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用于图像多阈值分割的BBO算法改进研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究现状

1.2.1 多阈值分割研究现状

1.2.2 BBO算法研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 本文的结构安排

第二章 图像分割基本原理

2.1 图像分割概述

2.2 阈值分割

2.2.1 最大熵多阈值分割准则

2.2.2 最小交叉熵多阈值分割准则

2.2.3 OTSU多阈值分割准则

2.3 小结

第三章 基本BBO算法介绍

3.1 BBO算法起源

3.2 BBO算法的数学模型

3.3 生物地理学优化算法

3.3.1 迁移算子

3.3.2 变异算子

3.3.3 精英保留策略

3.4 BBO算法流程

3.5 小结

第四章 多源迁移和自适应变异BBO算法的多阈值分割

4.1 多源迁移算子

4.2 自适应变异算子

4.3 贪婪选择算子

4.4 PSBBO算法应用到图像多阈值分割中

4.5 实验结果与分析

4.6 小结

第五章 动态迁移和椒盐变异融合BBO算法的多阈值分割

5.1 动态扰动的迁移算子

5.2 椒盐扰动的变异算子

5.3 DSBBO算法应用到图像多阈值分割中

5.4 实验结果与分析

5.5 小结

第六章 简约BBO算法的图像多阈值分割

6.1 简约BBO算法

6.2 基于SBBO算法的图像多阈值分割

6.3 实验结果与分析

6.4 小结

第七章 基于BBO算法的图像多阈值分割系统的实现

7.1 系统总体设计

7.2 系统功能模块

7.3 系统运行及结果

7.4 小结

第八章 总结与展望

8.1 工作总结

8.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的科研成果

声明

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摘要

图像分割是数字图像处理与计算机视觉研究的基础和前提,是图像处理中非常重要的关键步骤。阈值分割是一种基于图像一维灰度直方图的分割技术,由于实现简单、性能稳定而得到广泛的应用。但多阈值分割需要在全部的灰度值范围中寻找一个最优的阈值组合,因而计算量庞大导致时间和空间复杂度很高,为此需要引入智能优化算法来优化最优阈值的搜索过程。生物地理学优化(Biogeography-Based Optimization,BBO)算法是一种新颖的、基于群体智能的进化算法,模拟了生物种群在栖息地之间的产生、迁移以及灭绝的规律。BBO算法只需设置较少的参数,计算简单、收敛速度快。鉴于其优良的性能和独特的搜索机制,BBO算法在智能优化的领域得到广泛的关注。虽然BBO算法有许多优点,但也有其局限性。算法中的迁移操作可以实现候选解之间的信息共享,但是具有一定的盲目性,影响算法的开采能力;且基于随机变异的变异操作限制了算法的探索能力。因此BBO算法在寻优过程中容易发生过早收敛现象,出现陷入局部最优等问题。本文针对图像的多阈值分割计算复杂度高,耗时长久等问题,引入BBO算法优化多阈值分割中阈值的寻优过程。为了增强生物地理学优化算法在图像多阈值分割应用中的全局搜索能力,提高优化性能,针对上述存在的问题对BBO算法进行了研究,并做出了改进。本文主要研究内容及创新点如下:
  1)为了全面提升BBO算法整体性能,提出一种多源迁移与自适应变异的生物地理学优化算法:引入多源迁移算子,提高算法的全局搜索能力,并提出一种新型的自适应变异算子,采用贪婪选择的精英保留策略,加快算法的收敛速度。并且将这种多源迁移与自适应变异的BBO算法应用到基于最大熵的图像的多阈值分割中,获得较为准确的阈值。
  2)针对大范围多阈值分割问题,提出了一种动态扰动的迁移算子和椒盐变异融合的生物地理学优化算法(简称DSBBO)。并将该算法应用到基于最小交叉熵的图像2到8阈值分割中,取得了一种2到8阈值大范围的、有效的多阈值优化搜索方法。
  3)为了降低BBO算法的计算复杂度,加快寻优速度,将变异操作融合到迁移操作中,简化算法步骤,形成一种简约的BBO算法。将简约的BBO算法应用到基于最大类间方差的多阈值分割中,获得更为快速的多阈值分割方法。
  4)以MATLAB为平台,整合以上改进的BBO算法,实现了基于BBO算法的图像多阈值分割系统。

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