分子动理论优化算法及其在图像分割中的应用

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1、学校代号：10532学号：B1009S0009密级：普通湖南大学博士学位论文分子动理论优化算法及其在图像分割中的应用学位申请人姓名：范朝冬导师姓名及职称：欧阳红林教授培养单位：电气与信息工程学院专业名称：控制科学与工程论文提交日期：2014年6月19日论文答辩日期：2014年9月26日答辩委员会主席：王耀南教授万方数据Kinetic-moleculartheoryoptimizationalgorithmanditsapplicationinimagesegmentationbyFANChaodon

2、gB.E.(HainanUniversity)2008M.S.(HunanUniversity)2011AdissertationsubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofDoctorofEngineeringinControlScienceandEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorOUYANGHonglinJune,2014

3、万方数据万方数据湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权

4、湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密√R。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日I万方数据分子动理论优化算法及其在图像分割中的应用摘要优化问题是科学研究和工程应用中的一个热点问题，寻求快速、稳健、有效的优化技术是各行各业长期所一直探讨的课题，其中智能优化算法因实现简单、运算速度快、优化效果好，已引起国内外学者的

5、广泛关注。分子动理论中的吸引、排斥和波动机制，为优化算法在保证收敛的同时兼顾种群多样性提供了可能。因此，本文基于分子动理论提出了一种新型的优化算法，并围绕其在图像分割方面的应用展开研究。现有的智能优化算法往往存在多样性差、易陷入局部极值等不足。受分子动理论的启示，本文提出了一种新型的优化算法-分子动理论优化算法。该算法基于分子动理论的相关原理设计了吸引、排斥、波动三个算子，通过模拟分子引力，吸引粒子向最优粒子移动以确保算法收敛；通过模拟分子斥力，使算法能够较好地保持种群多样性；通过模拟分子无规则的热

6、运动，而使算法始终具备全局搜索能力。性能结果表明，该算法在解的质量、鲁棒性、种群多样性、收敛速度等方面都具有明显优势。分子动理论优化算法缺乏局部搜索机制，其求解精度有待提高；且如当前最优值为局部极值，则分子动理论优化算法可能发生错误性引导。鉴于精英个体在优化过程中的重要作用，本文基于协同进化和精英思想对分子动理论优化算法进行改进，提出了M精英协同分子动理论优化算法。该算法基于M个精英以尽量避免发生错误引导，采用精英间的学习与协作以提高算法的收敛精度，并通过新型的波动算子以防止算法陷入按维早熟。仿真结

7、果表明，改进算法在求解精度、算法稳定性、高维函数求解等方面均表现出良好性能。传统的多阈值分割算法因需对阈值空间进行蛮力搜索，计算效率较低。鉴于分子动理论优化算法的优良表现，探索运用该算法求解多阈值问题。基于Kapur熵和Otsu两种最为流行的阈值分割准则，对运用分子动理论优化算法实现多阈值分割进行了初步探讨。与细菌觅食和差分进化等主流的智能优化算法相比，该算法运算速度快、鲁棒性好、能较好地对图像进行分割。在氧化铝工业生产过程中，因工况复杂，回转窑火焰图像中往往存在噪声，如用上述方法对其进行分割，则其

8、抗噪性差略显不足。通过对斜分Otsu法进行改进，本文提出了一种基于改进斜分Otsu法的回转窑火焰图像分割算法。该算法基于简化的距离测度函数选取最佳阈值，以减少计算量和便于多阈值扩展；采用基于后处理思想的图像分割方式，以进一步增强算法的抗噪性；运用分子动理论优化算法求解阈值，以提高算法的运算效率。某厂氧化铝回转窑火焰图像的分割测II万方数据博士学位论文试验证了该算法的有效性。改进斜分Otsu法虽具备一定的抗噪性，但其性能仍有待提高。本文提出了一种基于空间截面投影的Ots