图像的纹理分析技术

图像的纹理分析技术

长春理工大学 侯斯文

摘 要：在图像分析中，纹理是很重要的概念。我们可以将纹理看做是有许多相互接近、相互编制的元素构成，并且富有周期性。纹理是由图像灰度在空间位置上交替变化形成的，反映了图像灰度级的空间分布情况，是图像分析的重要指标之一。除此之外，像Laws纹理能量法，就是典型的一种一阶方法，计算起来比灰度共生矩阵这种二阶方法简单，在纹理分析领域也有着重要的影响。同时，纹理分析也面临着理论高于实际等问题，需要引起更多关注。

关键词：纹理分析 灰度共生矩阵 Laws纹理测量法 能量转换

今天，我要为大家介绍的是纹理分析技术。谈到纹理分析技术，首先 我们要明白纹理的概念。纹理是指图像处理，图像真实感造型领域很重要的概念。在应用方面的研究已经非常广泛和深入，基于样图的纹理合成技术是近年来发展起来的新的纹理合成技术。这是一个很广泛的定义，因为纹理具有广泛性和多样性，所以 到目前没有一个十分明确的，统一的定义。纹理大致可分为三类：结构性纹理，随机性纹理，既有结构性纹理又有随机性纹理。

下图为三类纹理：

了解了纹理的含义和分类。下面 我们将介绍纹理分析技术。

一、 纹理分析的定义

纹理分析是从遥感图像分析技术中发展起来的。纹理分析是指通过一定的预处理技术抽取图像纹理特征, 并对纹理进行定量或定性的描述, 它一直是数字图像处理与计算机视觉领域研究的热点和难点。图像纹理分析方法主要包括统计分析法，结构分析法。其次，还有频谱分析法，模型分析法。统计分析法主要是从图像有关属性的统计出发，基于图像像素的灰度值得分布与相互关系，找出反映这些关系的特征。基本原理是选择不同的统计量对纹理图像的统计特征进行提取。结构分析法是分析图像纹理的结构，从中获取结构特征。首先将纹理看成许多纹理基元按照一定位置的规则组成，然后分两步处理。

二、 空间灰度分布

现代科学技术正在高速发展，而其中一个重要的方向就是机器视觉。而且纹理图像分析作为机器视觉系统的重要基础技术，在图像目标识别、跟踪和图像内容理解方面起到越来越重要的作用。并且纹理是图像本身的固有属性, 是由图像灰度在空间位置上交替变化形成的, 反映了图像灰度级的空间分布情况, 是图像分析中的一个重要指标。

据我们所知，纹理是由灰度分布在空间位置上反复出现而形成的，因而在图像空间中相隔某

距离的两象素之间会存在一定的灰度关系，即图像中灰度的空间相关特性。而灰度共生矩阵分析法就是统计分析中的一种重要方法, 它通过研究图像中两个像素灰度级联合分布的统计形式, 精确反映图像纹理的粗糙程度、重复方向和空间复杂度。利用灰度共生矩阵可以计算图像纹理的一致性和反差性, 根据所得的参数, 并结合图像边缘检测算法来检测图像边缘是一种行之有效的方法。为了能更直观的以共生矩阵描述纹理状况，从共生矩阵导出一些反映矩阵状况的参数，典型的有能量，对比度，相关，熵，逆差距。作为纹理分析的特征量，往往不是直接应用计算的灰度共生矩阵，而是在灰度共生矩阵的基础上再提取纹理特征量，称为二次统计量。一幅图像的灰度级数一般256，这样计算的灰度共生矩阵太大。为了解决这一问题，在求灰度共生矩阵之前，常压16级。

例：设f(x,y)为一幅二维数字图象，其大小为M×N，灰度级别为Ng,则满足一定空间关系的灰度共生矩阵为：

P(i,j)=#｛(x1,y1),(x2,y2)∈M×N｜f(x1,y1)=i,f(x2,y2)=j｝

其中#(x)表示集合x中的元素个数，显然P为Ng×Ng的矩阵，若(x1,y1)与(x2,y2)间距离为d,两者与坐标横轴的夹角为θ，则可以得到各种间距及角度的灰度共生矩阵P(i,j,d,θ)。

三、Laws纹理能量测量法

Laws纹理能量法根据一对像素或其邻域的灰度组合分布作纹理测量的方法，常称为二阶统计分析方法。如果依靠单个像素及其邻域的灰度分布或某种属性去作纹理测量，其方法就称为一阶统计分析方法。显然一阶方法比二阶方法简单。用一些一阶分析方法作纹理分类，其正确率优于使用二阶方法。Laws的纹理能量测量法是典型的一阶分析方法，也是有名的通过算子计算纹理特征的方法。Laws纹理测量的基

本思想是设置两个窗口：一个是微窗口，可为3×3、5×5或7×7，常取5×5用来测量以像元为中心的小区域的灰度的不规则性，以形成属性，称为微窗口滤波； 另一个为宏窗口，为15×15或32×32，用来在更大的窗口上求属性的一阶统计量（常为均值和标准偏差），也称之为能量变换。可见这种纹理分析方法简单、有效。但所提供的模板较少，尚未更多地给出其变化性质，因此，应用受到一定的限制。

四、纹理分析面临的不足与挑战

我个人认为，纹理分析研究面临着三个重要的挑战： 1)尽管纹理分析方法种类繁多，但至今还没有一个特别有效的方法，可以让纹理分析达到十分满意的程度。广大的学者仍然在探索新的思路和途径，试图找到一个非常有效的纹理描述方法。 2)虽然现实中的场景都是彩色的，但目前有关纹理的研究大部分都集中在灰度纹理领域。彩色纹理处理方法受人们关注过少，有待人们发现新的，更合适的处理方法。 3)纹理分析方法尽管在理论探索方面有很多成果，然而很多方法由于理论性较高，实际性欠缺，很难被其他领域的研究人员所采用，造成了局限性，影响了纹理分析的发展。