数学形态学及基本运算

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1、 第二章数学形态学的基本运算2.1 二值腐蚀和膨胀二值图象是指那些灰度只取两个可能值的图象，这两个灰度值通常取为 0 和 1。习惯上认为取值 1 的点对应于景物中的点，取值为 0 的点构成背景。这类图象的集合表示是直接的。考虑所有 1 值点的集合(即物体)X ，则 X 与图象是一一对应的。我们感兴趣的也恰恰是 X 集合的性质。如何对集合 X 进行分析呢 ?数学形态学认为，所谓分析，即是对集合进行变换以突出所需要的信息。其采用的是主观“探针”与客观物体相互作用的方法。 “探针”也是一个集合，它由我们根据分析的目的来确定。术语上，这个“探针”称为结构元素。选取的结构元素大小及形状不同都会影响图象处

2、理的结果。剩下的问题就是如何选取适当的结构元素以及如何利用结构元素对物体集合进行变换。为此，数学形态学定义了两个最基本的运算，称为腐蚀和膨胀即 1。2.1 .1 二值腐蚀运算腐蚀是表示用某种“探针”(即某种形状的基元或结构元素) 对一个图象进行探测，以便找出图象内部可以放下该基元的区域。它是一种消除边界点，使边界向内部收缩的过程。可以用来消除小且无意义的物体。腐蚀的实现同样是基于填充结构元素的概念。利用结构元素填充的过程，取决于一个基本的欧氏空间概念平移。我们用记号 A 二表示一个集合A 沿矢量 x 平移了一段距离。即 :集合 A 被 B 腐蚀，表示为 A B，其定义为:其中 A 称为输入图象

3、，B 称为结构元素。A B 由将 B 平移 x 仍包含在 A 内的所有点 x 组成。如果将 B 看作模板，那么， A B 则由在将模板平移的过程中，所有可以填入 A 内部的模板的原点组成。根据原点与结构元素的位置关系，腐蚀后的图象大概可以分为两类:(1)如果原点在结构元素的内部，则腐蚀后的图象为输入图象的子集，如图 2.1 所示。(2)如果原点在结构元素的外部，那么，腐蚀后的图象则可能不在输入图象的内部，如图 2.2 所示。图 2.1 腐蚀类似于收缩腐蚀除了用填充形式表示外，还有一个更重要的表达形式:这里，腐蚀可以通过将输入图象平移 -b(b 属于结构元素 )，并计算所有平移的交集而得到。2

4、1.2 二值膨胀运算膨胀是腐蚀运算的对偶运算，可以通过对补集的腐蚀来定义。我们以 Ac 表示集合 A的补集， 表示 B 关于坐标原点的反射。那么，集合 A 被 B 膨胀，表示为 AB，其定义为:为了利用结构元素 B 膨胀集合 A，可将 B 相对原点旋转 180得到 ，再利用 对BAc 进行腐蚀。腐蚀结果的补集，便是所求的结果，如图 2.3 所示。图 2.3 利用正方形膨胀膨胀还可以通过相对结构元素的所有点平移输入图象，然后计算并集得到，可用如下表达式描述:此方程定义的膨胀，历史上称为 Minkowski 和。本文对要测试的原始图象(如图 2.4)分别进行了腐蚀运算和膨胀运算，得到的结果如图2.

5、5，2.6 所示。 图 24 原始图象 图 2.5 腐蚀图象 图 2.6 膨胀图象2.1 .3 腐蚀和膨胀的代数性质膨胀满足两个最基本的运算关系，一个是交换律，另一个是结合律。即:由式(2.2)可见，腐蚀运算是不可交换的，但腐蚀运算具有结合律。A (B C)=(A B) C=(A C) B (2.8)式(2.7)表明，当图象 A 用一个大的结构元素 BC 去腐蚀时，其结果与用 B 和 C 连续腐蚀时相同，而腐蚀结果与用结构元素 B、C 的腐蚀顺序无关。根据这一性质，我们可以只存储一些简单而基本的结构元素 B，C 等等，一旦需要时便可由他们对图象做连续腐蚀，以取代各种复杂的结构元素。腐蚀和膨胀运

6、算具有以下的性质。(l)腐蚀、膨胀和图象之并:即对 U 是可分配的， 对 U 是不可分配的。(2)腐蚀、膨胀和图象之交:(3)关于腐蚀和膨胀(4)若 B1，B 2，B n 是一系列结构元素，则有2.1 .4 腐蚀和膨胀的滤波性质数学形态学中的腐蚀和膨胀运算与基本的集合运算之间存在着一种代数运算对应关系，这是数学形态学一个很吸引人的性质。下面讨论与形态学滤波有关的一些性质。(l)平移不变性腐蚀和膨胀都具有平移不变性。对于膨胀，这意味着，首先平移图象，然后利用一个给定的结构元素对其做膨胀处理，和先用一个给定的结构元素对图象做膨胀处理，然后做平移处理所得结果是一样的，即(A+x)B=(AB)+x (

7、2 .22)对于腐蚀，平移不变性具有下面的形式:(A+x) B=(A B)+x (223)在考虑平移不变性的时候，必须注意的是，平移不变性是针对平移图象，而不是针对结构元素而言的。(2)递增性腐蚀和膨胀都具有递增性，如果 A1 为 A2 的子集，则 A1B 为 A2B 的子集，A1 B 为 A2 B 的子集。另外，腐蚀的递增性是相对结构元素及输入图象的次序，即包含关系而言的。如果 A 是一个固定的图象， B1 是 B2 的一个子集，那么，B 1 比 B2 更容易填入 A 的内部，因而，A B1 包含 A B2。(3)对偶性前面指出，膨胀是腐蚀的对偶运算。因为膨胀可以通过对图象的补集作腐蚀运算求

8、得，腐蚀也可以通过对图象的补集作膨胀运算求得，即2.2 二值开运算和闭运算在形态学图象处理中，除了腐蚀和膨胀两种基本运算外，还有两种由腐蚀和膨胀定义的运算，即开运算和闭运算 3,4。这两种运算是数学形态学中最主要的运算或变换。从结构元素填充的角度看，它们具有更为直观的几何形式，同时提供了一种手段，使得我们可以在复杂的图象中选择有意义的子图象。2.2.1 二值开运算假定 A 仍为输入图象， B 为结构元素，利用 B 对 A 作开运算，用符号 AoB 表示，其定义为:所以，开运算实际上是 A 先被 B 腐蚀，然后再被 B 膨胀的结果。开运算还可以用其它符号表示，如 O(A，B)，OPEN(A，B)

9、和 AB，在本文中，我们采用 O(A，B)来表示。开运算能从一个图象 A 中选取一个与结构元素 B 相匹配的子集合，该子集合的性质是:上式表示图象 A 对结构元素 B 的开运算。精确地选择集合 A 中的点 x，当 x 被结构元素 B 或其平移 B，覆盖的同时，结构元素必须整个包含在集合 A 内部，由此可以得出开运算是一个反延伸性质的运算。式(2 .10)也可改写为:这种写法形象地描述了开运算的特性:当结构元素 B 扫过整个图象 A 集合内部，那些使结构元素 B 的任何象素不超出图象 A 边界的图象 A 的象素点的集合，就是 O(A，B)。开运算的这种基本的几何形状匹配性质在图象处理中是非常有用

10、的。它可以用来分解图象，抽取图象中有意义且独立的图象元。通常的例子是用圆盘对矩形作开运算，通过 2.1 节对腐蚀和膨胀运算的描述，我们不难得到开运算的结果，如图 2.7 所示。图 2.7 利用圆盘开运算从图 2.7 我们看到，开运算具有两个显著的作用:利用圆盘可以磨光矩形内边缘; 用 A-O(A，B)可以得到图象的尖角，因此圆盘的圆化作用可以起到低通滤波的作用。本文对要测试的原始图象(图 2.4)进行了开运算，选取 3 x 3、5 x 5、7x7 三种大小不同的菱形结构元素，所得结果如图 2.8(a)、2.8(b)、2.8(c)所示。另外，采用 5 x 5 的菱形、线形、正方形、圆形结构元素，

11、所得结果如图 2.9(a)、2.9(b)、2.9(c)、2.9(d)所示。由图可以看出，目标周围的噪声块得到了一些有效处理，而且处理的效果与结构元素形状与大小的选取有密切关系。(a) 3x3 结构元素 (b)5x5 结构元素 (c)7x7 结构元素图 2.8(a)菱形 (b)线形(c)方形 (d)圆形图 2 .92.2.2 二值闭运算闭运算是开运算的对偶运算，定义为先作膨胀然后再作腐蚀。利用 B 对 A 作闭运算表示为 AB，其定义为:闭运算还可以表示为 C(A，B) ，cL0sE(A，B)和 AB，在本文中，我们采用 C(A，B)来表示。另外，因为开闭运算互为对偶运算，还满足下面的性质:我们

12、还可以采用以下方法来描述闭运算:该集合中包含所有这样的点 x，x 被一个平移的的镜象结构元素 t 覆盖的同时， tBB与 A 图象必有一些公共点，由此看出，初始图象 A 包含在 C(A，B)中，即闭运算是具有延伸性的运算。图 2.10 描述了闭运算的过程及结果。 图 2.10 利用圆盘闭运算显然，用闭运算对图形的外部做滤波，仅仅磨光了凸向图象内部的边角。本文对要测试的原始图象(如图 2.4)进行了闭运算，选取 3 x3、5x5、 7x7 三种大小不同的菱形结构元素，所得结果如图 2.11(a)、2.11(b)、2.11(c)所示。另外，采用 5x5 的菱形、线形、正方形、圆形结构元素，所得结果

13、如图 2.12(a)、2.12(b)、2.12(c)、2.12(d)所示。发现目标内部的噪声块得到了一些有效处理，处理的效果与结构元素形状和大小的选取有密切关系。利用结构元素对图象做闭运算，可以填充目标内部狭窄的裂缝和长细的窄沟，消去小的孔洞。(a)3x3 结构元素 (b)5x5 结构元素 (c)7x7 结构元素图 2 .11(a)菱形 (b)线形(c)方形 (d)圆形 图 2 .122.2.3 开、闭运算的滤波性质经过上面的讨论，我们可以得出开闭运算的滤波性质:(l)平移不变性O(A+x)，B)=O(A，B)+x (2.33)C(A+x)，B)=C(A，B)+x (2.34)(2)递增性若

14、A1 A2，则O(Al，B) O(A2，B) (2.35)C(Al，B) C(A2，B) (2 .36)(3)延伸性开运算是是非延伸的:O(A，B)是 A 的子集; 而闭运算是延伸的， A 是 C(A，B)的子集。由此可得:O(A，B) A C(A，B) (2.37)(4)幂等性在对一个图象 A 用结构元素进行开运算后，若再用同一结构元素进行又一次开运算，则所得结果不变，这种性质叫做幂等性。同样，闭运算也具有幂等性。O(A，B)，B)=O(A，B) (2 .38)C(A，B)，B)=C(A，B) (2.39)(5)对偶性开闭运算互为对偶运算。O(A，B)=C(A C，B) C (2.40)C(A，B)=O(A C，B) C (2.41)2.3 小结本章首先介绍了数学形态学最基本的运算:腐蚀运算和膨胀运算。然后又介绍了由腐蚀和膨胀所定义的开运算和闭运算，并对这四种运算的滤波性质以及腐蚀和膨胀运算的代数性质进行了分析。而且通过实验证明结构元素的大小及形状对数学形态学运算的结果会产生不同的影响。我们看到，依靠数学形态学基本运算的支持，产生了一些新颖、有效的思想和方法，它们在实际中的应用开拓了相当吸引人的领域。这也证实了数学形态学这一方法的生命力。计算机模拟实验表明，基于数学形态学进行图象处理所得到的效果更适合视觉信息的处理和分析。