CN105975937A - 基于无监督学习的道路检测方法及系统 - Google Patents

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张培炎
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    • G06F18/20Analysing
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Abstract

本发明具体涉及一种基于无监督学习的道路检测方法及系统,该方法包括:从像素大小为M*N的待检测道路图像中随机选取n个像素大小为W*W的图像样本;根据待检测道路图像左上角像素的坐标和色彩特征值,计算每个图像样本i左上角像素的坐标(xi,yi)和色彩特征值si,得到每个图像样本i的三维特征向量;对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理和白化处理,得到图像样本i经过归一化处理和白化处理后的三维特征向量对特征表达式进行K均值聚类计算,得到k个类簇;对k个类簇的聚类中心进行非线性映射,得到k个非线性映射值对特征表达式y={ym,m=1,2,...,k}进行K均值聚类计算,得到道路和非道路两个类簇,其中聚类数K=2。通过本发明的技术方案,能提高道路检测的效率和准确率。

Description

基于无监督学习的道路检测方法及系统
技术领域
本发明涉及模式识别技术领域,具体涉及一种基于无监督学习的道路检测方法及系统。
背景技术
通过有监督学习的方法进行道路检测是模式识别领域新兴的一种方法。有监督的学习分为训练和测试两个阶段,在训练阶段,通过适当地提取样本特征学习出一个函数,在接下来的测试阶段中,就可以利用这个函数对新的数据进行结果的预测。在道路检测中,常用于训练的特征有色彩特征(如灰度特征、RGB特征等)、纹理特征(如光强分布、颜色分布等)等。通过对这些特征进行训练可以得到一个分类器,用于区分道路和非道路。如果训练的样本足够大,用这种方法进行道路检测能够比单纯地利用图像处理技术进行道路检测取得更好的效果。然而,这种方法也存在着如下四种弊端:
(1)图像中道路及其周边环境特征各异,尤其是对于有复杂形状、多变光照的道路图像来说,很难选取合适的特征进行训练,这极大地降低了测试阶段的鲁棒性。
(2)训练样本和测试样本之间特征的差异可能较大,这就意味着即便训练得再全面,也不能对测试样本进行很好地分类。
(3)要想取得较好的训练效果,需要大量的样本,而监督学习对训练集的要求是包括特征和目标,目标是需要通过人工标注的。因此,在大样本的前提下,用监督学习的方法进行道路检测,工作繁重,效率较低。
(4)现有的用于道路检测的监督式学习方法大多只考虑了道路的色彩或纹理特征,这些特征在阴影等不良因素的干扰下的适应性较差,这对最终的检测结果会产生不利的影响。
总之,现有的基于学习的道路检测方法能够取得一定的效果,但其局限性也是不容忽视的,集中体现在四个方面:在不同道路环境下鲁棒性较差、训练样本和测试样本之间的差异较大、训练需要大量样本且工作繁重、用于道路检测的图像特征选择不全面。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于无监督学习的道路检测方法及系统,提高道路检测的效率和准确率。
为实现以上目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于无监督学习的道路检测方法,包括:
步骤S1、从像素大小为M*N的待检测道路图像中随机选取n个像素大小为W*W的图像样本,其中M、N≥W,
步骤S2、根据待检测道路图像左上角像素的坐标和色彩特征值,计算每个图像样本i左上角像素的坐标(xi,yi)和色彩特征值si,得到每个图像样本i的三维特征向量其中1≤i≤n,所述色彩特征值为该像素的灰度特征值或RGB特征值;
步骤S3、对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理和白化处理,得到图像样本i经过归一化处理和白化处理后的三维特征向量
步骤S4、对特征表达式进行K均值聚类计算,得到k个类簇,其中聚类数K=k,n≥k≥2;
步骤S5、对所述k个类簇的聚类中心cm进行非线性映射,得到k个非线性映射值
步骤S6、对特征表达式y={ym,m=1,2,...,k}进行K均值聚类计算,得到道路和非道路两个类簇,其中聚类数K=2。
优选地,所述步骤S3中对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理,具体为根据公式对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理,其中μi为所有图像样本的三维特征向量的均值,σi为所有图像样本的三维特征向量的标准差。
优选地,所述步骤S5具体为:根据公式对所述k个类簇的聚类中心cm进行非线性映射,其中μ(z)为z={zm|m=1,2,...,k}中所有元素的均值。
优选地,所述步骤S1具体为:从像素大小为M*N的待检测道路图像中按预设密度随机选取n个像素大小为W*W的图像样本。
另外,本发明还提出了一种基于无监督学习的道路检测系统,包括:
选取单元,用于从像素大小为M*N的待检测道路图像中随机选取n个像素大小为W*W的图像样本,其中M、N≥W,
计算单元,用于根据待检测道路图像左上角像素的坐标和色彩特征值,计算每个图像样本i左上角像素的坐标(xi,yi)和色彩特征值si,得到每个图像样本i的三维特征向量其中1≤i≤n,所述色彩特征值为该像素的灰度特征值或RGB特征值;
处理单元,用于对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理和白化处理,得到图像样本i经过归一化处理和白化处理后的三维特征向量
聚类单元,用于对特征表达式进行K均值聚类计算,得到k个类簇,其中聚类数K=k,n≥k≥2;
非线性映射单元,用于对所述k个类簇的聚类中心cm进行非线性映射,得到k个非线性映射值
所述聚类单元,还用于对特征表达式y={ym,m=1,2,...,k}进行K均值聚类计算,得到道路和非道路两个类簇,其中聚类数K=2。
优选地,所述处理单元,具体用于根据公式对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理,其中μi为所有图像样本的三维特征向量的均值,σi为所有图像样本的三维特征向量的标准差。
优选地,所述非线性映射单元,具体用于根据公式对所述k个类簇的聚类中心cm进行非线性映射,其中μ(z)为z={zm|m=1,2,...,k}中所有元素的均值。
优选地,所述选取单元,具体用于从像素大小为M*N的待检测道路图像中按预设密度随机选取n个像素大小为W*W的图像样本。
本发明采用以上技术方案,至少具备以下有益效果:
本发明提供的这种基于无监督学习的道路检测方法及系统由于选取的是每个图像样本左上角像素的坐标(空间特征)和色彩特征值(色彩特征)作为学习样本的特征值,而左上角像素的坐标是不会受道路图像的光照和阴影等因素的影响发生改变,因此相比现有技术,本发明提供的这种基于无监督学习的道路检测方法及系统抗干扰能力相对较强,道路检测准确率更高。
另外,由于本发明提供的这种基于无监督学习的道路检测方法及系统,图像样本是随机选取的,整个道路检测的过程减少了人工标注的过程,因此相比现有技术,不仅减少了人工参与带来的检测误差,同时还节省了人力消耗,检测效率更高。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种基于无监督学习的道路检测方法的流程示意图;
图2为本发明一实施例提供的一种基于无监督学习的道路检测系统的示意框图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。参见图1,本发明一实施例提供的一种基于无监督学习的道路检测方法,包括:
步骤S1、从像素大小为M*N的待检测道路图像中随机选取n个像素大小为W*W的图像样本,其中M、N≥W,
步骤S2、根据待检测道路图像左上角像素的坐标和色彩特征值,计算每个图像样本i左上角像素的坐标(xi,yi)和色彩特征值si,得到每个图像样本i的三维特征向量其中1≤i≤n,所述色彩特征值为该像素的灰度特征值或RGB特征值;
步骤S3、对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理和白化处理,得到图像样本i经过归一化处理和白化处理后的三维特征向量
步骤S4、对特征表达式进行K均值聚类计算,得到k个类簇,其中聚类数K=k,n≥k≥2;
步骤S5、对所述k个类簇的聚类中心cm进行非线性映射,得到k个非线性映射值
步骤S6、对特征表达式y={ym,m=1,2,...,k}进行K均值聚类计算,得到道路和非道路两个类簇,其中聚类数K=2。
由上述技术方案可知,本发明提供的这种基于无监督学习的道路检测方法及系统,首先从待检测道路图像中随机选取若干个小的方形区域作为学习样本,获取方形区域左上角像素的坐标(空间特征)和色彩特征值(色彩特征),以此构建出该像素点的三维特征向量,并对特征向量进行归一化和白化处理,并对进行归一化和白化处理后的特征向量进行K均值聚类计算,聚类数为k,最后对这k个类簇的聚类中心进行非线性映射得到新的特征表达式,并对新的特征表达式进行K均值聚类计算,聚类数为2,由此确定出道路和非道路两个类簇。
本发明提供的这种基于无监督学习的道路检测方法及系统由于选取的是每个图像样本左上角像素的坐标(空间特征)和色彩特征值(色彩特征)作为学习样本的特征值,而左上角像素的坐标是不会受道路图像的光照和阴影等因素的影响发生改变,因此相比现有技术,本发明提供的这种基于无监督学习的道路检测方法及系统抗干扰能力相对较强,道路检测准确率更高。
另外,由于本发明提供的这种基于无监督学习的道路检测方法及系统,图像样本是随机选取的,整个道路检测的过程减少了人工标注的过程,因此相比现有技术,不仅减少了人工参与带来的检测误差,同时还节省了人力消耗,检测效率更高。
优选地,所述步骤S3中对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理,具体为根据公式对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理,其中μi为所有图像样本的三维特征向量的均值,σi为所有图像样本的三维特征向量的标准差。
优选地,所述步骤S5具体为:根据公式对所述k个类簇的聚类中心cm进行非线性映射,其中μ(z)为z={zm|m=1,2,...,k}中所有元素的均值。
优选地,所述步骤S1具体为:从像素大小为M*N的待检测道路图像中按预设密度随机选取n个像素大小为W*W的图像样本。
可以理解的是,按预设密度随机选取图像样本,相当于从待检测道路图像中均匀提取图像样本,这样选取的图像样本更具代表性,相比现有技术,可以减少学习样本和测试样本之间的特征差异。
参见图2,本发明还提出了一种基于无监督学习的道路检测系统100,包括:
选取单元101,用于从像素大小为M*N的待检测道路图像中随机选取n个像素大小为W*W的图像样本,其中M、N≥W,
计算单元102,用于根据待检测道路图像左上角像素的坐标和色彩特征值,计算每个图像样本i左上角像素的坐标(xi,yi)和色彩特征值si,得到每个图像样本i的三维特征向量其中1≤i≤n,所述色彩特征值为该像素的灰度特征值或RGB特征值;
处理单元103,用于对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理和白化处理,得到图像样本i经过归一化处理和白化处理后的三维特征向量
聚类单元104,用于对特征表达式进行K均值聚类计算,得到k个类簇,其中聚类数K=k,n≥k≥2;
非线性映射单元105,用于对所述k个类簇的聚类中心cm进行非线性映射,得到k个非线性映射值
所述聚类单元104,还用于对特征表达式y={ym,m=1,2,...,k}进行K均值聚类计算,得到道路和非道路两个类簇,其中聚类数K=2。
优选地,所述处理单元103,具体用于根据公式对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理,其中μi为所有图像样本的三维特征向量的均值,σi为所有图像样本的三维特征向量的标准差。
优选地,所述非线性映射单元105,具体用于根据公式对所述k个类簇的聚类中心cm进行非线性映射,其中μ(z)为z={zm|m=1,2,...,k}中所有元素的均值。
优选地,所述选取单元101,具体用于从像素大小为M*N的待检测道路图像中按预设密度随机选取n个像素大小为W*W的图像样本。
本发明不局限于上述最佳实施方式,任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品,但不论在其形状或结构上作任何变化,凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案,均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于无监督学习的道路检测方法,其特征在于,包括:
步骤S1、从像素大小为M*N的待检测道路图像中随机选取n个像素大小为W*W的图像样本,其中M、N≥W,
步骤S2、根据待检测道路图像左上角像素的坐标和色彩特征值,计算每个图像样本i左上角像素的坐标(xi,yi)和色彩特征值si,得到每个图像样本i的三维特征向量其中1≤i≤n,所述色彩特征值为该像素的灰度特征值或RGB特征值;
步骤S3、对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理和白化处理,得到图像样本i经过归一化处理和白化处理后的三维特征向量
步骤S4、对特征表达式进行K均值聚类计算,得到k个类簇,其中聚类数K=k,n≥k≥2;
步骤S5、对所述k个类簇的聚类中心cm进行非线性映射,得到k个非线性映射值
步骤S6、对特征表达式y={ym,m=1,2,...,k}进行K均值聚类计算,得到道路和非道路两个类簇,其中聚类数K=2。
2.根据权利要求1所述的基于无监督学习的道路检测方法,其特征在于,所述步骤S3中对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理,具体为根据公式对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理,其中μi为所有图像样本的三维特征向量的均值,σi为所有图像样本的三维特征向量的标准差。
3.根据权利要求1所述的基于无监督学习的道路检测方法,其特征在于,所述步骤S5具体为:根据公式对所述k个类簇的聚类中心cm进行非线性映射,其中μ(z)为z={zm|m=1,2,...,k}中所有元素的均值。
4.根据权利要求1~3任一项所述的基于无监督学习的道路检测方法,其特征在于,所述步骤S1具体为:从像素大小为M*N的待检测道路图像中按预设密度随机选取n个像素大小为W*W的图像样本。
5.一种基于无监督学习的道路检测系统,其特征在于,包括:
选取单元,用于从像素大小为M*N的待检测道路图像中随机选取n个像素大小为W*W的图像样本,其中M、N≥W,
计算单元,用于根据待检测道路图像左上角像素的坐标和色彩特征值,计算每个图像样本i左上角像素的坐标(xi,yi)和色彩特征值si,得到每个图像样本i的三维特征向量其中1≤i≤n,所述色彩特征值为该像素的灰度特征值或RGB特征值;
处理单元,用于对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理和白化处理,得到图像样本i经过归一化处理和白化处理后的三维特征向量
聚类单元,用于对特征表达式进行K均值聚类计算,得到k个类簇,其中聚类数K=k,n≥k≥2;
非线性映射单元,用于对所述k个类簇的聚类中心cm进行非线性映射,得到k个非线性映射值
所述聚类单元,还用于对特征表达式y={ym,m=1,2,...,k}进行K均值聚类计算,得到道路和非道路两个类簇,其中聚类数K=2。
6.根据权利要求5所述的基于无监督学习的道路检测系统,其特征在于,所述处理单元,具体用于根据公式对图像样本i的三维特征向量进行归一化处理,其中μi为所有图像样本的三维特征向量的均值,σi为所有图像样本的三维特征向量的标准差。
7.根据权利要求5所述的基于无监督学习的道路检测系统,其特征在于,所述非线性映射单元,具体用于根据公式对所述k个类簇的聚类中心cm进行非线性映射,其中μ(z)为z={zm|m=1,2,...,k}中所有元素的均值。
8.根据权利要求5~7任一项所述的基于无监督学习的道路检测系统,其特征在于,所述选取单元,具体用于从像素大小为M*N的待检测道路图像中按预设密度随机选取n个像素大小为W*W的图像样本。
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