基于皮层神经元视觉方向响应的图像边缘检测方法

摘要

本发明涉及一种基于皮层神经元视觉方向响应的图像边缘检测方法。本发明首先对视野内图像进行多方向Log‑Gabor滤波预处理；其次选择匹配上述预处理方向的图像降维方式，将四路二维图像信号分别降维为一维信号序列；然后将四路一维信号序列分别输入至皮层神经元模型，产生动作电位序列；接着将四路动作电位序列分别按图像降维逆扫描方式重构为对应的二维信号；最后将重构的四路二维信号经过判别器，融合为一路二维信号，并重新映射为二值图像，即为原图像边缘检测的结果。该发明有效的结合生物视觉系统的方向选择性和神经元的脉冲发放机制，使其更符合真实的视觉生理特性，因而具有较理想的边缘检测效果。

主权项

基于皮层神经元视觉方向响应的图像边缘检测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤(1)对视野内图像I(i,j)，i＝1,2,…M；j＝1,2,…N，变量i和j下同，采用Log‑Gabor滤波器进行预处理，分别获得0°、45°、90°和135°四个方向的结果，记为f_x(i,j)，x＝0,45,90,135，x下同；f_x(i,j)为Log‑Gabor滤波器选择特定方向后的结果；r_x(i,j)为取复数实部的结果；g_x(i,j)为灰度重新映射的结果；F_x(n)，其中n＝1,2,…,M×N，为降维后的一维信号结果；P_x(n)为皮层神经元模型输出的脉冲序列结果；p_x(i,j)为逆扫描后还原成二维信号的结果；J为判别器；p(i,j)为判别器决策和融合后的结果；I'(i,j)为二值映射的边缘检测图像；由于Log‑Gabor滤波器函数在原点的奇异性，不能直接得到解析表达式，其频域数学表达式如式(1)所示：$H(f,\theta )=\exp \left\{\frac{-{\left[ln(f/f_0)\right]}^2}{2{\left[\ln ({\sigma }_f/f_0)\right]}^2}\right\}\exp \left\{\frac{-{(\theta -{\theta }_0)}^2}{2{{\sigma }_{\theta }}^2}\right\}---\left(1\right)$其中，f、θ为待滤波图像的频率和方向；f₀为中心频率；θ₀为滤波器方向；σ_f为径向带宽；σ_θ为方向带宽；其中滤波器方向θ₀分别取为0°、45°、90°和135°，f₀＝1/3、σ_θ＝π/6、σ_f＝0.2167；上述步骤的具体实现方式：首先利用快速傅立叶变换，将视野内的空域图像变换为频域，然后将频域结果与Log‑Gabor滤波器进行相乘，最后对相乘结果进行傅立叶反变换，获得预处理后的结果f_x(i,j)；步骤(2)对四个方向的结果f_x(i,j)分别取其复数的实部，记为r_x(i,j)，并分别将其按照如式(2)所示的规则，映射为取值0～255之间的像素，记为g_x(i,j)；$g_x(i,j)=\frac{255*\left(r_x\right(i,j)-min(r_x\left)\right)}{\left(max\right(r_x)-min(r_x\left)\right)}---\left(2\right)$其中，min(r_x)表示r_x(i,j)的最小值，max(r_x)表示r_x(i,j)的最大值；步骤(3)对0°和90°方向分别选择行扫描和列扫描，45°和135°方向采取Z扫描进行图像降维，降维后的一维信号序列记为F_x(n)，其中n＝1,2,…,M×N，下同；步骤(4)将四路一维信号序列F_x(n)分别作为皮层神经元模型的输入刺激，获得四路神经元脉冲序列P_x(n)，P_x(n)的元素由0和1所构成；当皮层神经元发放脉冲时，标记为1，无发放脉冲则标记为0；皮层神经元模型的数学表达式如式(3)所示：$\left\{\begin{array}{c}\frac{dv}{dt}=0.04v^2+5v+140-u+I_{ext}\\ \frac{du}{dt}=a(bv-u)\\ \begin{array}{ccc}if& v\ge v_{thresh},thenv\leftarrow c& u\leftarrow u+d\end{array}\end{array}\right.---\left(3\right)$其中，v是细胞膜电位，u代表细胞膜恢复变量，I_ext是输入刺激，a、b、c和d为模型参数，v_thresh为阈值，设置为a＝0.2，b＝2，c＝‑56，d＝‑16，v_thresh＝30；如果v大于等于v_thresh，皮层神经元发放脉冲，标记为1，同时v被重新设定为c，u被重置为u+d；否则皮层神经元不发放脉冲，标记为0；步骤(5)对获得的四路神经元脉冲序列P_x(n)分别经图像降维逆扫描方式还原为四路二维信号，记为p_x(i,j)；步骤(6)对四路二维信号p_x(i,j)通过判别器J进行决策和融合，融合成一路输出信号，记为p(i,j)，判别器J的规则如式(4)所示：p(i,j)＝p₀(i,j)|p₄₅(i,j)|p₉₀(i,j)|p₁₃₅(i,j)    (4)其中，|表示逻辑或操作；步骤(7)对融合后的一路输出信号p(i,j)，按照如式(5)的规则映射成0和255的二值图像，即为图像边缘检测结果I'(i,j)$I^{\prime }(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}0& p(i,j)=0\\ 255& p(i,j)=1\end{array}\right.---\left(5\right).$