CN113470052A - 基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法和系统，在岩石块度边界(起点和终点)找到一对切割点，然后探测一条最优的分割路径，分割路径采用价值函数；为了找到一对分割点，利用岩石块度边缘的曲率信息或形状信息或块度的灰度值强度(如区域灰度梯度大小和色调的单一性)来进行，采用距离、区域灰度值强度或区域形状信息以及这几种方法的综合运用找到一条最优路径。

Description

基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法和系统

技术领域

本发明实施例涉及岩石块度图像分割技术领域，尤其涉及一种基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法和系统。

背景技术

岩石的破碎块度质量会影响整个采矿生产的优化程度及成本。如果拥有岩石块度的检测系统，采矿生产会提高，并可高达30％。采矿：生产过程主要为：爆破、铲装、运输。因为块度过大和过小都对采矿生产有着直接影响。岩石爆破块度的检测主要是为优化爆破设计提供可靠信息，也可为铲装、运输的优化调度提供信息。块度过大：二爆工作量加大，由于爆堆太紧而影响铲装效率(加大铲头等部件磨损和电能消耗)及延长运输等待时间，同时因大块数量增多而使汽车火车装满量降低及有可能使漏井堵塞等。块度过小：炸药浪费，爆堆不集中而使铲装(来回行走)及汽车运输(路况不好)效率降低，又由于飞石增多而增大爆破的不安全性等。选矿：块度的检测主要是为各级破碎机及球磨机优化调节而提供在线信息。

代替人工测量的最好方法是用无接触测量的图像技术。在大多数情况下，经过二值化后的灰度图像，由于黏结块度相互粘连和重叠，致使图像的分割和分析结果并不理想。

发明内容

本发明实施例提供一种基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法和系统，用以解决现有技术中由于黏结块度相互粘连和重叠，致使图像的分割和分析结果并不理想的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法，包括：

步骤S1、对岩石块度二值图像中的目标物体进行多边形相似性拟合，获取目标物体外部轮廓形成的岩石块度多边形；

步骤S2、将所述岩石块度多边形中内角大于180°的顶点作为凹点，具有该顶点的岩石块度多边形的两条边分别作为其第一弦线和第二弦线，凹点、其第一弦线、以及第二弦线组成凹面，第一弦线与第二弦线小于180°的夹角为凹角；

步骤S3、基于所述第一弦线和所述第二弦线的长度以及所述凹角角度,按照所述第一弦线和所述第二弦线的长度越短凹度等级越高、凹角角度越小凹度等级越高的原则确定所述候选分割点的凹度等级；

步骤S4、将候选分割点按照凹度等级由高到底的顺序依次作为分割起点，对于每一分割起点S，以其他多边形顶点作为分割终点，以分割起点和分割终点之间的线段作为备选的分割路径；

步骤S5、对于特定分割起点S的备选分割路径，以分割路径的分割终点为凹点优先、以分割路径距离或相对距离较短的原则，从备选的分割路径中选择一条符合下列要求之一的备选分割路径作为该分割起点的分割路径，将所述粘连岩石块度二值图像进行分割。

作为优选的，确定所述岩石块度多边形中所有凹点，具体包括：

对所述岩石块度多边形进行傅里叶变换，根据傅里叶变换公式的首项确定一特征圆和圆心；

若检测到所述岩石块度多边形中的顶点在所述特征圆内，则将所述顶点确定为凹点；

将所述岩石块度多边形中以所述凹点为起点的两条边分别作为第一弦线和第二弦线，确定所述第一弦线和所述第二弦线的夹角为凹角。

作为优选的，按照如下方法确定凹点的凹度等级：

对任意凹点S，确定凹点对应的第一弦线的长度L_l，所述第二弦线的长度L_r，以及对应所述凹角的角度α；

设定长度阈值L₃＜L₂＜L₁，以及角度阈值0＜α₂＜α₁＜π；令L_max＝max(L_l，L_r)，L_d＝|L_l－L_r|/L_max；

若判断α₁＜α＜π，则确定凹点的凹度等级为等级1，即Deg(S)＝1；

若判断α₂＜α＜α₁，且L_max＞L₁，L_d≤L₂，则确定凹点的凹度等级为等级3，即Deg(S)＝3，否则确定凹点的凹度等级为等级2，即Deg(S)＝2；

若判断α≤α₂，且L_max≤L₃，则确定凹点的凹度等级为等级3，即Deg(S)＝3，否则确定凹点的凹度等级为等级4，即Deg(S)＝4。

作为优选的，步骤S4具体包括：

确定所述岩石块度多边形中凹度等级最大的凹点，并作为分割起点；在所述分割起点的凹角反方向上，搜寻和所述分割起点的距离或相对距离最小的点，并作为候选终点；

搜寻所有所述候选终点中为凹点的候选终点，并确认凹度等级，选择凹度等级最大的候选终点作为分割终点。

作为优选的，步骤S5选择的分割路径满足以下条件之一：

件1：分割起点S的凹度等级≥3，分割终点E在分割起点S对应凹角的相反方向，分割终点E不是凹点；

条件2：分割起点S的凹度等级≥3，分割终点E为分割起点S对应凹角的相反方向内凹度等级最大的唯一凹点；

条件3：分割起点S的凹度等级≥3，分割终点E在分割起点S对应凹角的相反方向，分割终点E为凹度最大候选分割点之一，且：

当分割终点E的凹度等级≥3时，其在同凹度等级的候选分割点中具有最小距离；分割终点E的凹度等级≤2时，其在同凹度等级的候选分割点中具有最小相对距离；

条件4：分割起点S的凹度等级≤2，分割终点E为分割起点S对应凹角的相反方向内凹度等级最大的唯一凹点；

条件5：分割起点S的凹度等级≤2，分割终点E为分割起点S对应凹角的相反方向内，分割终点E为凹度最大候选分割点之一，且其在同凹度等级的候选分割点中具有最小相对距离、或相对距离相当时具有最小距离。

作为优选的，步骤S5具体包括以下子步骤：

S51、在Opo(S)中，搜寻所有的顶点p_j(j＝1,2,...)点，作为候选终点，进入步骤S52；

S52、若从候选终点成功选择可能且唯一的分割终点E，进入步骤S53；否则，即不存在分割终点，进入步骤S54；

S53、用分割起点S和选择的分割终点E连接的线来分割所述岩石块度多边形。

S54、当未选择分割终点时,则对当前岩石块度二值图像分割结束，不再进行进一步的分割。

作为优选的，步骤S52选择可能且唯一的分割终点E具体为：

S521、判断候选终点中的凹点个数：如果在候选终点中没有凹点，选择具有最大的RA值的顶点作为分割终点E；其中，RA表示两个分割部分的最大面积比，即确定基于各所述候选终点分割后形成的第一部分的第一面积、第二部分的第二面积；其中，第一面积≤第二面积；选择第一面积与第二面积的比值最大时对应的候选凹点作为分割终点；

如果在候选终点中有凹点，且其中凹度等级最大的凹点数量为1，将该凹度等级最大的凹点作为终点E；

如果在候选终点中有多个凹点时，且其中凹度等级最大的凹点数量≥2，则进入步骤S522；

S522、获取分割起点S的凹度等级Deg(S)，当Deg(S)≥3时进入步骤S523，当Deg(S)＝2时进入步骤S524，当Deg(S)＝1时进入步骤S525；

S523、对于凹度等级最大的多个候选终点，当其凹度等级≥3时，优先选择其中与分割起点距离最小的候选终点作为分割终点E；当与分割起点距离相当时，选择其中与分割起点相对距离最小的候选终点作为分割终点E；一般而言，由于凹点少于4个，其中凹度等级最大的作为当前分割起点S，一般高度等级最大的候选终点数量不超过2个，分割终点E具体选择方法为：

选择凹度等级最大的两个点p_k和p_j作为目标候选终点，确定所述目标候选终点与分割起点的距离和相对距离，如果Deg(p_k)≥3且Deg(p_j)≥3,则：

若D(p_k)与D(p_j)不能相当，则选择其中距离较小的候选终点作为分割终点E；若D(p_k)与D(p_j)相当，即D(p_k)≈D(p_j)或D(p_k)＝D(p_j),则选择其中相对距离较小的候选终点作为分割终点E；否则即：

如果Deg(p_k)≤2且Deg(p_j)≤2,若Dr(p_k)与Dr(p_j)不能相当，则选择其中相对距离较小的候选终点作为分割终点E；若Dr(p_k)与Dr(p_j)相当，即Dr(p_k)≈Dr(p_j)或Dr(p_k)＝Dr(p_j),则选择其中距离较小的候选终点作为分割终点E；

S524、对于凹度等级最大的多个候选终点：

当其凹度等级为2且存在与分割终点相对距离最小且相对距离大于等于预设相对距离阈值的候选终点时，选择其作为分割终点E；

当其凹度等级为1且分割部分的面积比RA大于预设阈值时，若存在与分割终点相对距离最小且相对距离大于等于预设相对距离阈值的候选终点，选择其作为分割终点E；

否则，未选择分割终点；

S525、对于凹度等级为1的多个候选终点，当分割部分的面积比RA大于预设阈值时，若存在与分割终点相对距离最小且相对距离大于等于预设相对距离阈值的候选终点，选择其作为分割终点E；否则，未选择分割终点；

其中对于分割起点S和候选终点Q组成的备选分割路径SQ，记Deg(S)为S的凹度等级，Opo(S)为分割起点S对应凹角的相反方向，即凹角对应第一弦线、第二弦线反向延伸形成的区域范围；D(Q)为备选分割路径SQ的距离，Dr(Q)为备选分割路径SQ的相对距离，Dr(Q)＝D(Q)/min(P_A,P_B)，其中P_A、P_B为分割后两部分的周长(边界长度)；分割部分的面积比RA(Q)为按照备选分割路径SQ进行分割后，较小面积与较大面积的比值，记作：RA(Q)＝min(A_A,A_B)/max(A_A,A_B)，A_A为分割后形成的第一部分的面积，A_B为分割后形成的第二部分的面积。

第二方面，本发明实施例提供一种基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割系统，包括：

多边形拟合模块，对岩石块度二值图像中的目标物体进行多边形相似性拟合，获取目标物体外部轮廓形成的岩石块度多边形；

凹点提取模块，确定所述岩石块度多边形中所有凹点，所述凹点为所述岩石块度多边形中内角大于180°的顶点；所述岩石块度多边形中以所述凹点为起点的两条边分别为第一弦线和第二弦线，所述第一弦线和所述第二弦线的夹角为凹角；

等级计算模块，基于所述第一弦线和所述第二弦线的长度，以及所述凹角确定所述凹点的凹度等级；

分割模块，根据岩石块度多边形中所述凹点的凹度等级和凹角方向选择分割起点和分割终点；所述分割起点为岩石块度多边形中凹度等级最大的凹点；所述分割起点为与所述分割起点的凹角相反方向上，和所述分割起点的相对距离与分割路径一致的点；基于所述分割起点和所述分割终点的连线对所述岩石块度多边形进行分割。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面实施例所述基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面实施例所述基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法的步骤。

本发明实施例提供的一种基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法和系统，在岩石块度边界(起点和终点)找到一对切割点，然后探测一条最优的分割路径，分割路径采用价值函数；为了找到一对分割点，利用岩石块度边缘的曲率信息或形状信息或块度的灰度值强度(如区域灰度梯度大小和色调的单一性)来进行，采用距离、区域灰度值强度或区域形状信息以及这几种方法的综合运用找到一条最优路径。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法流程框图；

图2为根据本发明实施例的凹面结构示意图；

图3(a)为根据现有技术对降落流中的岩石块度图像进行分割的结果示意图；

图3(b)为根据本发明实施例的方法对降落流中的岩石块度图像进行分割的结果示意图；

图4为根据本发明实施例方法的原始灰度岩石块度图像的二值化结果及粘连块度分离结果示意图；

图5为根据本发明实施例的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

本申请实施例中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

爆后岩石破碎程度即岩石块度的测量，是评价爆破效果的一种重要途径。爆后岩石块度的分布反映了爆破的岩石破碎质量，也是进一步优化爆破参数的基础。在岩石块度的检测时，现有技术是经过二值化后的灰度图像进行无接触检测，由于黏结块度相互粘连和重叠，致使图像的分割和分析结果并不理想，必须利用二值图像上岩石块度的几何属性进行分割，许多商业图像分析系统缺乏这方面的功能，操作者不得不在交互系统中用手工的方式完成。因此，必须在二值化图像中构建一个自动化算法分割相互黏结和重叠的目标物体。

如果岩石块度的边界能够应用具有少量参数(圆，椭圆等)边界弧参数描叙时，那么图像中的Hough算法将十分适合于黏结块度的分割。如果岩石块度量在一幅图像中具有一定的规模时，常常可以应用区域成长方法和形态分割方法。

在对岩石块度的图像进行分割时，需要判断该岩石块度是否满足分割条件，即需要判断该岩石块度是否是由于黏结块度相互粘连和重叠后形成的，因此，需要首先在岩石块度边界找到一对切割点(起点和终点)，然后探测一条最优的分割路径，为此，本发明实施例提供一种基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法和系统，将每一个颗粒是作为一个基本的凸面体，通过对凹点、凹度进行分类，在岩石块度的边缘寻找可作为黏结块度相互粘连和重叠依据的若干凹点，寻找若干凹点中是由两个颗粒相互接触的部分形成的凹点，并将其设置其为分割路径的起点，因此，需要：(a)判断凹点是否是相互接触部分，即根据凹度选择满足分割条件的凹点作为起点S；若该岩石块度多边形不存在凹点，则判断对应的岩石块度二值图像不是黏结块度相互粘连和重叠形成的，不进行图像分割；(b)搜寻终点，在所述分割起点的凹角反方向上，搜寻和所述分割起点的相对距离与分割路径一致的点，并作为候选终点，搜寻所有所述候选终点中为凹点的候选终点，并确认凹度等级，选择凹度等级最大的候选终点作为分割终点；若候选终点中没有凹点，则确定基于各所述候选终点分割后形成的两部分的面积比确认分割终点。以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。

图1为本发明实施例提供一种基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法，用于检测岩石块度的粘连情况，并对粘连块度进行分割，包括：

步骤S1、对岩石块度二值图像中的目标物体进行多边形相似性拟合，获取目标物体外部轮廓形成的岩石块度多边形；

步骤S2、将所述岩石块度多边形中内角大于180°的顶点作为凹点，具有该顶点的岩石块度多边形的两条边分别作为其第一弦线和第二弦线，凹点、其第一弦线、以及第二弦线组成凹面，第一弦线与第二弦线小于180°的夹角为凹角；

例如图2中所示，目标物体(岩石块度)是多边形并且存在着两个凹点，p₁、p₂。目标物体(岩石块度)是多边形,其两个凹点中，第一个是在顶点p₁处，其包括岩石块度多边形中内角大于180°的顶点p₁，以及以p₁为起点的第一弦线p₁a₁、第二弦线p₁b₁，第一弦线p₁a₁、第二弦线p₁b₁的角度是α₁；第二个是在顶点p₂处，其包括岩石块度多边形中内角大于180°的顶点p₂，以及以p₂为起点的第一弦线p₂a₂、第二弦线p₂b₂，第一弦线p₂a₂、第二弦线p₂b₂的角度是α₂。

本申请实施例首先对所述岩石块度多边形进行傅里叶变换，根据傅里叶变换公式的首项求出一特征圆及圆心，可以直接根据该目标边界(岩石块度边界)与圆边界之间的相对距离确定多边形的凹点、凸点，所以在圆内的边界点作为凹点，圆外的边界点作为凸点。

具体的，对所述岩石块度多边形进行傅里叶变换，根据傅里叶变换公式的首项确定特征圆和圆心；

若检测到所述岩石块度多边形中的顶点在所述特征圆内，则将该顶点确定为凹点；将所述岩石块度多边形中以所述凹点为起点的两条边分别作为第一弦线和第二弦线，确定所述第一弦线和所述第二弦线的夹角为凹角。

步骤S3、基于所述第一弦线和所述第二弦线的长度以及所述凹角角度,按照所述第一弦线和所述第二弦线的长度越短凹度等级越高、凹角角度越小凹度等级越高的原则确定所述候选分割点的凹度等级；将凹度等级超过预设阈值的凹点作为候选分割点；具体地按照如下方法确定凹点的凹度等级：

对任意凹点S，确定凹点对应的第一弦线的长度L_l，所述第二弦线的长度L_r，以及对应所述凹角的角度α；

设定长度阈值L₃＜L₂＜L₁，以及角度阈值0＜α₂＜α₁＜π；令L_max＝max(L_l，L_r)，L_d＝|L_l－L_r|/L_max；

若判断α₁＜α＜π，则确定凹点的凹度等级为等级1，即Deg(S)＝1；

若判断α₂＜α＜α₁，且L_max＞L₁，L_d≤L₂，则确定凹点的凹度等级为等级3，即Deg(S)＝3，否则确定凹点的凹度等级为等级2，即Deg(S)＝2；

若判断α≤α₂，且L_max≤L₃，则确定凹点的凹度等级为等级3，即Deg(S)＝3，否则确定凹点的凹度等级为等级4，即Deg(S)＝4。

当二个或三个岩石块度相互接触，由于岩石块度是凸面体，因此在黏结块度相互粘连和重叠时，在粘连或重叠的边界处会形成凹点，这些凹点可以作为粘连的起点或终点，本实施例中，通过对该粘连后的岩石块度二值图像进行多边形拟合，识别其中的凹点并作为候选分割点，一般凹点数目少于4个，基于上述方法确定每个凹点的凹度等级。

S4、将候选分割点按照凹度等级由高到底的顺序依次作为分割起点，对于每一分割起点S，以其他多边形顶点作为分割终点，以分割起点和分割终点之间的线段作为备选的分割路径；优选，具体：

对于分割起点S和候选终点Q组成的备选分割路径SQ，记Deg(S)为S的凹度等级，Opo(S)为分割起点S对应凹角的相反方向，即凹角对应第一弦线、第二弦线反向延伸形成的区域范围；D(Q)为备选分割路径SQ的距离，Dr(Q)为备选分割路径SQ的相对距离，Dr(Q)＝D(Q)/min(P_A,P_B)，其中P_A、P_B为分割后两部分的周长(边界长度)；分割部分的面积比RA(Q)为按照备选分割路径SQ进行分割后，较小面积与较大面积的比值，记作：RA(Q)＝min(A_A,A_B)/max(A_A,A_B)，A_A为分割后形成的第一部分的面积，A_B为分割后形成的第二部分的面积。

在本实施例中，令D(p_k)≈D(p_j),记为D(p_k)－D(p_j)＜e,其中，e＞0，e为一个预设的无线接近于0的数。Dr(Q)＝D(Q)/min(P_A,P_B)为分割路径的相对距离，P_A、P_B为分割后两部分的周长；C(p_j)表示以p_j作为分割终点进行分割后剩余的凹点数；

S5、对于特定分割起点S的备选分割路径，以分割路径的分割终点为凹点优先、以分割路径距离或相对距离较短的原则，从备选的分割路径中选择一条符合下列要求之一的备选分割路径作为该分割起点的分割路径，将所述粘连岩石块度二值图像进行分割；

条件1：分割起点S的凹度等级≥3，分割终点E在分割起点S对应凹角的相反方向，分割终点E不是凹点；

条件2：分割起点S的凹度等级≥3，分割终点E为分割起点S对应凹角的相反方向内凹度等级最大的唯一凹点；

条件3：分割起点S的凹度等级≥3，分割终点E在分割起点S对应凹角的相反方向，分割终点E为凹度最大候选分割点之一，且：

当分割终点E的凹度等级≥3时，其在同凹度等级的候选分割点中具有最小距离；分割终点E的凹度等级≤2时，其在同凹度等级的候选分割点中具有最小相对距离；

条件4：分割起点S的凹度等级≤2，分割终点E为分割起点S对应凹角的相反方向内凹度等级最大的唯一凹点；

条件5：分割起点S的凹度等级≤2，分割终点E为分割起点S对应凹角的相反方向内，分割终点E为凹度最大候选分割点之一，且其在同凹度等级的候选分割点中具有最小相对距离、或相对距离相当时具有最小距离；

具体如下：

S51、在Opo(S)中，搜寻所有的顶点p_j(j＝1,2,...)点，作为候选终点，进入步骤S52；

S52、若从候选终点成功选择可能且唯一的分割终点E，进入步骤S53；否则，即不存在分割终点，进入步骤S54；

所述选择可能且唯一的分割终点E具体为：

S521、判断候选终点中的凹点个数：如果在候选终点中没有凹点，选择具有最大的RA值的顶点作为分割终点E；其中，RA表示两个分割部分的最大面积比，即确定基于各所述候选终点分割后形成的第一部分的第一面积、第二部分的第二面积；其中，第一面积≤第二面积；选择第一面积与第二面积的比值最大时对应的候选凹点作为分割终点；

如果在候选终点中有凹点，且其中凹度等级最大的凹点数量为1，将该凹度等级最大的凹点作为终点E；

如果在候选终点中有多个凹点时，且其中凹度等级最大的凹点数量≥2，则进入步骤S522；

S522、获取分割起点S的凹度等级Deg(S)，当Deg(S)≥3时进入步骤S523，当Deg(S)＝2时进入步骤S524，当Deg(S)＝1时进入步骤S525；

S523、对于凹度等级最大的多个候选终点，当其凹度等级≥3时，优先选择其中与分割起点距离最小的候选终点作为分割终点E；当与分割起点距离相当时，选择其中与分割起点相对距离最小的候选终点作为分割终点E；一般而言，由于凹点少于4个，其中凹度等级最大的作为当前分割起点S，一般高度等级最大的候选终点数量不超过2个，分割终点E具体选择方法为：

选择凹度等级最大的两个点p_k和p_j作为目标候选终点，确定所述目标候选终点与分割起点的距离和相对距离，如果Deg(p_k)≥3且Deg(p_j)≥3,则：

若D(p_k)与D(p_j)不能相当，则选择其中距离较小的候选终点作为分割终点E；若D(p_k)与D(p_j)相当，即D(p_k)≈D(p_j)或D(p_k)＝D(p_j),则选择其中相对距离较小的候选终点作为分割终点E；否则即：

如果Deg(p_k)≤2且Deg(p_j)≤2,若Dr(p_k)与Dr(p_j)不能相当，则选择其中相对距离较小的候选终点作为分割终点E；若Dr(p_k)与Dr(p_j)相当，即Dr(p_k)≈Dr(p_j)或Dr(p_k)＝Dr(p_j),则选择其中距离较小的候选终点作为分割终点E；

S524、对于凹度等级最大的多个候选终点：

当其凹度等级为2且存在与分割终点相对距离最小且相对距离大于等于预设相对距离阈值的候选终点时，选择其作为分割终点E；

当其凹度等级为1且分割部分的面积比RA大于预设阈值时，若存在与分割终点相对距离最小且相对距离大于等于预设相对距离阈值的候选终点，选择其作为分割终点E；

否则，未选择分割终点；

S525、对于凹度等级为1的多个候选终点，当分割部分的面积比RA大于预设阈值时，若存在与分割终点相对距离最小且相对距离大于等于预设相对距离阈值的候选终点，选择其作为分割终点E；否则，未选择分割终点；

S53、用分割起点S和选择的分割终点E连接的线来分割所述岩石块度多边形。

S54、当未选择分割终点时,则对当前岩石块度二值图像分割结束，不再进行进一步的分割。

假设每一个岩石块度是一个基本的凸面体，不是延伸太长的形状，在两块岩石宽度粘接时，岩石块度A和岩石块度B相互接触的部分最易形成凹点，因此，凹度等级越大，其是分割起点的可能性越大；

我们收集人工标记粘连的岩石图像分割路径，分别对以下参数进行统计：

Deg(S)，分割起点的凹度等级，对于人工标记的分割路径，将凹度等级大的点作为分割起点；

Deg(E)，分割终点的凹度等级；

Opo(S)，为分割起点S对应凹角的相反方向；

Min(C)，为分割后是否无凹点，其中C表示分割终点进行分割后剩余的凹点数；

Min(D)，为分割路径是否具有最小距离，其中D表示分割路径的距离；

Min(Dr)，为分割路径是否具有最小相对距离，其中Dr表示分割路径的相对距离；

Dr≥Tr，为分割路径的相对距离是否超过预设阈值，Tr表示相对距离阈值；

Max(RA)，为分割路径的分割面积比是否为最大，其中RA为分割面积比；

RA≥Ta，为分割路径的分割面积比是否超过预设阈值，Ta为分割面积比阈值。

分析结果如下：

Deg(S)

Deg(E)

Opo(S)

Min(C)

Min(D)

Min(Dr)

Dr≥Tr

Max(RA)

RA≥Ta

4

4-3

是

是

是

否

否

否

否

4

2-1

是

是

否

是

否

否

否

4

0

是

否

否

否

否

是

否

3

3

是

是

是

否

否

否

否

3

2-1

是

是

否

是

否

否

否

3

0

是

否

否

否

否

是

否

2

2

是

是

否

是

是

否

否

2

1

是

是

否

是

是

否

是

1

1

是

是

否

是

是

否

是

从上表中，分析分割路径的特点，结果即满足条件1至5。

在整个图像处理过程中，图像的分割是一个基本的，也是一个最难的步骤。尤其是岩石块度图像，在一幅岩石块度图像中，岩石块度的数目多，块度表面颜色不同，表面又由不同的几何面组成，大多数情况下，表面粗造，块度大小不一。这些特性给图像分割造成了很大的困难。为适应多种不同情况的块度图像，可以用多种特别研发的分割算法，它们分别是基于相似性和不连续性而发展的，但图像被处理成二值图像后，剩下的工作就是本发明实施例的工作。图3(a)是用现有技术一种分割算法对图像进行灰度分割结果示意图，图3(b)是本发明实施例的运行结果示意图。图4是原始灰度岩石块度图像的二值化结果及粘连块度分离结果。

第二方面，本发明实施例提供一种基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割系统，包括：

本发明实施例还提供一种基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割系统，基于上述各实施例中的基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法，包括：

多边形拟合模块，对岩石块度二值图像中的目标物体进行多边形相似性拟合，获取目标物体外部轮廓形成的岩石块度多边形；

凹点提取模块，确定所述岩石块度多边形中所有凹面，所述凹面包括凹点、第一弦线和第二弦线，所述第一弦线和所述第二弦线以所述凹点为起点延伸向不同方向，以在所述凹点出形成凹角；

等级计算模块，基于所述第一弦线和所述第二弦线的长度，以及所述凹角确定所述凹点的凹度等级；

分割模块，根据岩石块度多边形中所述凹点的凹度等级和凹角方向选择分割起点和分割终点；所述分割起点为岩石块度多边形中凹度等级最大的凹点；所述分割起点为与所述分割起点的凹角相反方向上，和所述分割起点的相对距离与分割路径一致的点；基于所述分割起点和所述分割终点的连线对所述岩石块度多边形进行分割。

基于相同的构思，本发明实施例还提供了一种实体结构示意图，如图5所示，该服务器可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行如上述各实施例所述基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法的步骤。例如包括：

对岩石块度二值图像中的目标物体进行多边形相似性拟合，获取目标物体外部轮廓形成的岩石块度多边形；

确定所述岩石块度多边形中所有凹点，所述凹点为所述岩石块度多边形中内角大于180°的顶点；所述岩石块度多边形中以所述凹点为起点的两条边分别为第一弦线和第二弦线，所述第一弦线和所述第二弦线的夹角为凹角

基于所述第一弦线和所述第二弦线的长度，以及所述凹角确定所述凹点的凹度等级；

根据岩石块度多边形中所述凹点的凹度等级和凹角方向选择分割起点和分割终点；所述分割起点为岩石块度多边形中凹度等级最大的凹点；所述分割起点为与所述分割起点的凹角相反方向上，和所述分割起点的相对距离与分割路径一致的点；基于所述分割起点和所述分割终点的连线对所述岩石块度多边形进行分割。

此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

基于相同的构思，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序包含至少一段代码，该至少一段代码可由主控设备执行，以控制主控设备用以实现如上述各实施例所述基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法的步骤。例如包括：

对岩石块度二值图像中的目标物体进行多边形相似性拟合，获取目标物体外部轮廓形成的岩石块度多边形；

确定所述岩石块度多边形中所有凹点，所述凹点为所述岩石块度多边形中内角大于180°的顶点；所述岩石块度多边形中以所述凹点为起点的两条边分别为第一弦线和第二弦线，所述第一弦线和所述第二弦线的夹角为凹角

基于所述第一弦线和所述第二弦线的长度，以及所述凹角确定所述凹点的凹度等级；

根据岩石块度多边形中所述凹点的凹度等级和凹角方向选择分割起点和分割终点；所述分割起点为岩石块度多边形中凹度等级最大的凹点；所述分割起点为与所述分割起点的凹角相反方向上，和所述分割起点的相对距离与分割路径一致的点；基于所述分割起点和所述分割终点的连线对所述岩石块度多边形进行分割。

基于相同的技术构思，本申请实施例还提供一种计算机程序，当该计算机程序被主控设备执行时，用以实现上述方法实施例。

所述程序可以全部或者部分存储在与处理器封装在一起的存储介质上，也可以部分或者全部存储在不与处理器封装在一起的存储器上。

基于相同的技术构思，本申请实施例还提供一种处理器，该处理器用以实现上述方法实施例。上述处理器可以为芯片。

综上所述，本发明实施例提供的一种基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法和系统，在岩石块度边界(起点和终点)找到一对切割点，然后探测一条最优的分割路径，分割路径采用价值函数；为了找到一对分割点，利用岩石块度边缘的曲率信息或形状信息或块度的灰度值强度(如区域灰度梯度大小和色调的单一性)来进行，采用距离、区域灰度值强度或区域形状信息以及这几种方法的综合运用找到一条最优路径。

本发明的各实施方式可以任意进行组合，以实现不同的技术效果。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidStateDisk)等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，该流程可以由计算机程序来指令相关的硬件完成，该程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法实施例的流程。而前述的存储介质包括：ROM或随机存储记忆体RAM、磁碟或者光盘等各种可存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、对岩石块度二值图像中的目标物体进行多边形相似性拟合，获取目标物体外部轮廓形成的岩石块度多边形；

步骤S2、将所述岩石块度多边形中内角大于180°的顶点作为凹点，具有该顶点的岩石块度多边形的两条边分别作为其第一弦线和第二弦线，凹点、其第一弦线、以及第二弦线组成凹面，第一弦线与第二弦线小于180°的夹角为凹角；

步骤S3、基于所述第一弦线和所述第二弦线的长度以及所述凹角角度,按照所述第一弦线和所述第二弦线的长度越短凹度等级越高、凹角角度越小凹度等级越高的原则确定所述候选分割点的凹度等级；

步骤S4、将候选分割点按照凹度等级由高到底的顺序依次作为分割起点，对于每一分割起点S，以其他多边形顶点作为分割终点，以分割起点和分割终点之间的线段作为备选的分割路径；

步骤S5、对于特定分割起点S的备选分割路径，以分割路径的分割终点为凹点优先、以分割路径距离或相对距离较短的原则，从备选的分割路径中选择一条符合下列要求之一的备选分割路径作为该分割起点的分割路径，将所述粘连岩石块度二值图像进行分割。

2.根据权利要求1所述的基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法，其特征在于，确定所述岩石块度多边形中所有凹点，具体包括：

对所述岩石块度多边形进行傅里叶变换，根据傅里叶变换公式的首项确定一特征圆和圆心；

若检测到所述岩石块度多边形中的顶点在所述特征圆内，则将所述顶点确定为凹点；

将所述岩石块度多边形中以所述凹点为起点的两条边分别作为第一弦线和第二弦线，确定所述第一弦线和所述第二弦线的夹角为凹角。

3.根据权利要求1所述的基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法，其特征在于，按照如下方法确定凹点的凹度等级：

对任意凹点S，确定凹点对应的第一弦线的长度L_l，所述第二弦线的长度L_r，以及对应所述凹角的角度α；

设定长度阈值L₃＜L₂＜L₁，以及角度阈值0＜α₂＜α₁＜π；令L_max＝max(L_l，L_r)，L_d＝|L_l－L_r|/L_max；

若判断α₁＜α＜π，则确定凹点的凹度等级为等级1，即Deg(S)＝1；

若判断α₂＜α＜α₁，且L_max＞L₁，L_d≤L₂，则确定凹点的凹度等级为等级3，即Deg(S)＝3，否则确定凹点的凹度等级为等级2，即Deg(S)＝2；

若判断α≤α₂，且L_max≤L₃，则确定凹点的凹度等级为等级3，即Deg(S)＝3，否则确定凹点的凹度等级为等级4，即Deg(S)＝4。

4.根据权利要求3所述的基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法，其特征在于，步骤S4具体包括：

确定所述岩石块度多边形中凹度等级最大的凹点，并作为分割起点；在所述分割起点的凹角反方向上，搜寻和所述分割起点的距离或相对距离最小的点，并作为候选终点；

搜寻所有所述候选终点中为凹点的候选终点，并确认凹度等级，选择凹度等级最大的候选终点作为分割终点。

5.根据权利要求4所述的基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法，其特征在于，步骤S5选择的分割路径满足以下条件之一：

件1：分割起点S的凹度等级≥3，分割终点E在分割起点S对应凹角的相反方向，分割终点E不是凹点；

条件2：分割起点S的凹度等级≥3，分割终点E为分割起点S对应凹角的相反方向内凹度等级最大的唯一凹点；

条件3：分割起点S的凹度等级≥3，分割终点E在分割起点S对应凹角的相反方向，分割终点E为凹度最大候选分割点之一，且：

当分割终点E的凹度等级≥3时，其在同凹度等级的候选分割点中具有最小距离；分割终点E的凹度等级≤2时，其在同凹度等级的候选分割点中具有最小相对距离；

条件4：分割起点S的凹度等级≤2，分割终点E为分割起点S对应凹角的相反方向内凹度等级最大的唯一凹点；

条件5：分割起点S的凹度等级≤2，分割终点E为分割起点S对应凹角的相反方向内，分割终点E为凹度最大候选分割点之一，且其在同凹度等级的候选分割点中具有最小相对距离、或相对距离相当时具有最小距离。

6.根据权利要求4所述的基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法，其特征在于，步骤S5具体包括以下子步骤：

S51、在Opo(S)中，搜寻所有的顶点p_j(j＝1,2,...)点，作为候选终点，进入步骤S52；

S52、若从候选终点成功选择可能且唯一的分割终点E，进入步骤S53；否则，即不存在分割终点，进入步骤S54；

S53、用分割起点S和选择的分割终点E连接的线来分割所述岩石块度多边形。

S54、当未选择分割终点时,则对当前岩石块度二值图像分割结束，不再进行进一步的分割。

7.根据权利要求6所述的基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法，其特征在于，步骤S52选择可能且唯一的分割终点E具体为：

S521、判断候选终点中的凹点个数：如果在候选终点中没有凹点，选择具有最大的RA值的顶点作为分割终点E；其中，RA表示两个分割部分的最大面积比，即确定基于各所述候选终点分割后形成的第一部分的第一面积、第二部分的第二面积；其中，第一面积≤第二面积；选择第一面积与第二面积的比值最大时对应的候选凹点作为分割终点；

如果在候选终点中有凹点，且其中凹度等级最大的凹点数量为1，将该凹度等级最大的凹点作为终点E；

如果在候选终点中有多个凹点时，且其中凹度等级最大的凹点数量≥2，则进入步骤S522；

S522、获取分割起点S的凹度等级Deg(S)，当Deg(S)≥3时进入步骤S523，当Deg(S)＝2时进入步骤S524，当Deg(S)＝1时进入步骤S525；

S523、对于凹度等级最大的多个候选终点，当其凹度等级≥3时，优先选择其中与分割起点距离最小的候选终点作为分割终点E；当与分割起点距离相当时，选择其中与分割起点相对距离最小的候选终点作为分割终点E；一般而言，由于凹点少于4个，其中凹度等级最大的作为当前分割起点S，一般高度等级最大的候选终点数量不超过2个，分割终点E具体选择方法为：

选择凹度等级最大的两个点p_k和p_j作为目标候选终点，确定所述目标候选终点与分割起点的距离和相对距离，如果Deg(p_k)≥3且Deg(p_j)≥3,则：

若D(p_k)与D(p_j)不能相当，则选择其中距离较小的候选终点作为分割终点E；若D(p_k)与D(p_j)相当，即D(p_k)≈D(p_j)或D(p_k)＝D(p_j),则选择其中相对距离较小的候选终点作为分割终点E；否则即：

如果Deg(p_k)≤2且Deg(p_j)≤2,若Dr(p_k)与Dr(p_j)不能相当，则选择其中相对距离较小的候选终点作为分割终点E；若Dr(p_k)与Dr(p_j)相当，即Dr(p_k)≈Dr(p_j)或Dr(p_k)＝Dr(p_j),则选择其中距离较小的候选终点作为分割终点E；

S524、对于凹度等级最大的多个候选终点：

当其凹度等级为2且存在与分割终点相对距离最小且相对距离大于等于预设相对距离阈值的候选终点时，选择其作为分割终点E；

当其凹度等级为1且分割部分的面积比RA大于预设阈值时，若存在与分割终点相对距离最小且相对距离大于等于预设相对距离阈值的候选终点，选择其作为分割终点E；

否则，未选择分割终点；

S525、对于凹度等级为1的多个候选终点，当分割部分的面积比RA大于预设阈值时，若存在与分割终点相对距离最小且相对距离大于等于预设相对距离阈值的候选终点，选择其作为分割终点E；否则，未选择分割终点；

其中对于分割起点S和候选终点Q组成的备选分割路径SQ，记Deg(S)为S的凹度等级，Opo(S)为分割起点S对应凹角的相反方向，即凹角对应第一弦线、第二弦线反向延伸形成的区域范围；D(Q)为备选分割路径SQ的距离，Dr(Q)为备选分割路径SQ的相对距离，Dr(Q)＝D(Q)/min(P_A,P_B)，其中P_A、P_B为分割后两部分的周长(边界长度)；分割部分的面积比RA(Q)为按照备选分割路径SQ进行分割后，较小面积与较大面积的比值，记作：RA(Q)＝min(A_A,A_B)/max(A_A,A_B)，A_A为分割后形成的第一部分的面积，A_B为分割后形成的第二部分的面积。

8.一种基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割系统，其特征在于，包括：

多边形拟合模块，对岩石块度二值图像中的目标物体进行多边形相似性拟合，获取目标物体外部轮廓形成的岩石块度多边形；

凹点提取模块，确定所述岩石块度多边形中所有凹点，所述凹点为所述岩石块度多边形中内角大于180°的顶点；所述岩石块度多边形中以所述凹点为起点的两条边分别为第一弦线和第二弦线，所述第一弦线和所述第二弦线的夹角为凹角；

等级计算模块，基于所述第一弦线和所述第二弦线的长度，以及其凹角，确定所述凹点的凹度等级；

分割模块，根据岩石块度多边形中所述凹点的凹度等级和凹角方向选择分割起点和分割终点；所述分割起点为岩石块度多边形中凹度等级最大的凹点；所述分割起点为与所述分割起点的凹角相反方向上，和所述分割起点的相对距离与分割路径一致的点；基于所述分割起点和所述分割终点的连线对所述岩石块度多边形进行分割。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法的步骤。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述基于凹凸特性的粘连岩石块度二值图像分割方法的步骤。

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