引用本文

刘望舒, 郑丹晨, 韩敏. 一种基于改进地貌形状上下文的形状匹配方法. 自动化学报, 2017, 43(10): 1749-1758. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160302

LIU Wang-Shu, ZHENG Dan-Chen, HAN Min. Shape Matching Method Based on Improved Aspect Shape Context. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2017, 43(10): 1749-1758. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160302

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2017.c160302

关键词

形状匹配，地貌空间，最短路径，模糊直方图，地貌模糊形状上下文 

摘要

在基于地貌形状上下文的形状匹配方法中，计算地貌空间测地距离消耗时间较高，对应形状特征提取过程的效率较低.针对这一问题，本文提出了一种基于地貌模糊形状上下文的快速形状匹配方法.在形状特征提取过程中，通过引入最短路径算法对轮廓采样点间的测地距离进行快速计算.在此基础上结合对数极坐标模糊直方图构造地貌模糊形状上下文，其能够更好地描述轮廓点分布情况进而有效提升形状描述符的表达能力.考虑到轮廓点集顺序已知，进一步引入动态规划分析不同地貌空间下形状片段间的对应关系，以获取准确的形状匹配结果.通过对不同的数据集进行实验仿真分析，验证了本文方法能够有效地提升运算效率并取得较好形状检索精度.

文章导读

形状是一种高层次的视觉特征, 其对应物体中不受位置、尺度、旋转因素影响的几何信息[1], 形状分析在目标检测[2]、医疗分析[3]、古文字研究等[4]领域都发挥着重要的作用.在形状分类、形状聚类、形状识别和形状检索等研究中, 如何选择有效的形状匹配方法来分析形状间距离都是需要解决的首要问题.

在众多的形状匹配研究中, 基于轮廓点空间位置关系特征的形状匹配方法能够较好地分析形状间距离, 是近年来最为重要的一类方法[5].形状上下文(Shape context, SC)是二十一世纪初由Belongie等[6]提出的一种形状描述符, 其通过分析轮廓上采样点的分布情况而生成, 可以兼顾形状的局部信息和全局信息.形状上下文作为最重要的形状描述符之一, 自提出以来得到广泛的关注.广义形状上下文(Generalized shape context)[7]、骨架形状上下文(Skeletal shape context)[8]、方向直方图形状上下文(Histogram of orientation shape context)[4]、实心形状上下文(Solid shape context)[9]等都是在其基础上改进得到的形状描述符, 对应形状匹配方法都表现出了很好的识别和检索效果.

在对形状上下文进行改进的诸多方法中, Ling等[10]提出的内距离形状上下文(Inner-distance shape context, IDSC)是一种形状匹配效果较好的描述符.该方法引入对连接不敏感的内距离(Inner-distance, ID)替代欧几里得距离(Euclidean distance, ED), 进而可以得到更合理的采样点间距离.考虑到形状上下文和内距离形状上下文分别具有不同的适用范围, 文献[11]结合两种形状描述符的各自特点, 进一步提出了地貌形状上下文(Aspect shape context, ASC), 该描述符能够更好地平衡形状描述符的鲁棒性和区别能力.

虽然地貌形状上下文能够较好地结合形状区域信息描述轮廓采样点空间关系, 但该方法依然存在一些不足.在形状特征提取时, 计算测地距离(Geodesic distance, GD)的时间复杂度较高, 使得形状描述符构造缓慢, 影响了形状匹配的效率; 此外, 在特征匹配过程中, 原始方法仅选择一个地貌空间对应的形状距离作为最终结果, 难以综合不同地貌空间的信息来解决形状匹配问题.

鉴于目前存在的问题, 本文提出了一种基于改进地貌形状上下文的形状匹配方法.通过引入最短路径算法对地貌空间下轮廓采样点间的测地距离进行快速计算, 进而提升形状特征提取的效率.通过生成模糊直方图来提升形状描述符的表达能力, 构造出地貌模糊形状上下文(Aspect fuzzy shape context, AFSC), 其能够更好地描述轮廓采样点分布情况.考虑到轮廓点集顺序关系已知, 结合动态规划方法获取不同地貌空间下形状采样点间准确的对应关系, 进而获得准确的形状匹配结果.相比于传统的形状匹配方法, 改进后的方法能够在较高的运算效率下有效提升形状匹配的结果, 并获得较好的形状识别和检索结果.

图 1  以不同距离度量分析相似形状对应采样点关系的示例

图 2  一个二值图像对应生成的地貌空间示例

图 3  地貌空间中测地线路径示例

鉴于地貌形状上下文存在的不足, 本文提出了一种基于改进地貌形状上下文的形状匹配方法.将地貌空间测地距离的求解近似为最短路径问题, 相比于经典算法, 本文方法有效地提高了形状特征提取效率.通过引入对数极坐标模糊直方图, 构造地貌模糊形状上下文形状特征, 其能够更好地描述形状轮廓信息.进一步引入动态规划方法分析不同地貌空间下形状间采样点对应关系, 能够准确地计算得到形状距离.通过对不同数据集样本进行仿真实验, 证明了本文所提方法具有良好的形状检索效果.

作者简介

刘望舒

大连理工大学电子信息与电气工程学部硕士研究生.主要研究方向为模式识别.E-mail:liuwangshu@mail.dlut.edu.cn

郑丹晨  

大连理工大学电子信息与电气工程学部讲师.主要研究方向为计算机视觉和模式识别.E-mail:dcjeong@dlut.edu.cn

韩敏 

大连理工大学电子信息与电气工程学部教授.主要研究方向为模式识别, 复杂系统建模与分析及时间序列预测.本文通信作者.E-mail:minhan@dlut.edu.cn