分子動(dòng)理論優(yōu)化算法及其在圖像分割中的應(yīng)用.pdf

1、優(yōu)化問(wèn)題是科學(xué)研究和工程應(yīng)用中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，尋求快速、穩(wěn)健、有效的優(yōu)化技術(shù)是各行各業(yè)長(zhǎng)期所一直探討的課題，其中智能優(yōu)化算法因?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快、優(yōu)化效果好，已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。分子動(dòng)理論中的吸引、排斥和波動(dòng)機(jī)制，為優(yōu)化算法在保證收斂的同時(shí)兼顧種群多樣性提供了可能。因此，本文基于分子動(dòng)理論提出了一種新型的優(yōu)化算法，并圍繞其在圖像分割方面的應(yīng)用展開(kāi)研究。
　　現(xiàn)有的智能優(yōu)化算法往往存在多樣性差、易陷入局部極值等不足。受分子

2、動(dòng)理論的啟示，本文提出了一種新型的優(yōu)化算法-分子動(dòng)理論優(yōu)化算法。該算法基于分子動(dòng)理論的相關(guān)原理設(shè)計(jì)了吸引、排斥、波動(dòng)三個(gè)算子，通過(guò)模擬分子引力，吸引粒子向最優(yōu)粒子移動(dòng)以確保算法收斂；通過(guò)模擬分子斥力，使算法能夠較好地保持種群多樣性；通過(guò)模擬分子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，而使算法始終具備全局搜索能力。性能結(jié)果表明，該算法在解的質(zhì)量、魯棒性、種群多樣性、收斂速度等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。
　　分子動(dòng)理論優(yōu)化算法缺乏局部搜索機(jī)制，其求解精度有待提高；

3、且如當(dāng)前最優(yōu)值為局部極值，則分子動(dòng)理論優(yōu)化算法可能發(fā)生錯(cuò)誤性引導(dǎo)。鑒于精英個(gè)體在優(yōu)化過(guò)程中的重要作用，本文基于協(xié)同進(jìn)化和精英思想對(duì)分子動(dòng)理論優(yōu)化算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了M精英協(xié)同分子動(dòng)理論優(yōu)化算法。該算法基于M個(gè)精英以盡量避免發(fā)生錯(cuò)誤引導(dǎo)，采用精英間的學(xué)習(xí)與協(xié)作以提高算法的收斂精度，并通過(guò)新型的波動(dòng)算子以防止算法陷入按維早熟。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)算法在求解精度、算法穩(wěn)定性、高維函數(shù)求解等方面均表現(xiàn)出良好性能。
　　傳統(tǒng)的多閾值分割算法因

4、需對(duì)閾值空間進(jìn)行蠻力搜索，計(jì)算效率較低。鑒于分子動(dòng)理論優(yōu)化算法的優(yōu)良表現(xiàn)，探索運(yùn)用該算法求解多閾值問(wèn)題?；贙apur熵和Otsu兩種最為流行的閾值分割準(zhǔn)則，對(duì)運(yùn)用分子動(dòng)理論優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)多閾值分割進(jìn)行了初步探討。與細(xì)菌覓食和差分進(jìn)化等主流的智能優(yōu)化算法相比，該算法運(yùn)算速度快、魯棒性好、能較好地對(duì)圖像進(jìn)行分割。
　　在氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，因工況復(fù)雜，回轉(zhuǎn)窯火焰圖像中往往存在噪聲，如用上述方法對(duì)其進(jìn)行分割，則其抗噪性差略顯不足。通過(guò)

5、對(duì)斜分Otsu法進(jìn)行改進(jìn)，本文提出了一種基于改進(jìn)斜分Otsu法的回轉(zhuǎn)窯火焰圖像分割算法。該算法基于簡(jiǎn)化的距離測(cè)度函數(shù)選取最佳閾值，以減少計(jì)算量和便于多閾值擴(kuò)展；采用基于后處理思想的圖像分割方式，以進(jìn)一步增強(qiáng)算法的抗噪性；運(yùn)用分子動(dòng)理論優(yōu)化算法求解閾值，以提高算法的運(yùn)算效率。某廠氧化鋁回轉(zhuǎn)窯火焰圖像的分割測(cè)試驗(yàn)證了該算法的有效性。
　　改進(jìn)斜分Otsu法雖具備一定的抗噪性，但其性能仍有待提高。本文提出了一種基于空間截面投影的Otsu

6、法，該算法首先基于截面投影直方圖選取最佳閾值；然后運(yùn)用基于閾值的后處理策略對(duì)分割結(jié)果進(jìn)行處理，以增強(qiáng)算法的抗噪性。由于成像過(guò)程較為復(fù)雜，MR腦圖像中往往存在噪聲。為分割出 MR腦圖像中的白質(zhì)、灰質(zhì)、腦脊液等區(qū)域，首先將截面投影Otsu法進(jìn)行了多閾值擴(kuò)展，然后基于M精英協(xié)同分子動(dòng)理論優(yōu)化算法求解最佳閾值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法計(jì)算效率高、抗噪性好，能較好地對(duì)含不同噪聲的圖像進(jìn)行分割。
　　本文提出了一種分子動(dòng)理論優(yōu)化算法，分析了該算法