绍了点带石斑鱼图像采集的实验环境，3种不同光照强度的设置以及利用Matlab采集图像的步骤。详细阐述了采用灰度直方图凹度分析法、最大类间方差阈值选择法、迭代式阈值选择法、最大熵法对不同光照强度下采集的图像进行分割的步骤。最后，对分割结果进行了分析和讨论。结果表明，光照强度对图像分割结果有不同程度的影响，相较其他分割方法而言，迭代式阈值选择法能更好地将鱼体同背景分离并最大限度地保留鱼体特征。

关键词：光照强度；点带石斑鱼；图像分割

图像是人类获取和交换信息的主要来源，图像处理结果直接影响着人们对图像的理解[1]。点带石斑鱼(Epinephelus malabaricus）对环境适应性强，肉质鲜美，是中国东南沿海重要的海水养殖对象[2]，对其行为进行监测能够有效提高鱼类成活率，促进水产养殖业的发展。图像采集、处理是分析点带石斑鱼行为的重要环节，而图像分割是图像识别和图像理解的前提。影响点带石斑鱼图像分割结果的主要因素有：图像采集设备、图像采集时的光照及角度和图像处理方法等。本文主要讨论光照强度对点带石斑鱼图像分割结果的影响。

1 试验环境与图像采集

1.1 试验环境

试验环境包括：（1）循环水养殖系统。如图1（A）所示。系统分为3层，第1层为清洁层，第2层为养殖层，第3层为过滤层，背面及左右两侧均附有蓝色底膜；（2）高清广角USB摄像头。如图1（B）所示；（3）照明设备。如图1（C）所示，照明采用电压频率为50 Hz的水族灯，包括两根灯管，每根灯管功率为30 W。水族灯分为两档，一档开一盏灯，二档两盏灯全开。

图1 图像采集环境和设备

1.2 图像采集

试验设置了自然光、一档水族灯、二档水族灯3种图像采集光照环境，对应光照强度分别为16、38、68 mol/(m2·s)。在Matlab环境下编写了照片连拍程序，触发程序的拍照按钮后每秒自动拍摄1张照片，连续拍照30张后停止，拍照界面如图2所示。依次选择自然光、一档水族灯和二档水族灯，启动连拍采集图像，选取其中3张作为原始图像，分别命名为图像1、图像2、图像3，如图3所示。

图2 图像采集界面

图3 原始图像

2 图像分割

图像分割可以帮助人们更直观地理解图像。图像分割方法主要包括：基于阈值的分割方法、基于区域的分割方法、基于边缘的分割方法以及基于特定理论的分割方法等。以下主要讨论基于阈值的分割方法。

2.1 灰度直方图凹度分析法

对一幅图像而言，如果图像主体与背景有明显对比，则它的直方图应该有两个波峰。这时可以选取两波峰中间的波谷作为阈值。大于该阈值的点都设置为白色，小于该阈值的点都设置为黑色。这样就可以将图像主体与背景分割开来[3-5]。如图4所示，分别获取了图像1、图像2、图像3三个色彩通道的直方图。

图4 原始图像RGB三通道对应直方图

结合图4，分别对图像1、图像2和图像3进行直方图凹度分析法分割，结果如图5。

图5 直方图凹度分析法分割结果

2.2 最大类间方差阈值选择法（OSTU）

最大类间方差阈值选择法又称为OSTU算法，其基本原理是将图像灰度级分为两类，依次计算每一次分类结果的类间方差，选取使类间方差最大的灰度级作为最佳阈值[6-7]。采用OSTU算法分别对图像1、图像2和图像3进行分割，结果如图6。

图6 OSTU算法分割结果

2.3 迭代式阈值选择法

迭代式阈值选择法的基本思想是：设置一个值作为初始阈值，从初始值出发，根据设计好的步骤用逐次求出的近似阈值逼近精确阈值[8]。采用迭代法分别对图像1、图像2和图像3进行分割，结果如图7。

图7 迭代式阈值选择法分割结果

2.4 最大熵法

熵是对数据中包含信息的度量。熵取最大值时，表示获取到的信息量越大。最大熵法利用熵对原图像进行信息量的量化衡量，使分割后的图像中目标熵和背景熵的和尽可能的大，以此确定阈值[9-10]。采用最大熵法分别对图像1、图像2和图像3进行分割，结果如图8。

图8 最大熵法分割结果

对上述4种方法得到的阈值和程序运行时长进行统计，统计结果如表1所示。

表1 不同分割方法阈值与程序运行时长统计

3 结论

通过图4、5、6、7可以看出，采用灰度直方图凹度分析法对图像进行分割，随着光照强度的增加，图像细节不断丢失，即在采用直方图凹度分析法中，自然光是最适光照；使用OSTU阈值分割法、迭代法分析时，稍强光照能较好地保留图像主体特征；而使用最大熵法处理图像时，适中光照处理效果明显优于其他两种光照。

通过表1可以看出，光照越强，图像处理时间越短。在自然光与水族灯二档光照下，4种方法得到的最佳阈值近似。在水族灯一档光照条件下，最大类间方差阈值明显高于其他3种方法。整体来看，最大类间方差法获取的阈值均高于其他3种方法。而从处理结果来看，迭代法处理结果最为理想。

参考文献：

[1]杨杰，黄朝兵.数字图像处理及matlab实现[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2]逯尚尉，刘兆普，余燕.密度胁迫对点带石斑鱼幼鱼生长、代谢的影响[J].中国水产科学，2011，18（2）：322-328.

[3]汪启伟.图像直方图特征及其应用研究[D].合肥：中国科学技术大学，2014.

[4]张新明，孙印杰，郑延斌.二维直方图准分的Otsu图像分割及其快速实现[J].电子学报，2011，39（8）：1778-1784.

[5]郑遂，瑚琦，高鹏飞，等.基于直方图凹度分析的印刷网点图二值化算法研究[J].光学仪器，2013，35（2）：32-36.

[6]覃晓，元昌安，邓育林，等.一种改进的Ostu图像分割法[J].山西大学学报（自然科学版），2013，36（4）：530-534.

[7]蓝国赈.基于MATLAB的两种迭代法比较[J].科技资讯，2007（36）：105.

[8]黄长专，王彪，杨忠.图像分割方法研究[J].计算机技术与发展，2009（6）：76-79，83.

[9]Liu S T，Gao D H，Yin F L.Infrared image segmentation method based on 2D histogram shape modification and optimal objective function[J].Journal of Systems Engineering and Electronics，2013，24（3）：528-536.

[10]唐新亭，张小峰，邹海林.图像分割的最大熵方法的改进[J].计算机工程与应用，2012，48（1）：212-215.

Effect of Light Intensity on Epinephelus malabaricus’s Image Segmentation Processing

XU Su1a,XING Ke-zhi1a,Corresponding Author, TIAN Yun-chen1b,Corresponding Author,MA Guo-qiang1b,LU Ning2,BAO Rui2
（1.Tianjin Agricultural University,a.Key Laboratory of Aquatic Ecology and Aquaculture in Tianjin,College of Fisheries,b.College of Computer and Information Engineering,Tianjin 300384,China; 2.Information Center of Rural Work Committee,Tianjin 300061,China）

Abstract：This paper briefly introduced the experimental environment of Epinephelus malabaricus’s image acquisition,brief description of the setting of three kinds of light intensities,also introduced the steps to acquisition images by Matlab.Described the steps that how to use the gray histogram concavity analysis,OTSU threshold selection method,iterative threshold selection method,maximum entropy selection method to segment images which obtained under different light intensities.Finally,the results were analyzed and discussed.The results shown as follows: light intensity had different influence on the results of the image segmentation,iterative threshold selection method could separate the fish body from the background better and kept the fish body characteristics with the maximum retention.

Key words:light intensity; Epinephelus malabaricus; image segmentation

通信作者：邢克智（1956-），男，天津市人，教授，学士，主要从事水产生态与养殖方面的研究。E-mail：kzxing6668@126.com。田云臣（1967-），男，山西孝义人，教授，硕士，主要从事水产养殖业信息技术研究工作。E-mail：tianyunchen@tjau.edu.cn。

作者简介：徐愫（1990-），女，贵州毕节人，硕士在读，主要从事计算机视觉在水产养殖方面的应用研究工作。E-mail：1184507518@qq.com。

基金项目：公益性行业（农业）科研专项“现代渔业数字化及物联网技术集成与示范”（201203017）；天津市科技支撑计划项目“水产养殖业物联网技术集成研究与应用示范”（14ZCZDNC00009）

收稿日期：2015-09-25

文章编号：1008-5394（2016）01-0034-04

中图分类号：S966

文献标识码：A