【青草识别】基于matlab GUI形态学马唐草+牛筋草识别【含Matlab源码 1041期】

一、形态学检测简介

1 图像分析及预处理
拍摄图像会产生随机的扰动，图像有一定的噪声，为消除掉图像中的无关信息，对图像进行预处理。

1.1 灰度化
为降低运算量，需要将拍摄的三通道的RGB图像转化为单通道的灰度图像。采用加权平均法的灰度化方法，其中心理学灰度公式根据人眼对RGB三色的敏感程度选择不同的权重：

式（1）中，R、G、B分别为RGB三通道灰度值，灰度化结果如图1 (a）所示。

1.2 平滑处理
为了尽可能避免将背景当作缺陷，需要对图像进行平滑处理，这样虽然会使缺陷的边界模糊，但是有利于减少背景的干扰。注意所采用的去噪处理为均值滤波，均值滤波公式为：

式（2）中，m、n分别为所选择的滤波核的长和宽，Sxy是以(x,y)为中心的滤波核对应像素的位置集合，平滑处理结果如图1 (b）所示。均值滤波的缺点是会使一些细节如边缘等信息丢失，因此在找到种子点后，对没有经过平滑处理的图像进行区域生长，找到缺陷边界。

2 算法原理
2.1 阈值分割
阈值分割是图像分割中最简单、基础的方法，性能比较稳定，计算量较小，运算速度快；它主要有全局阈值分割、局部阈值分割、自适应阈值分割等方法。阈值算法基于阈值T，将像素灰度值大于阈值T和小于阈值T的部分分别叫做前景和背景。变换函数表达式：

图1 均值滤波处理

式（3）中，T为阈值，g (x,y)为原图像像素点(x,y)的灰度值，f (x,y)为分割后图像像素点(x,y)的灰度值，阈值分割结果如图2所示。

图2 阈值分割结果

2.2 形态学开运算降噪
数学形态学简称形态学，其处理方式为领域运算，即把领域结构元素与图像对应位置像素进行逻辑运算，这种运算的影响因素主要有结构元素大小、形状和逻辑运算的规则。形态学操作主要有膨胀、腐蚀、梯度运算、礼帽运算、黑帽运算、开运算和闭运算等，但其基础为腐蚀和膨胀，利用膨胀和腐蚀就能完成不同形式的运算。

腐蚀运算能消除轮廓边界点，使边界向内缩小，主要用于细化二值图像目标轮廓、去除噪声等。

式（4）中，A为原图像，B为结构元素。首先给结构元素B定义一个原点，当结构元素B的原点移动到图像A的(x,y)上时，如果结构元素B上等于1的像素点对应图像A也等于1，则将图像A的(x,y)的灰度值置为1，否则置为0，腐蚀示意图如图3所示。

图3 腐蚀示意图
膨胀运算则与腐蚀运算相反，使边界向外扩张，主要用于填补图像分割后的空白，使相近的不相连的轮廓相连。其公式为：

式（5）中，A为原图像，B为结构元素。首先给结构元素B定义一个原点，当结构元素B的原点移动到图像A的(x,y)上时，如果结构元素B上等于1的像素点对应图像A中至少有一个等于1，则将图像A的(x,y)的灰度值置为1，否则置为0。

先进行腐蚀操作，然后在腐蚀的基础上进行膨胀操作，主要用于去噪和计数等。其公式为：

式（6）中，A为原图像，B、C为结构元素。开运算效果如图4所示，图5为开运算处理的结果。

图4 开运算效果
2.3 区域生长法
区域生长的思想就是把领域（四领域、八领域等）相同的化为一个区域。首先需要一个种子点作为生长的开始，然后将种子点领域内满足相似准则要求的像素点合并到种子的区域，将这个区域的像素做为种子点，继续进行生长，直到没有符合要求的点，生长结束，所有种子点像素作为生长的区域。分割的好坏由初始种子点和相似准则决定。

图5 形态学开运算结果
2.3.1 种子点选择与检测
经过阈值分割和形态学处理后，将二值图像各轮廓中心作为待定种子点。如果选择的种子点位于缺陷的绝对区域，那么种子点总有一个方向各像素的深度值呈现高-低-高的形态。设计检测模板如图6所示，计算出种子点在0°、45°、90°、135°方向上的深度变化，判断其变化是否呈高低高形态。

图6 检测模板
种子点左右两侧r个像素的灰度平均值分别为：

各方向的灰度变化为：

深度形Si态变化判定：

式（10）中，I (u)为检测模板中第u个像素的灰度值，w=1,2,3,4，分别代表0°，45°，90°，135°方向，mwm为w方向两侧的最小灰度值，T1为形态变化阈值。如果种子点不满足深度形态变化判定，则去除该待定种子点。

2.3.2 生长过程
区域生长的具体流程如下：
(1）将种子点坐标放入种子点集seeds。
(2）顶出种子点集中的一个种子点，对种子点八邻域的像素点进行相似准则判断；满足相似准则条件的点，视为种子点放入种子点集seeds。
(3）将顶出的种子点存入种子集S。
(4）如果种子点集内没有元素，则跳到步骤（4）；如果种子点集中还有元素，则跳到步骤（2）。
(5）生成一张和输入图像长宽一致，像素值全为0的图像I。
(6）将图像I中对应种子集S坐标的像素值置为255，得到分割图像I’。
其中生长的相似准则为：

式（11）中，gray (seed)为当轮种子点的灰度值，gray (8＿n)为其八邻域各点的像素值，Thresh为设置的阈值。区域生长结果如图7所示。

图7 区域生长结果
3 实验过程
图像分割就是按照预先设定的规则，将图像分割为有意义的前景和背景的过程。区域生长是一个分割效果比较好的算法，但前提是需要找到适合的种子点。单一的分割算法就容易遇到这种不足的情况，结合使用形态学和阈值分割的方法来找到合适的种子点，帮助区域生长算法完成分割任务，达到满足要求的分割效果，分割方法流程如图8所示。

图8 分割流程图
首先对输入的图片进行灰度化处理，变成单通道的灰度图片，然后滤波去除噪声，使图像更平滑，选择合适的阈值进行阈值分割，在利用开运算去除掉分割后较小的前景，以各前景区域的中心点为起始种子点，进行区域生长，得到最终所满足要求的前景。

二、部分源代码

function varargout = untitled(varargin)
% UNTITLED M-file for untitled.fig
%      UNTITLED, by itself, creates a new UNTITLED or raises the existing
%      singleton*.
%
%      H = UNTITLED returns the handle to a new UNTITLED or the handle to
%      the existing singleton*.
%
%      UNTITLED('CALLBACK',hObject,eventData,handles,...) calls the local
%      function named CALLBACK in UNTITLED.M with the given input arguments.
%
%      UNTITLED('Property','Value',...) creates a new UNTITLED or raises the
%      existing singleton*.  Starting from the left, property value pairs are
%      applied to the GUI before untitled_OpeningFcn gets called.  An
%      unrecognized property name or invalid value makes property application
%      stop.  All inputs are passed to untitled_OpeningFcn via varargin.
%
%      *See GUI Options on GUIDE's Tools menu.  Choose "GUI allows only one
%      instance to run (singleton)".
%
% See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES% Edit the above text to modify the response to help untitled% Last Modified by GUIDE v2.5 21-May-2021 23:07:23% Begin initialization code - DO NOT EDITgui_Singleton = 1;
gui_State = struct('gui_Name',       mfilename, ...'gui_Singleton',  gui_Singleton, ...'gui_OpeningFcn', @untitled_OpeningFcn, ...'gui_OutputFcn',  @untitled_OutputFcn, ...'gui_LayoutFcn',  [] , ...'gui_Callback',   []);
if nargin && ischar(varargin{1})gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1});
endif nargout[varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});
elsegui_mainfcn(gui_State, varargin{:});
end
% End initialization code - DO NOT EDIT% --- Executes just before untitled is made visible.
function untitled_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)
% This function has no output args, see OutputFcn.
% hObject    handle to figure
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
% varargin   command line arguments to untitled (see VARARGIN)% Choose default command line output for untitled
handles.output = hObject;% Update handles structure
guidata(hObject, handles);% UIWAIT makes untitled wait for user response (see UIRESUME)
% uiwait(handles.figure1);% --- Outputs from this function are returned to the command line.
function varargout = untitled_OutputFcn(hObject, eventdata, handles)
% varargout  cell array for returning output args (see VARARGOUT);
% hObject    handle to figure
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)% Get default command line output from handles structure
varargout{1} = handles.output;% --- Executes on button press in pushbutton1.
function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to pushbutton1 (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)global im;
global str;
[filename,pathname]=uigetfile_new({'*.*'},'选择训练图片...');
str=[pathname  filename];
im=imread(str);
axes(handles.axes1);
imshow(im);% --- Executes on button press in pushbutton2.
function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to pushbutton2 (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
global im1;
global str1;
[filename,pathname]=uigetfile_new({'*.*'},'选择测试图片...');
str1=[pathname  filename];
im1=imread(str1);
axes(handles.axes2);
imshow(im1);% --- Executes on button press in pushbutton3.
function pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to pushbutton3 (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
global im;
global im1;
global str1;
se1 = strel('disk',5);
se2 = strel('square',16);
thresh1 = 0.2;
thresh2 = 0.01;
imtra = im2double(im);
rt = imtra(:,:,1);
gt = imtra(:,:,2);
bt = imtra(:,:,3);
idxr1 = find(rt>0);
idxg1 = find(gt>0);
idxb1 = find(bt>0);mr1 = mean(rt(idxr1));
mg1 = mean(gt(idxg1));
mb1 = mean(bt(idxb1));clear idxr1 idxg1 idxb1 idxgr1;
im1=imread(str1);
I1 = im2double(im1);
col = size(I1,2);
rate = 1600/col;
I1 = imresize(I1,rate);
r1 = I1(:,:,1);
g1 = I1(:,:,2);
b1 = I1(:,:,3);
[row1,col1] = size(r1);
r1 = abs(r1 - mr1);
g1 = abs(g1 - mg1);
b1 = abs(b1 - mb1);x1 = (r1+g1+b1)./3;
figure(1);
imshow(x1,[]);
title('减去颜色分量');
x1 = im2bw(x1,10/255);figure(12);
imshow(x1,[]);
title('二值化图像');x1 = imopen(x1,se1);
x1 = imclose(x1,se2);
figure(2);
imshow(x1,[]);
title('开闭运算后');
y1 = adjvar(g1);
y1 = im2bw(y1,50/255);
figure(3);
imshow(y1,[]);
title('计算像素方差并二值化');
x1 = -x1+1;
x1_labeled = bwlabel(x1);
%显示连通区域
%得到连通区域数量
x1_num = max(max(x1_labeled));
%显示原图像，以便后面在循环中作标记
figure(4);
imshow(I1);
title('识别结果');
for i = 1:x1_numx1_idx = find(x1_labeled==i);y1_idx = find(y1(x1_idx)==1);%如果当前连通区域中对应的方差二值图像中前景像素数占连通区域总像素数比例大于%某一阈值，则认为是马唐草，在原图像上作标记，此处没有准确计算应标记的位置。if(size(y1_idx,1)/size(x1_idx,1)>thresh1)idx = x1_idx(floor(1+size(x1_idx,1)/2));r = mod(idx,row1);c = ceil(idx/row1);text(c,r,'马唐草','color','black');end
end% --- Executes on button press in pushbutton4.
function pushbutton4_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to pushbutton4 (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
clear all
clc
close(gcf)

三、运行结果

四、matlab版本及参考文献

1 matlab版本
2014a

2 参考文献
[1] 蔡利梅.MATLAB图像处理——理论、算法与实例分析[M].清华大学出版社，2020.
[2]杨丹,赵海滨,龙哲.MATLAB图像处理实例详解[M].清华大学出版社，2013.
[3]周品.MATLAB图像处理与图形用户界面设计[M].清华大学出版社，2013.
[4]刘成龙.精通MATLAB图像处理[M].清华大学出版社，2015.