二值图像连通域标记快速算法实现

二值图像连通域标记快速算法实现
算法描述
首先，在进行标记算法以前，利用硬件开辟独立的图像标记缓存和连通关系数组，接着在视频流的采集传输过程中，以流水线的方式按照视频传输顺序对图像进行逐行像素扫描，然后对每个像素的邻域分别按照逆时针方向和水平方向进行连通性检测和等价标记关系合并，检测出的结果对标记等价数组和标记缓存进行更新，在一帧图像采集传输结束后，得到图像的初步标记结果以及初步标记之间的连通关系，最后，根据标号对连通关系数组从小到大的传递过程进行标号的归并，利用归并后的连通关系数组对图像标记缓存中的标号进行替换，替换后的图像为最终标记结果，并且连通域按照扫描顺序被赋予唯一的连续自然数。

图 1 标记算法流程
本文快速二值图像连通域标记算法分为三个环节：
1.图像初步标记：为每个像素赋予临时标记，并且将临时标记的等价关系记录在等价表中
2.整理等价表：这一环节分为两个步骤：
（1）将具有等价关系的临时标记全部等价为其中的最小值；
（2）对连通区域以自然数顺序重新编号，得到临时标记与最终标记之间的等价关系。

3.图像代换：对图像进行逐像素代换，将临时标记代换为最终标记．经过3个环节处理后，算法输出标记后的图像，图像中连通域按照由上到下，由左至右出现的顺序被标以连续的自然数。

1 图像初始标记
标记算法符号约定：算法在逆时钟方向检测连通域时用w1，w2表示连续两行的图像数据，在紧接着的顺时钟方向连通域检测时用k0，k表示连续两行经过
逆时钟方向标记后的图像数据。

其在工作窗口的位置在图2、3中分别说明；对初始逆时针方向临时标记用Z表示。

Z初始标记值为1。

二值图像连通域标记算法采用8连通判断准则，通过缩小标记范围剔除了图像的边界效应。

为了简化标记处理过程，使标记处理在硬件对一帧图像传输操作时间内结束，标记处理利用中间数据缓存分为连续的两种类型，其中类型1用于直接图像序列传输，硬件发起图像序列传输时，类型1采用逆时钟顺序连通域检测，对2×3工作窗口中的二值像素进行初始标记。

类型2对经过类型1初始标记过的图像数据再进行水平方向的连通域检测和归并，然后把标记结果存入图像存储区。

图像初始标记类型1：
步骤1读取像素w1（2）、w1（1）、w1（0）、w0（2）、w0（1），以及相应的二值像素值。

步骤2读取像素w0（1），按照逆时针方向依次与w1（0）、w1（1）、w1（2）、w0（2）比较，若w0（1）= w1（0），则k0（1）=k（2）；若w0（1）= w1（1），则k0（1）=k（1）；若w0（1）= w1（2），则k0（1）=k（0）；若w0（1）= w0（2），则k0（1）=k0（0）；否则（即w0（1）≠（w1（2）、w1（1）、w1（0）、w0（2）），k0（1）= Z；Z ++。

步骤3写入等价关系表，以Z为地址将Z写入等价关系数组。

图 2 逆时钟方向初始标记的工作窗
图像初始标记类型2：
步骤1判断经过逆时针方向标记后，如果w0（1）= w0（2）= 1，而标记灰度k0（1）≠k0（0），则进行下一步骤。

步骤2 假设k0（1）> k0（0），判断lab（k0（1））=k0（1）或者lab（k0（1））=k0（0），则lab（k0（1））=k0（0），否则对标记数组进行追踪置换。

跳转至步骤3。

步骤3 假设k0（1）< k0（0），判断lab（k0（0））=k0（0）或者lab（k0（0））=k0（1），则lab（k0（0））=k0（1），否则对标记数组进行追踪置换。

追踪置换方法：步骤2的追踪置换令t= lab（k0（0））；若lab（t）≠t，则
令t= lab（t），重复执行，直lab（t）=t；步骤3的追踪置换令t1= lab（k0（1）），对lab（k0（1））同样执行上述追踪过程。

图 3 水平方向初始标记的工作窗
2 等价表整理与图像代换
首先，从等价表地址1开始扫描等
价表，依次检查其中各个临时标记是否存在等价关系，若存在，则以标记值作为等价表地址的数据更新等价表。

由于整理过程从等价表地址1开始，因此对整个等价表的扫描可以一遍结束。

图像代换环节对临时标记图像中的每个像素进行代换，生成最终的标记后图像。

具体做法是：设图像中坐标为（n，m）的像素的临时标记值为S，则将lab （S）写入图像中（n，m）位置。

代换后得到的图像，其中的连通区域按照由上到下，由左至右出现的顺序被标以惟一的自然数。

3 算法特点分析
算法设计具有以下特点：
a．图像初步标记过程中，在记录标记等价信息的同时对等价表进行初步整理，这样安排，一方面可以保证区域之间存在复杂连通关系时，等价表能够保存已经检测到的全部等价关系；另一方面，在以硬件电路实现标记算法时，图像初步标记和等价表初步整理的过程可以并行执行，等价表的初步整理，能够简化随后的等价表整理操作，相当于压缩了标记执行的全过程。

b．在本算法中，采取两方面措施减少临时标记数量：其一，反复利用8邻域范围内生成的所有标记信息，在逆时针顺序8邻域范围标记后借助图像传输的顺序进行水平方向的等价标记归并，降低了需要赋予新标记值的概率；其二，在等价表整理时，归并等价标记时按照等价表地址从小到大的的顺序进行比较替换，使等价标记取较小值并且不会遗漏等价标记。

其三，结合视频数据流传输方式，采用乒乓存储结构进行流水线处理，同时进行图像标记和图像标记替换。

使图像标记达到实时处理的效果。