1.4 目前存在的主要問題

拓撲紋理是人類視覺的一個重要組成部分，目前大多數紋理研究集中在Brodatz紋理集上，而在拓撲紋理圖像中，紋理的外觀實質上并不同于Brodatz集所描述的內容，迄今為止還難以適當地為其建模。為此有關專家進行了大量的探索研究，但未能獲得有關拓撲紋理的去噪、色彩復原、分割、修補和配準的有效解釋。近年來這一領域的研究受到了國內外學者的廣泛關注，該領域所面臨的挑戰問題主要如下。

1.噪聲抑制

通常拓撲紋理圖像在掃描后包含了很多噪聲，噪聲不僅惡化了圖像的質量，使圖像模糊，而且淹沒了紋線特征，現有模型在進行噪聲去除的同時，特征曲線演化后的形狀漸凸，導致形狀失真。同時，現有模型的拓撲自適應能力較差，無法有效表示特征曲線的分裂、合并等情況。由于拓撲紋理圖像中包含很多拓撲形狀復雜的曲線邊緣，因此為了在噪聲去除的同時實現對曲線邊緣的保留，必須采用具有保細節功能的去噪算法。

2.保色彩復原

彩色圖像復原的目的就是盡可能地恢復退化彩色圖像的本來面目，增強彩色圖像的質量?，F有模型通過定義適當的鄰域系和相應的基團系上的能量函數，并利用彩色圖像在三個色彩通道中的強度值來實現退化彩色圖像的恢復。但是這些方法只能在各個色彩通道的波長相近時能夠得到較好的效果，容易導致色彩混疊，這主要是由于這些方法缺乏對多色彩通道間相關性的有效表征和提取。此外，現有方法在利用馬爾可夫隨機場進行彩色圖像恢復時，采用經典模擬退火算法進行復雜求解空間的最優搜索，計算開銷比較大。因此需要對經典模擬退火算法的尋優策略進行改進，實現對退化彩色紋理圖像的次優快速恢復。

3.精確分割

目前國內外學者對規則紋理圖像的分割進行了充分研究并取得了很好的效果，由于該類紋理圖像具有明顯的周期特征，因此可以采用小波變換、紋理譜、傅里葉功率譜、共生矩陣等方法對規則紋理圖像中的平紋圖案、斜紋圖案等進行識別提取。盡管上述方法可以有效用于規則紋理圖像的分割，但是由于拓撲紋理圖像中包含了大量拓撲形變復雜的紋理曲線，且這些曲線大都不具有明顯的周期特性，因此上述方法不適于對拓撲紋理圖像的分割提取?；顒虞喞Ｐ褪且环N特別適用于建模和提取任意形狀的變形輪廓的圖像分割方法，它在邊緣檢測、醫學圖像分割以及運動跟蹤中得到了大量應用，但是模型本身存在著一些缺陷，如對初始位置敏感、易陷入局部極值、無法收斂到輪廓的深度凹陷部分、不具備自動拓撲變換能力等。

4.精細修補

在對拓撲紋理圖像進行掃描獲取的過程中，掃描生成圖像中通常會生成一些類紋理的細長折痕線和不規則斑點。折痕線和斑點的產生不僅干擾了拓撲紋理圖像本身的紋線特征，而且還加大了后期紋線分析和匹配檢索的錯誤率，因此必須對掃描生成的拓撲紋理圖像進行必要的修補預處理。規則紋理圖像通常具有馬爾可夫性和分形特征，因此可以采用統計方法進行拼接修補。但是拓撲紋理圖像中包含了許多復雜的不規則曲線，因此需要充分利用不規則曲線的幾何信息進行演化修補。

5.精準配準

基于光流場的非剛性配準模型是一類用于提高可變形物體配準變化能力的方法，并在醫學圖像、遙感圖像等領域中得到了廣泛的應用。然而，現有光流場配準模型對拓撲紋理圖像進行配準將存在一定不足，主要表現為：當待配準拓撲紋理圖像的局部區域具有較大變形位移時，光流場配準方法將會產生較大偏差，甚至失效。此外，光流場配準模型受噪聲影響很大，僅添加全局光滑度約束不能較好地保持圖像的局部不連續性，從而容易導致拓撲紋理圖像在配準演化過程中，因局部細節模糊而丟失重要的特征信息。

此外，光流場彈性配準模型是典型的非線性二次泛函，具有很強的非凸性，從而導致其在數值計算時存在一定的難度。目前，國內外很多學者采用有限差分法對光流場彈性配準模型進行數值求解。然而，由于有限差分法是基于網格的數值方法，它在處理拓撲紋理中復雜拓撲結構的不連續區域（如紋理曲線的分裂與合并）和小尺度變形方面遇到了較大困難。為了達到較高的變形精度，需要對計算網格實施精細單元的剖分，雖然能夠取得較好的計算結果，但計算開銷比較大，不適合處理具有大容量特征的拓撲紋理視頻圖像序列的配準工作。此外，拓撲紋理圖像在視頻獲取過程中，將不可避免地包含噪聲，噪聲將惡化圖像的質量，有限差分配準方法在計算過程中容易出現網格畸變的情況，從而影響配準的精度，降低配準的效果甚至導致配準失效。

為此，本書將引入支持邊緣保留特性的去噪模型用于拓撲紋理圖像去噪，重點討論支持拓撲紋理圖像的保邊去噪算法，以有效提高對復雜紋線拓撲形變的自適應能力；研究支持表征和提取彩色拓撲紋理圖像中多色彩通道間相關性的模型，以有效避免色彩混疊，提高退化彩色拓撲紋理圖像的色彩復原質量；然后研究對紋理曲線形變復雜度具有良好適應性的圖像分割模型，提高對拓撲紋理圖案的局部分割定位和圖案花形的整體分割提取；研究支持對不連續點集形成具有較好光滑度約束的修補模型，使修補行為不受修補破損區域的拓撲形狀的限制；最后研究支持拓撲紋理圖像的光流場配準模型，提高特征紋理曲線配準表征能力，提高噪聲環境下的配準精度。

通過對拓撲紋理圖像的去噪、色彩復原、分割、修補和配準處理，可以有效提高拓撲紋理圖像預處理的效率和效果，因此具有較強的實用價值與潛在的經濟效益。綜上所述，拓撲紋理圖像的去噪、色彩復原、分割、修補和配準研究，既是應用領域的切實需要，又是復雜紋理圖像預處理過程中的一項基礎性研究工作。