基于主梯度編碼局部二進(jìn)制模式的花粉圖像識(shí)別

謝永華，韓麗萍

(1.南京信息工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院，南京210044; 2.江蘇省網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心(南京信息工程大學(xué))，南京210044)

(*通信作者電子郵箱hanliping93@163.com)

0 引言

花粉顆粒分類識(shí)別在植物育種、過(guò)敏花粉指數(shù)預(yù)報(bào)、藥物研制以及古氣候重建［1］等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。目前花粉鑒別主要是借助于顯微鏡的人工目視鑒別［2］，需要操作者具有豐富的孢粉學(xué)專業(yè)知識(shí)，鑒別過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力［3］，且鑒定結(jié)果易受主觀影響，準(zhǔn)確度普遍不高。鑒于顯微鏡下的花粉圖像具有跟普通圖像類似的輪廓、紋理以及結(jié)構(gòu)特征，利用計(jì)算機(jī)對(duì)花粉圖像進(jìn)行特征提取和自動(dòng)分類已經(jīng)成為花粉鑒別的有效手段［4］。

自從Stillman等［5］建議在孢粉學(xué)中使用算法來(lái)對(duì)花粉進(jìn)行分類識(shí)別以來(lái)，越來(lái)越多的花粉圖像特征提取和識(shí)別算法被提出，其中紋理作為一種有效的花粉圖像特征，得到了廣泛研究和關(guān)注。例如，Kong等［6］使用字典學(xué)習(xí)和稀疏編碼(Dictionary Learning and Sparse Coding，DLSC)來(lái)提取花粉粒的紋理和形狀特征，獲得了86.13%的識(shí)別率，該方法選取訓(xùn)練圖像的樣本塊構(gòu)建字典，然后通過(guò)空間感知稀疏編碼對(duì)測(cè)試圖像的樣本塊進(jìn)行快速匹配從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試圖像的分類，該方法的識(shí)別率很大程度上取決于樣本塊的選取以及所選樣本塊的數(shù)量。Guru等［7］提出了一種基于表面紋理的花粉圖像分類模型，使用Gabor小波、局部二進(jìn)制模式(Local Binary Pattern，LBP)、灰度共生矩陣 (Gray-Level Co-occurrence Matrix，GLCM)和灰度差分矩陣(Gray-Level Difference Matrix，GLDM)提取花粉的紋理特征，并將這些特征組合用于花粉識(shí)別——GLGG(Combined Gabor-LBP-GLCM-GLDM)，識(shí)別率達(dá)到了91.66%，但該方法的組合特征維數(shù)較高，識(shí)別率受圖像質(zhì)量變換影響較大。Marcos等［8］將灰度共生矩陣(GLCM)、Log-Gabor濾波器(Log-Gabor Filter，LGF)、局部二進(jìn)制模式(LBP)和離散正交矩(Discrete Tchebichef Moment，DTM)相結(jié)合GLLD(Combined GLCM-LGF-LBP-DTM)來(lái)提取花粉圖像的紋理特征，獲得了94.83%的識(shí)別率，但該融合紋理特征中包含了大量的冗余信息，計(jì)算復(fù)雜度高。Daood等［9］將花粉圖像分解到多個(gè)特征層MLFD(Multi-Layer Feature Decomposition)，分別提取每層的紋理特征和幾何特征，獲得了86.94%的識(shí)別率，但該方法對(duì)花粉圖像旋轉(zhuǎn)的魯棒性不強(qiáng)。

局部二進(jìn)制模式作為一種有效的紋理特征提取方法，近年來(lái)得到了不斷的發(fā)展和演化。Zhang等［10］提出了基于多像素塊的局部二進(jìn)制模式(Multi-Block Local Binary Pattern，MBLBP)，該方法對(duì)圖像進(jìn)行局部平滑來(lái)提取LBP紋理特征，增強(qiáng)了特征對(duì)噪聲的魯棒性，但對(duì)圖像進(jìn)行局部平滑也在一定程度上削弱了算子的特征鑒別力，降低了算法的識(shí)別率。Wolf等［11］提出了三斑塊局部二進(jìn)制模式(Three Patches Local Binary Pattern，TPLBP)，該方法旨在挖掘基于像素強(qiáng)度差的二進(jìn)制模式方法未能捕獲的信息，但因其編碼順序固定，故不具有旋轉(zhuǎn)不變性，且鄰域像素塊與中心像素塊的相似度度量增加了算法的計(jì)算復(fù)雜度。Ren等［12］提出了抗噪聲局部二進(jìn)制模式(Noise-Resistant Local Binary Pattern，NRLBP)，該方法降低了噪聲干擾對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響，但對(duì)圖像的旋轉(zhuǎn)變化魯棒性不高，且隨著采樣點(diǎn)數(shù)的增加，算法的計(jì)算量會(huì)急劇增大。

針對(duì)上述問題，本文對(duì)傳統(tǒng)LBP方法的采樣策略和權(quán)重分配方式進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種基于主梯度編碼局部二進(jìn)制模式(Dominant Gradient encoding based Local Binary Pattern，DGLBP)的花粉圖像識(shí)別方法。不同于傳統(tǒng)LBP及其改進(jìn)方法，該方法通過(guò)計(jì)算花粉圖像主梯度方向的梯度幅值來(lái)提取花粉圖像的主要紋理特征，降低了噪聲干擾的影響，且摒棄了一些對(duì)特征貢獻(xiàn)小的冗余信息。為更完備地表示花粉圖像的全局和局部紋理特征，提出了多角度采樣策略來(lái)同時(shí)提取花粉圖像在不同尺度下的徑向、角向和復(fù)合紋理特征。考慮到顯微鏡下的花粉圖像均存在不同程度的角度旋轉(zhuǎn)，提出了自適應(yīng)加權(quán)方向，權(quán)重分配方向取決于每個(gè)局部區(qū)域的紋理分布情況。為驗(yàn)證DGLBP方法的有效性，分別在Confocal數(shù)據(jù)集和 Pollenmonitor數(shù)據(jù)集上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，本文還將DGLBP方法與近期4個(gè)花粉識(shí)別方法以及3個(gè)LBP改進(jìn)方法進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了DGLBP方法有較好的識(shí)別效果，且對(duì)花粉圖像的噪聲干擾和旋轉(zhuǎn)變化具有較好的魯棒性。

1 基于主梯度編碼的局部二進(jìn)制模式

1.1 多角度紋理特征提取

自2006年Hinton等［13］首次提出深度學(xué)習(xí)的概念以來(lái)，越來(lái)越多的研究者致力于用深度學(xué)習(xí)的方法來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行分類和識(shí)別并取得了較好的應(yīng)用效果;但直接使用深度學(xué)習(xí)的方法來(lái)提取圖像特征可能會(huì)忽略圖像的局部結(jié)構(gòu)特征，所以張?chǎng)┑龋?4］提出了一種基于局部二進(jìn)制模式和深度學(xué)習(xí)的方法并將其應(yīng)用于人臉識(shí)別。考慮到不同種群的花粉圖像多以紋理差異相互區(qū)分，深度學(xué)習(xí)的方法可能不能很好地提取花粉圖像細(xì)微的紋理差異，所以本文采用局部二進(jìn)制模式來(lái)提取花粉圖像的紋理特征。局部二進(jìn)制模式是紋理特征提取的主要方法之一，對(duì)于一幅圖像，傳統(tǒng)LBP定義為將一個(gè)方形區(qū)域的8個(gè)邊緣像素點(diǎn)二值化，編碼僅考慮鄰域像素與中心像素的像素差，若差值為負(fù)則將該鄰域像素點(diǎn)編碼為0，否則編碼為1，按照一定的順序?qū)⒍祷蟮木幋a組成一個(gè)8位二進(jìn)制串，該二進(jìn)制串對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值即反映了中心像素周圍的紋理分布情況，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)LBP量化過(guò)程Fig.1 Quantification process of traditional LBP

LBP特征具有較強(qiáng)的分類能力和較高的計(jì)算效率，且對(duì)于單調(diào)的灰度變化具有不變性［15－16］。但傳統(tǒng)LBP及其改進(jìn)方法大多都是通過(guò)比較單個(gè)像素值或像素塊的平均值進(jìn)行編碼［17］，通常存在對(duì)噪聲敏感、對(duì)圖像的旋轉(zhuǎn)的魯棒性不高等問題。

為此，本文對(duì)傳統(tǒng)LBP方法的采樣策略和編碼方式進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種自適應(yīng)主梯度編碼的局部二進(jìn)制模式，具體計(jì)算步驟如下。

1.1.1 多角度采樣

1)計(jì)算主梯度方向。

計(jì)算圖像中除邊緣像素點(diǎn)外所有像素點(diǎn)的梯度，對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)的梯度角向下取整，這樣整個(gè)圖像的梯度方向便離散化為8個(gè)方向。將所有像素點(diǎn)的梯度幅值分別加權(quán)到8個(gè)離散方向，取最大的梯度累加值所在的方向?yàn)閳D像的主梯度方向值，記為DGD(Dominant Gradient Direction)。圖2給出了一個(gè)3×3圖像塊主梯度方向的計(jì)算過(guò)程。

圖2 3×3圖像塊主梯度方向的計(jì)算過(guò)程Fig.2 Calculation process of dominant gradient direction of 3×3 image block

其中:gx(x，y)和gy(x，y)分別是像素點(diǎn)f(x，y)水平方向和垂直方向的梯度;g(x，y)和θ(x，y)分別對(duì)應(yīng)著梯度幅值和梯度角。

2)計(jì)算圖像塊的梯度幅值。

對(duì)于某一像素點(diǎn)f(x，y)，其梯度計(jì)算公式如下:

對(duì)于每一個(gè)圖像塊，將主梯度方向上的所有像素點(diǎn)的梯度幅值累加作為該圖像塊的梯度幅值，記為 G(Br，p，m，i)，其中Br，p，m，i為處于采樣點(diǎn)數(shù)為 P、半徑為 r的圓形鄰域上的，標(biāo)號(hào)為i的m×m大小的圖像塊。具體計(jì)算公式如下:

其中:gr，P，m，i，j和 θr，P，m，i，j分別為標(biāo)號(hào)為 i的圖像塊的第 j個(gè)像素點(diǎn)的梯度幅值和梯度角;DGD為主梯度方向值。對(duì)于一個(gè)3×3的圖像塊，其梯度幅值的計(jì)算過(guò)程如圖3所示。

圖3 3×3圖像塊梯度幅值的計(jì)算過(guò)程Fig.3 Calculation process of gradient magnitude of 3×3 image block

3)提取徑向、角向以及復(fù)合梯度差。

計(jì)算花粉圖像的徑向梯度差、角向梯度差以及復(fù)合梯度差，分別將它們記為RGD(Radial Gradient Difference)、AGD(Angle GradientDifference)和 MGD(Multiple Gradient Difference)。

RGD定義為圓形鄰域上的像素塊與中心像素塊的梯度差，具體計(jì)算公式如下:

其中:r為圓形鄰域的半徑;P為采樣點(diǎn)數(shù);m表示像素塊的大小;i為像素塊的編號(hào)(i=0，1，…，P － 1);Bc，m是以像素點(diǎn) xc為中心的中心像素塊。

AGD定義為圓形鄰域上各像素塊與自身相鄰兩個(gè)像素塊的梯度差，具體計(jì)算公式如下:

MGD首先計(jì)算外環(huán)與內(nèi)環(huán)上編號(hào)相差1的像素塊的梯度差，記為Q，然后按逆時(shí)針方向計(jì)算每個(gè)梯度差與其之后的第3個(gè)梯度差的差值，具體計(jì)算公式如下:

以 圖 4 為 例，徑 向 梯 度 差 RGDr1，8，3，0、角 向 梯 度 差A(yù)GDr1，8，3，0以及復(fù)合梯度差 MGD8，3，0的計(jì)算如下:

1.1.2 自適應(yīng)加權(quán)

為反映不同方向上的紋理變化，本文同時(shí)提取花粉圖像的徑向、角向以及復(fù)合紋理特征，分別表示為 DLBP_RD、DLBP_AD和DLBP_MD。

傳統(tǒng)LBP及其一些演化算子為每個(gè)固定的二進(jìn)制位賦予固定的權(quán)重，當(dāng)圖像發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，這些以圓形方式排列的二進(jìn)制碼的位置也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，使得最終表示局部區(qū)域紋理特征的十進(jìn)制數(shù)發(fā)生較大的變化。為解決無(wú)法判斷花粉圖像是否發(fā)生了旋轉(zhuǎn)且旋轉(zhuǎn)角度不確定的問題，提出了基于局部參考方向的權(quán)重分配方式，將這個(gè)參考方向定義為自適應(yīng)加權(quán)方向，記為D*(“*”表示不同方向上的紋理特征)，在下文會(huì)給出具體賦值。當(dāng)圖像發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，自適應(yīng)加權(quán)方向也會(huì)旋轉(zhuǎn)相同的角度，使得參照自適應(yīng)加權(quán)方向排列的二進(jìn)制串不會(huì)因圖像的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生改變，增強(qiáng)了特征對(duì)圖像旋轉(zhuǎn)變化的魯棒性。對(duì)于局部圖像塊的中心像素點(diǎn)xc，不同方向紋理特征的自適應(yīng)權(quán)重分配方式如下。

圖4 DGLBP采樣圖Fig.4 Sampling figure of DGLBP

1)徑向紋理特征DLBP_RD。

DLBP_RD的自適應(yīng)加權(quán)方向定義為與中心像素塊的梯度差值最大的圓形鄰域像素塊的編號(hào)，記為DR，以DR為初始點(diǎn)按逆時(shí)針方向依次給相應(yīng)位置的二進(jìn)制碼分配權(quán)重，最后求得的十進(jìn)制值即反映了中心像素點(diǎn)的徑向紋理特征。具體計(jì)算公式如下:

其中，S(x)為符號(hào)函數(shù)，定義為:

2)角向紋理特征DLBP_AD。

DLBP_AD的自適應(yīng)加權(quán)方向定義為圓形鄰域上與相鄰像素塊的梯度差值最大的像素塊編號(hào)，記為DA，然后以DA為編碼起始點(diǎn)按逆時(shí)針方向給相應(yīng)的二進(jìn)制碼分配權(quán)重，最后求得的十進(jìn)制值即反映了中心像素點(diǎn)的角向紋理特征。具體計(jì)算公式如下:

3)復(fù)合紋理特征DLBP_MD。

DLBP_MD的自適應(yīng)加權(quán)方向定義為使外環(huán)與內(nèi)環(huán)上編號(hào)相差1的像素塊的梯度差值最大的外環(huán)像素塊的編號(hào)，記為DM，然后以DM為編碼起始點(diǎn)按逆時(shí)針方向給相應(yīng)的二進(jìn)制碼分配權(quán)重，最后求得的十進(jìn)制值即反映了中心像素點(diǎn)的復(fù)合紋理特征。具體計(jì)算公式如下:

1.2 多尺度紋理統(tǒng)計(jì)特征

對(duì)于一個(gè)普通大小的局部圖像塊，DLBP_RD、DLBP_AD和DLBP_MD三個(gè)用于提取不同紋理特征的算子得到的二進(jìn)制模式數(shù)目較多，這將會(huì)得到一個(gè)相對(duì)稀疏的直方圖，影響了直方圖的統(tǒng)計(jì)效果。為減少冗余的二進(jìn)制模式，同時(shí)又保留足夠的具有重要描繪能力的特征信息，本文對(duì)上述三種類型的二進(jìn)制模式進(jìn)行分類，其中0/1或1/0跳變次數(shù)不超過(guò)2的歸為均勻模式，跳變次數(shù)大于2的統(tǒng)歸為非均勻模式［18］。檢驗(yàn)?zāi)撤N模式是否是均勻模式的方法就是將其與其移動(dòng)一位后的二進(jìn)制模式按位求差，然后統(tǒng)計(jì)非零差值的個(gè)數(shù)，定義如下:

其中:U值表示0/1或1/0的跳變次數(shù);δi(G(B))表示第i組像素塊的主梯度幅值的差。對(duì)于采樣點(diǎn)數(shù)為P的局部二進(jìn)制模式，均勻模式共有P(P－1)+2種，對(duì)于上述三種紋理描述子，當(dāng)其采樣點(diǎn)為8時(shí)，二進(jìn)制編碼可從原來(lái)的256種降低到59種。

將同一尺度下DLBP_RD、DLBP_AD和DLBP_MD三個(gè)算子的直方圖統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行組合，記為DGLBPL，L為當(dāng)前特征所用尺度編號(hào)，如圖5所示。DGLBPL表示為:

其中:RDL是徑向紋理特征向量;ADL是角向紋理特征向量;MDL是復(fù)合紋理特征向量。RDL、ADL、MDL表示如下:其中，k=P(P－1)+3表示特征向量的維數(shù)。DGLBP可表示為如下矩陣的形式:

圖5 DGLBPL特征直方圖Fig.5 Feature histogram of DGLBPL

2 基于DGLBP的花粉圖像分類識(shí)別

本文使用DGLBP描述子對(duì)花粉圖像進(jìn)行分類識(shí)別，首先從數(shù)據(jù)集的每類花粉圖像中選取一部分圖像作為訓(xùn)練圖像，其余的作為測(cè)試圖像，分別計(jì)算每幅花粉圖像在三個(gè)方向上的紋理特征;然后調(diào)整采樣半徑和像素塊大小來(lái)提取花粉圖像在不同尺度下的紋理特征;最后將不同尺度下的多方向紋理特征進(jìn)行融合以構(gòu)建最終的花粉圖像紋理特征。為對(duì)測(cè)試圖像進(jìn)行分類識(shí)別，計(jì)算測(cè)試圖像特征向量與所有訓(xùn)練圖像特征向量的歐氏距離，找出與測(cè)試圖像特征向量距離最短的訓(xùn)練圖像特征向量，該訓(xùn)練圖像的花粉類別即為測(cè)試圖像所屬的花粉類別。使用DGLBP描述子對(duì)花粉圖像進(jìn)行分類識(shí)別的偽代碼如算法1所示。

算法1 基于DGLBP的花粉圖像分類識(shí)別算法。

A)訓(xùn)練階段。

輸入 訓(xùn)練集T(ti表示訓(xùn)練集中的花粉圖像)，內(nèi)環(huán)半徑r，外環(huán)半徑r'，像素塊大小m;

輸出 訓(xùn)練圖像的統(tǒng)計(jì)特征。

1) for tiin T do

2) 計(jì)算圖像中除邊緣像素點(diǎn)外各像素點(diǎn)的梯度;

3) 計(jì)算圖像的主梯度方向;

觀察組患者治療過(guò)程中共出現(xiàn)1例惡心現(xiàn)象，對(duì)照組患者治療過(guò)程中出現(xiàn)4例惡心以及2例嘔吐情況；因此觀察組患者不良反應(yīng)發(fā)生率1例（2.9%）顯著低于對(duì)照組患者6例（17.1%）。

4) 計(jì)算圖像的徑向紋理特征;

5) 計(jì)算圖像的角向紋理特征;

6) 計(jì)算圖像的復(fù)合紋理特征;

7) 對(duì)三個(gè)方向上的紋理特征進(jìn)行融合;

8) 改變r(jià)、r'、m，重復(fù)2)～7)，以提取不同尺度紋理特征;

9) 對(duì)不同尺度的紋理特征進(jìn)行融合;

10) end for

B)測(cè)試階段。

輸出 測(cè)試圖像所屬類別。

11) for mjin M do 2)～9)

12) 計(jì)算與測(cè)試圖像特征向量歐氏距離最短的訓(xùn)練圖像特征向量及其所屬的花粉類別;

13) end for

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文實(shí)驗(yàn)的硬件環(huán)境為Intel Core i5-3210M@2.50 GHz處理器、6 GB運(yùn)行內(nèi)存，軟件環(huán)境為64位Windows 7操作系統(tǒng)、Matlab R2014a。分別在 Confocal數(shù)據(jù)集和 Pollenmonitor數(shù)據(jù)集上對(duì)DGLBP描述子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證，其中Confocal數(shù)據(jù)集包含了26個(gè)不同類別的389個(gè)花粉顆粒圖像，這些圖像均是通過(guò)共焦激光掃描顯微鏡手工記錄的高品質(zhì)圖像，未受到任何的污染和變形。Pollenmonitor數(shù)據(jù)集包含了來(lái)自33個(gè)不同種類的22750個(gè)花粉顆粒圖像，該數(shù)據(jù)集中的圖像在實(shí)際采集過(guò)程中，受顯微傳感器和不規(guī)則收集方法的影響，部分花粉圖像有一定程度的變形和污染，圖像質(zhì)量普遍不高。

分別選取兩個(gè)數(shù)據(jù)集上20%的花粉圖像作為訓(xùn)練樣本，其余的作為測(cè)試樣本。分別提取三個(gè)尺度的紋理特征，尺度大小如表1所示。采用歐氏距離分類器進(jìn)行分類識(shí)別。實(shí)驗(yàn)中分別采用正確識(shí)別率和平均識(shí)別時(shí)間來(lái)驗(yàn)證算法的識(shí)別性能。

3.1 Confocal數(shù)據(jù)集的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

DGLBP描述子在Confocal數(shù)據(jù)集上6類具有代表性的花粉圖像的分類結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，大部分輪廓明顯、紋理清晰以及有角度旋轉(zhuǎn)的花粉圖像均能被正確地分類和識(shí)別。

這6類花粉圖像的識(shí)別結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，對(duì)于絕大多數(shù)質(zhì)量較高的花粉圖像，DGLBP描述子的正確識(shí)別率均能達(dá)到93%以上;對(duì)于形狀簡(jiǎn)單、紋理清晰的高質(zhì)量Fagus花粉圖像，DGLBP描述子獲得了高達(dá)98.24%的正確識(shí)別率;而對(duì)于空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、旋轉(zhuǎn)角度各異的Pinus花粉圖像，該方法的正確識(shí)別率則相對(duì)較低，但也超過(guò)了85%，這是因?yàn)镻inus花粉形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同的視覺角度呈現(xiàn)出不同的形狀和雕文。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DGLBP描述子對(duì)于質(zhì)量較高的花粉圖像有著較好的識(shí)別效果，且對(duì)花粉圖像的旋轉(zhuǎn)變化具有較強(qiáng)的魯棒性。

表1 實(shí)驗(yàn)所用尺度大小Tab.1 Scale sizes used in experiment

圖6 Confocal數(shù)據(jù)集中6類典型花粉識(shí)別示例Fig.6 Recognition instances of 6 classic pollen categories from dataset Confocal

圖7 Confocal數(shù)據(jù)集中6類典型花粉的識(shí)別結(jié)果Fig.7 Recognition results of 6 classic pollen categories in dataset Confocal

3.2 Pollenmonitor數(shù)據(jù)集的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

DGLBP描述子在Pollenmonitor數(shù)據(jù)集上對(duì)6類具有代表性的花粉圖像的分類結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，大部分有著豐富紋理信息且未受到污染和變形的花粉圖像均能被正確地分類和識(shí)別。

圖9給出了這6類花粉圖像的識(shí)別結(jié)果。由圖9可以看出，DGLBP描述子對(duì)于不同類別的花粉圖像均有著較好的識(shí)別效果，平均正確識(shí)別率達(dá)到了90.25%，相應(yīng)的平均錯(cuò)誤識(shí)別率只有9.75%。產(chǎn)生錯(cuò)誤分類大多是因?yàn)榛ǚ墼诓杉^(guò)程中受到了污染或擠壓，破壞了其表面的紋理結(jié)構(gòu)。對(duì)于紋理結(jié)構(gòu)明顯的 Plantago花粉圖像，DGLBP描述子獲得了93.25%的正確識(shí)別率;而對(duì)于圖像質(zhì)量較差且受噪聲干擾嚴(yán)重的 Fagus花粉圖像，該方法的正確識(shí)別率也能達(dá)到84.73%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DGLBP描述子對(duì)圖像質(zhì)量相對(duì)較低的花粉圖像也能取得較好的識(shí)別效果，且對(duì)花粉圖像的噪聲干擾具有較好的魯棒性。

圖8 Pollenmonitor數(shù)據(jù)集中6類典型花粉識(shí)別示例Fig.8 Recognition instances of 6 classic pollen categories from dataset Pollenmonitor

圖9 Pollenmonitor數(shù)據(jù)集中6類典型花粉的識(shí)別結(jié)果Fig.9 Recognition results of 6 classic pollen categories in dataset Pollenmonitor

3.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

為驗(yàn)證 DGLBP描述子的有效性，將其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與DLSC［6］、GLGG［7］、GLLD［8］和 MLFD［9］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖10(a)給出了DGLBP描述子與其他4種花粉識(shí)別方法在兩個(gè)數(shù)據(jù)集上的平均識(shí)別時(shí)間。由圖10(a)可以看出，在兩個(gè)數(shù)據(jù)集上DGLBP描述子的平均正確識(shí)別率均高于其他4種方法。在Confocal數(shù)據(jù)集上，DGLBP描述子的平均正確識(shí)別率高達(dá)94.33%，比其他方法平均高出8.9個(gè)百分點(diǎn)。在Pollenmonitor數(shù)據(jù)集中，大多數(shù)花粉圖像因采集視角的不同有些許角度的旋轉(zhuǎn)，且一部分圖像受到了較為嚴(yán)重的噪聲干擾，圖像質(zhì)量不高，但DGLBP描述子的平均正確識(shí)別率仍能達(dá)到92.02%，高出其他花粉識(shí)別方法最多18.23個(gè)百分點(diǎn)。圖10(b)給出了DGLBP描述子與其他4種花粉識(shí)別方法在兩個(gè)數(shù)據(jù)集上的平均識(shí)別時(shí)間。由圖10(b)可以看出，DGLBP描述子的計(jì)算效率高于GLGG和GLLD，但卻低于DLSC和MLFD。雖然DGLBP描述子的計(jì)算效率低于DLSC和MLFD方法，但其在兩個(gè)數(shù)據(jù)集上的平均正確識(shí)別率能高出DLSC方法18個(gè)百分點(diǎn)，高出MLFD方法7個(gè)百分點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DGLBP描述子的識(shí)別效果優(yōu)于其他4種花粉識(shí)別方法，且對(duì)花粉圖像的旋轉(zhuǎn)變化、噪聲干擾具有較強(qiáng)的魯棒性。

為衡量DGLBP描述子的改進(jìn)效果，將DGLBP描述子的實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 與 LBP 的 改 進(jìn) 方 法 MB-LBP［10］、TPLBP［11］、NRLBP［12］在兩個(gè)數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖11給出了DGLBP描述子和其他3種LBP改進(jìn)方法在兩個(gè)數(shù)據(jù)集上的正確識(shí)別率和平均識(shí)別時(shí)間。

圖10 DGLBP與不同花粉識(shí)別方法的識(shí)別結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of recognition results of DGLBP and different pollen recognition methods

圖11 DGLBP與不同LBP改進(jìn)方法的識(shí)別結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of recognition results of DGLBP and different improvement methods of LBP

由圖11可以看出，DGLBP描述子在兩個(gè)數(shù)據(jù)集上的平均正確識(shí)別率均遠(yuǎn)高于其他LBP改進(jìn)方法的平均正確識(shí)別率，但DGLBP描述子的計(jì)算效率卻是最低的。在Confocal數(shù)據(jù)集上，DGLBP的平均正確識(shí)別率比其他LBP改進(jìn)方法平均提高了18個(gè)百分點(diǎn);在Pollenmonitor數(shù)據(jù)集上，DGLBP的平均正確識(shí)別率比其他LBP改進(jìn)方法平均提高了18.5個(gè)百分點(diǎn)。之所以DGLBP描述子的計(jì)算效率比對(duì)比的3個(gè)LBP改進(jìn)方法均低，是因?yàn)镈GLBP描述子同時(shí)提取花粉圖像在3個(gè)方向上的紋理特征，且每個(gè)方向均提取3個(gè)尺度的紋理特征，這無(wú)疑增加了算法的計(jì)算時(shí)間，但同時(shí)也提高了描述子的特征鑒別力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DGLBP描述子相較于其他3種LBP改進(jìn)方法有更好的識(shí)別效果，更適用于花粉圖像的實(shí)際分類識(shí)別，但在識(shí)別效率上還有待改善。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)LBP方法對(duì)噪聲敏感、對(duì)圖像旋轉(zhuǎn)的魯棒性不高且無(wú)法提取多方向紋理特征等不足以及花粉圖像存在著旋轉(zhuǎn)、縮放、受噪聲干擾等問題，提出了基于主梯度編碼的局部二進(jìn)制模式描述子。該描述子的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下方面:1)通過(guò)比較各像素塊在主梯度方向上的梯度幅值對(duì)中心像素進(jìn)行量化，避免了噪聲導(dǎo)致的二進(jìn)制模式的突變。2)同時(shí)提取花粉圖像在不同尺度上的徑向、角向以及復(fù)合紋理特征實(shí)現(xiàn)了對(duì)花粉圖像的多尺度分析，提高了描述子的特征鑒別力。3)參照?qǐng)D像塊所在局部區(qū)域的紋理分布情況為二進(jìn)制碼自適應(yīng)分配權(quán)重，增強(qiáng)了描述子對(duì)花粉圖像旋轉(zhuǎn)變化的魯棒性。

相較于實(shí)驗(yàn)中對(duì)比的花粉識(shí)別方法以及LBP的一些改進(jìn)方法，本文方法對(duì)花粉圖像的分類識(shí)別有更好的識(shí)別效果，但同時(shí)提取花粉圖像在不同方向上的多尺度特征增加了算法的時(shí)間復(fù)雜度，所以在后續(xù)研究中將考慮簡(jiǎn)化模型并結(jié)合其他技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，從而在提高識(shí)別效率的同時(shí)提高識(shí)別精度。