图像分割就是把图像分成若干个特定的、具有独特性质的区域并提取出感兴趣目标的技术。水平集方法是在活动轮廓模型的基础上发展而来的一种图像分割算法。水平集方法将低维曲线嵌入到高一维的空间中并将嵌入位置当作零水平集位置，使用连续曲线来表达目标边缘，由闭合曲线演化理论得到曲线演化方程。在图像分割应用中，最终零水平集截面上点的集合就是初始轮廓曲线的演化结果，该点集为图像分割结果。

位错(Dislocation)是原子的一种特殊组态。在材料科学中，位错是指原子间局部不规则排序(晶体学缺陷)。由于外力或内部应力的影响，使晶体内部质点排列变形、原子行列间相互滑移，不再符合理想晶格的有序排列而形成线状的缺陷称为位错。

位错的理想形式主要有两种，分别是刃位错(Edge Dislocations)和螺位错(Screw Dislocations)。刃位错是指晶体在大于屈服值的切应力的作用下发生滑移. 已滑移部分和未滑移部分的交线叫位错线。位错线犹如砍入晶体中一把刀的刀刃，所以这种位错称为刃位错(或棱位错)。下图为刃位错示意图。                                               

本文把材料科学中的位错理论引入到水平集方法中。图像中水平集曲线的演化被看作刃位错中位错线的滑移过程，运用位错动力学机制推导出驱使水平集曲线演化的位错组态力。结合距离正则化水平集方法，把水平集方法的边缘检测函数替换为基于位错动力学理论的速度停止函数，并构建了新的距离正则化水平集函数演化方程。水平集曲线在位错组态力和速度停止函数的驱使下移动。下图为基于位错理论的水平集图像分割示意图。

位错组态力反映了单位长度曲线上的平均受力情况，不仅包括了图像梯度信息，也包括了位错组态力的作用范围等信息，因此可以有效地避免在局部图像梯度异常的情况下发生曲线停止演进的现象，或者避免在弱边缘处由于图像梯度较小发生局部边界泄漏的现象。实验结果表明，本文算法对弱边缘图像具有较好的分割效果。

引用格式：张帆, 张新红. 基于位错理论的距离正则化水平集图像分割算法. 自动化学报, 2018, 44(5): 943-952. 

链接：http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2018-5-943.htm

PDF：http://www.aas.net.cn/CN/article/downloadArticleFile.do?attachType=PDF&id=19285

作者简介：

张帆，河南大学计算机与信息工程学院教授。主要研究方向为模式识别、数字图像处理、科学可视化。E-mail: zhangfan@henu.edu.cn

张新红，河南大学软件学院副教授。主要研究方向为模式识别、数字图像处理。本文通信作者。E-mail: 10120039@vip.henu.edu.cn