TELKOM NIKA , Vol.13, No .1, March 2 0 1 5 , pp. 128~1 3 6   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v13i1.1269        128     Re cei v ed O c t ober 7, 20 14;  Revi se d De cem ber 24, 20 14; Accepted  Jan uary 10, 2 015   Fuzzy Clustering Image Segmentation Based on  Particle Swarm Optimization      Zhansh e n F e ng*, Bopin g  Zhang   Dep a rtment of Information En gin eeri ng,  Xu  Cha ng Un ivers i t y  , Xu C h a ng  461 00 0, Hena n, Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : fzs7879@ 16 3.com       A b st r a ct   Imag e se g m en tation refers to  the techn o l o g y  to  seg m e n t the i m age  into  different re gio n s w i t h   different c har a c teristics a nd t o  extract  usef ul  obj ecti ves,  and  it is  a  key  step fro m  i m age  proc essi n g  to   imag e an alysi s. Based o n   the co mpr ehe nsive stu d y of  imag e seg m entatio n tech n o lo gy, this pa pe r   ana ly z e s the  adva n tag e s an d disa dva n tag e s of the exis t i ng fu zz y  cl usterin g  al gorith m s; integrates t h e   particl e sw arm opti m i z at io n ( PSO) w i th the character i stics  of gl oba l o p ti mi z a t i o n  a nd r api d co nverg e n ce   and fu zz y  c l us tering (F C)  alg o rith m w i th fu zz y  cl usteri ng e ffects starting from th e p e rsp e ctive of p a rtic l e   sw arm and fu zz y   me mb ersh ip restrictions  and g e ts a  PSO-F C imag e seg m e n tatio n  al gorith m  so as  to   effectively av oi d bei ng tra ppe d into the  loca l  opti m u m   a nd i m pr ove the sta b ility a nd re lia b ility of clusteri n g   alg o rith m. T he experi m enta l  results sho w  that  this new  PSO-F C   alg o rith m has  excelle nt ima g e   se gm en ta ti on  effects.    Ke y w ords : image se g m e n tation, fu zz y c l ust e rin g , particle s w arm opti m i z a t ion       1. Introduc tion  Image segm entation is  n o t only one  of t he study  hotsp ots of i m age p r o c e s sing  and  comp uter vi si on, but it is  also th e si gn ificant  foun da tion of imag e  re cognitio n .The p u rp ose  of  image  segme n tation i s  to  segment  the  o b jective  re gio n  pe ople  ne e d  from  the  ba ckgro und  [1].  As  a commo d a ta an alysi s  tool,  clu s tering a nalysi s  is the  process to  divid e  data   sets  into   enormou s  cl usters con s tituted by similar dat a.Cl ustering an alysis has b een  widely use d  in  image  se gm entation, d a ta minin g , p a ttern  cla ssif i cation, m edi cal  diag no sis a nd  mach ine   learni ng [2 ]. Among numerou s image  segm entation  algorithm s, the image   segm entation a lgorith m  ba sed on  cl uste ri ng an alys i s  i s  an extremely  impo rtant an d wid e ly u s e d   algorith m  in image segme n tation. The tradition al cl u s terin g  algo rithm is a kind  of determini st ic  clu s terin g  alg o rithm. One o f  the many sa mples b e lon g s  to a ce rtain  cla ss to a certain extent and  it can  al so  be long to  an oth e cla s s o r  ot her  cla s se s a t  the same  time du e to  th e un ce rtainty  and  f u zzi ne ss  of  it s cla s s,  t her efore, it is  difficult to divid e  it into the  only cla s s ex actly. The m o st   gene rally-u se d alg o rithm i s  fu zzy  clu s t e ring  alg o rith m and  it ha s excell ent  co nverge nce a s  an   unsupe rvise d  cluste ring al gorithm [3].   Fuzzy set is  suitabl e to proce s s the rel e vant  pro b le ms to un ce rta i nty and fuzzi ness an it has be en  extensively  appli ed. F u zzy  clu s te rin g  come s i n to bei ng  by  integratin g f u zzy  clu s t e rin g  a n d  t he  con c e p t  of  f u zzi ne ss .  Fuz z y  clu s t e ring  ma ke it  pos sible  f o r t he  clu s t e ri ng  sampl e s tobe long to m u ltip le cla s se s a n d  it uses  me mbershi p  to refer to th e si ze of th e d e g r ee   of memb ershi p . As  widel y use d  m e tho d , FC alg o rith m ha bee succe ssfully  a pplied  in i m a ge  analysi s , me dical  diag no sis, ta rget i dentif icatio and im age  segm entation .  FC al gorit hm   perfo rms fu zzy clusteri ng o n  the con s ist ent pixels in the image through mem b e r shi p  matrix and   segm ents th e image thro ughthe iterat ive optimizati on of the obj ective functio n . However,  FC  algorith m  also has ma ny shortcomin gs [ 4 ]. For inst an ce, it is greatl y  affected by noise. It is ve ry  sen s itive to  th e initial  value   and it  de pend s g r e a tly on  the  sele ction   of the i n itial  cl usteri ng  cent er.  When the initial clustering cent e r  seve re ly deviates from the gl oba l optimal clustering center,  it  may cau s e th e alg o rithm  trappe d in  lo ca l optimum,  especi a lly in th e  ca se  of  num erou s clu s te ri ng  sampl e s.  The r efore, this  ki nd of p r o b le ms  can   be  so lved by imp r o v ing the m e m bership  fun c tion  in FC algo rith m and intro d u c ing PSO wit h  stron g  glob al optimizatio n ability [5].    Comp ared  wi th FC  algo rith m, PSO ca see k  th e glo b a l optimal  sol u tion at  a sho r t time;  it allows sele cting initial v a lue  rand oml y  and it  can obtain  the op timal  solu tio n ;  therefore, it can   greatly red u c e the pre - p hase wo rk [6]. By us ing  such  cha r a c teri stics as ergodi city and   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Fuzzy Clu s tering Im age Segm entation Base d on Parti c le Swa r m  Optim i zation (Z han she n  Fen g 129 rand omn e ss  of PSO and i n tegratin g th e optimizatio ch ara c te rist ic of pa rticle  swarm, thi s  p aper  prop oses  a PSO-F C algo ri thm, namely the fuzzy clu s terin g  alg o rit h mba s ed  on  particl e swa r optimization  with global  optimization ability by  integrating PSO algorithm and F C  al gori t hm.  PSO-FC  ca not only search the  optim al sol u tion wi thin the glo b a l ran ge, but  it can al so  exert  the a c cura cy  of the l o cal  optimization  ability  of F C  al gorith m   and  obtain  the gl obal  op timal  solutio n . Thi s  pape r firstly introd uces the ap plic atio n analy s is of  image  segm entation. Th e n  it  discu s ses th e fundam ent al theori e s of  fuzzy cl us te ring a nd pa rt icle swa r m al gorithm. Next, it  prop oses the  image se g m entation al gorithm b a se d on parti cle  swa r m and  fuzzy clu s te ring.   Finally, it is the experim ent al analysi s .       2. Image Segmenta tion   So far, it is v e ry difficult t o  find an   effective comm on imag se gmentation   method to  make va riou s imag es  re ach the  opti m al se gment ation quality. Many imag e seg m entati on  algorith m s a r e meant for  certain type of  image o r   ce rtain spe c ific  segm entation .  From the type  of image, image se gme n tation inclu d e s  gray imag e  segme n tatio n , color ima g e segm entati o n   and texture i m age  segm e n tation. Acco rding to t he  d e finition of image segm ent ation, the image  segm entation  algo rithm s  a r divided  int o  two  type s:  one i s   ba sed  on  re gion  a nd it  use s  th regio nal  simil a rity, namely  assumi ng th at the n e igh borh ood  pixe ls in  the  sa me regio n  h a ve   simila r ch ara c teri stics such as g r ay, col o r or te xture  while the oth e r is b a sed o n  boun dary a nd it   use s  the di scontinuity between re gion s [7].  In the image  study and appli c ation, peopl name  the part they are interested in   obje c tive or f o reg r o und a n d  the re stba ckgroun d.  Image se gme n ta tion is to exp r ess the im a g e   into  the sets meeting unifo rmity,  conn ectivity  and con s iste ncy, na mely to mark and  positio the   obje c tive and  backg ro und i n  the ima ge  and the n   se g m ent the  obj ective fro m  th e ba ckgroun d  or  other p s eu do -obje c tives a c cordi ng to the prio r kn o w led ge of objective and  backg rou nd.T he  regio nal u n ifo r mity refers t o  ce rtain  sim ilarity  crite r io n ba sed  on  gray, texture,  colo r an d ot her   cha r a c teri stics that all  pix e ls in  this re gion m eet. Conne ctivity mean s that thi s  regio n  h a s the   path to lin a n y two p o ints.  And  con s i s te ncy i s  t he to p o logy a c cura cy of the  se g m entation  sh ape   in medi cal im age segm ent ation. In othe r wo rd s, it  needs to  con s id ernot o n ly the local  pro p e r ty,  but also the  con n e c tivity  of the global geomet rical shape. Peopl e  have come  up with different  descri p tion s on image  se gmentation a nd they hav e given image  segme n tatio n  the followi ng  definition wit h  the con c e p t  of set:use  set Rto refer to the entire  image re gio n ; divide R i n to   Cno n -e mpty sub - regio n s (sub -sets), na mely  12 ,, C RR R and me et the followin g  five conditio n s:   (1)  1 C i i RR (2)If  1, 2 , , , i iC R are co nn ected regio n s.  (3) T o  all  i  and  j , ij ij RR (4)If 1, 2 , , iC , then () i PR T r u e (5) If ij , then () ij P RR F a l s e   Among the s e con d ition s () i PR  is the logic predicate to the eleme n ts in set  i R .Conditio n (1 requi re s that the unio n  set  of all su b -re gi on in the seg m entation result shall in clu de  all the pixels of the original  image; Cond ition(2 )   req u ires that the pixels  of the sa me sub - regio n   in the  se gme n tation result are   conn ect ed; Conditi o n ( 3) re qui re s t hat any  pixel  of the  ori g in al  image  can’t  belon g to two differe nt sub-regi on s;  Con d ition(4)  requi re s that  the pixels  whi c h   belon g to the  same  regi on  have ce rtain  same  cha r a c teristics a nd  Con d ition(5)  requires th at the   different su b-regio n s in the  segme n tatio n   result have different ch aracteri stics [8].   In one  wo rd , image  se g m entation i s  to segme n t the regio n s with  ce rtain  simila prop ertie s  int o  the sam e  regio n  and  segment th o s e with different pro pertie s  into differe nt  regio n s. An e ffective segm entation sh all  preserve  the  important ch ara c teri stics  of the image in a   possibly  sho r t time and  g e t the con s istent outline  or compl e te area   of  the obje c tive  in  t he    image [9].      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  128 – 1 3 6   130 3. Fundame ntal Theorie s of Fuzz y  Clusteri n g  and  Particle S w arm Optimization   3.1. Fundam e ntal Princip l e of Fuzz y  C l ustering (F C)  FC algo rithm  is a metho d  to automatically cla ssify  the sample s. It determines the   membe r ship  of every sam p le to the cla ss  cente r  by minimizi ng th e obje c tive function  so a s  to  determi ne th e cla ss of the  sample. FC  divides the set  Z  in a fuzzy manne r and  determi ne s the  degree eve r y  data poi nt b e long s to eve r y cla s s with t he mem b e r ship value  bet wee n  0 a nd  1 .  In   line with the i n trodu ction  of fuzzy divisio n , membe r shi p  matrix allo ws the  circu m stan ce s wit h  the  value of  0 an d 1; h o wever, one m e mb e r shi p  u n ific ati on rest rictio n  sh all b e  ad d ed, that i s , th e   sum of the m e mbe r ship s that one data  point bel o n g s  to different cl asse s sh all b e  1.    1 1, 1, , c ij i uj n                                                                                                                     (1)     Then, the obj ective functio n  of FC is a s  follows:    2 11 (, ) cn m mi j i j ij J UP u d                                                                                                                (2)     In this  formula,  ij u  can  be  any real  nu mber  betwee n  0 an d 1 a nd  1, m   is a   weigth ed ind e x called fu zziness ind e x, fuzzy cont rol para m eter a n d  weig hted p a ram e ter [10]   Con s tru c ne w o b je ctive fu nction  throug h lag r an gian   multiplier an d  acco rdi ng to   Formul a   (1) a nd(2) a n d  get the necessary  conditi ons to  ma ke  Formul a (2 ) g e t the minimu m value [11].    1 1 1 (, , , , ) ( , ) ( 1 ) c n nj i j j i JU P J U P u    2 11 1 1 (1 ) cn n c m ij ij j i j ij j i ud u             (3)    In this  formula,  ,1 , , j j n , is the lagran gian m u l t iplier of  n  co nstrai nt form ulas i n   Formula (1).It c an be  s e en from lagrangian multiplie that the s o lutions  of  Formula (1), (2) and   (3)  are  equiv a lent. Seek th e partial  deriv atives of  all in put paramete r s a nd ma ke t he re sult 0  an get the ne ce ssaryconditio n s to ma ke  Formul a (2 get the mini mum by inte grating  co nst r aint   con d ition Fo rmula (1 ).    1 1 n m ij j j i n m ij j ux c u                                                                                                                                     (4)    and     2/ ( 1 ) 1 1 m ij m c ij k kj u d d                                                                                                                                (5)       3.2. Basic F C  Flo w   The co re of FC algo rithm is the estima tions of the clustering center  matrix  [] i cxd Pc and   f u zzy  mem b e r shi p  mat r ix [] ij c x n Uu The e s timation of FC pa rameters can  be dete r mine d by  Formul a (4 and (5) an d they are mut ually int egrat ed; therefo r e,  perform esti mation solution  throug h alternative iterative algorith m s [ 12].   Step 1: Initialize the  pa ram e ters of the  cl us teri ng ce nter  mat r ix.  As for  the given numbe of  clu s t e ri ng  cla s s e (2 ) cc n  , n  is t he s a mpl e  si ze.  A s sumi n g  that the ite r ative sto ppi ng  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Fuzzy Clu s tering Im age Segm entation Base d on Parti c le Swa r m  Optim i zation (Z han she n  Fen g 131 threshold i s   whi c h ra nge s from 0.001 to 0.01. Set th e maximum iteration s  a s  a nd initialize th c l us tering c e nter matrix  () t P with  0 t Step 2:  Upd a t e the fu zzy  d i vision m a trix. Cal c ul ate th e di stan ce s () t ij d  from eve r y sa mple j x  to the cluste ring ce nter  i c through the  clu s tering cente r  matrix () t P , updat e the fuzzy di vision  matrix  () t U accord ing to Formul a (5) a nd get     () 2/ ( 1 ) () () 1 1 t ij m t c ij t k kj u d d                                                                                                                               (6)     Step 3: Upda te the  cluste ring  cente r  m a tr ix, update   the cl uste ring  ce nter  matri x   (1 ) t P according to  Formul a (4 ) a nd get:    () 1 (1 ) () 1 n m t ij j j t i n m t ij j ux c u                                                                                                                                 (7)     Step 4: Judg e the th re sh old. Fo r the  given thresh old  , if  (1 ) ( ) tt PP  , or  the  numbe r of iteration s  is la rge r  than or   equal to the maximum iterative cou n ts () tl , stop the  iteration; othe rwi s e, ma ke  1 tt  and turn to Step 2.  Whe n  a  ce rta i n sa mple  j x   overlap s  with  a certai n clu s te ring ce nter i c , 0 ij j i dx c  In orde r to avoide 0 ij d ; specify that when  0 ij d , the membe r shi p  that this sa mple belo n g s  to   this  cla s s is  1  and  the m e mbershi p  it b e long s to  oth e cla s ses is  0. Wh en th e i t eration  process   stop s, get th e fuzzy clu s t e ring  ce nter  and t he e s ti mation value  of the par a m eter s of fu zzy  division m a tri x . The judgm ent eviden ce  FC al gorit h m   determi ne s th e clu s te ring  class of  sampl e   j x is    1, , arg m a x ij ic ku                                                                                                                                           (8)   As for the a bove iterative  algorithm s, pre - initialize the fuzzy division mat r ix and then  impleme n t the iteration p r o c e ss [13],[14]     3.3. Fundam e ntal Princip l e of PSO  The fu ndam e n tal pri n ci ple  of PSO  com e by stim ula t ing g r oup  fe eding.  They  perfo rm  simple b ehav iors o n  acco unt of the followin three  rule s: (1) mo vement towa rds the n earest   comp anio n ; (2) moveme nt towards the d e stinatio n;  (3) movement towards the g r o up ce nter [15] A ssu me t hat   12 (, , ) ii i i n X xx x 12 (, , ) ii i n Vi v v v , 12 (, , ) ii i i n Pp p p  are th e c urre nt  positio n, flying spe ed an global o p tima l position of   particl e ire s p e ctively. In order to ma ke t h e   particl e to fin d  food at th e  sho r te st time, it need s to  find a  soluti on in the  qu estion  domai n to  minimize the  value  of the  obje c tive fu nction,  name l y that the o b jective fu nct i on  () F x is the  bigge st an d  then the  current optim al po sition  o f  the ith pa rticle  ca n b e  dete r mine d by    Formul a (9 ).    () ( ( 1 ) ) ( () ) (1 ) ( 1 ) ( ( 1 )) ( ( )) ii i i ii i p ti f F x t F p t pt x ti f F x t F p t                                                                            (9)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  128 – 1 3 6   132 Assu me that  the numb e of individual s in the group  is  S and the o p timal po sitio n  all  individual s ca n find is  () g P t ,as in dicate d by Formula (10 ) :       01 0 1 ( ) ( ) , ( ) , ( ) ( ( )) mi n ( ( )), ( ( )), ( ( )) gs g s p t pt p t p t f p t f pt f p t f p t                   (10)    Acco rdi ng to  the definition  of PSO, the s peed  and p o s ition u pdate  of every pa rticle  can  be de scribe d by Formula  (11) an d (1 2):     11 2 2 ( 1 ) ( ) ( ) ( () () ) ( ) ( () ( ) ) ij ij j i j i j j g j ij vt vt c r t p t x t c r t P t xt                                                    (11)  (1 ) ( ) ( 1 ) ij ij i j xt x t vt                                                                                                                         (12)    In these form ulas: the su b s cript " i " means pa rticle  I , " j " refers  to the  jt h  dimensio n   of the pa rticl e t  is the  n u mbe r  of iterations   wh ere  the group i s  lo cated;  1 c  and  2 c  are   accele ration  con s tant s, which  are  withi n  [0,2] and  12 1 cc  and  1 r  and  2 r  are two  ran d o m   numbers  within [0,1].   It can be see n  by analyzin g Formul a (1 1) and (12 )  that  1 c  are  2 c  the param eters to be  use d  to adj u s t the po sitio n  of the pa rticle a nd the  global  optima l  positio n re spectively. In the  mean while, i n  ord e r to a v oid the pa rticle fro m  devi a ting from th e se arch  spa c e, it need to  con s trai ij v and   ij x  in the group  evolution, na mely ma x m a x , ij vv v  ma x m a x , ij xx x  The  parti cle  speed  up date  in Fo rmula  (1 1) i s   divided  i n to three  part s : the  first  pa rt is its  curre n t spee d; the  se con d  part i s  it s o w n expe rien ce   and th e third  part i s  the  so cial  re cog n ition.  If the particle  update s  its speed o n ly through its o w experie nce, as indi cated in  Formul a (1 3).     11 ( 1 ) ( ) ( ) ( () () ) ij ij j i j i j vt vt c r t p t x t                                                                                             (13)    In this  way, t he p e rfo r man c of PSO  w ill be ve ry b a d  be ca use  without exchan ge of  grou p info rm ation am ong  different  pa rticles,  it  will l ead to  the i n depe ndent  m o vement of  N   particl es in  grou p a nd it i s  e a sy to  be   trappe d into  l o cal  optimu m . If only so cia l  re cog n ition i s   adde d, see F o rmul a (14 ) :     22 ( 1 ) ( ) ( ) ( () () ) ij ij j g j i j vt vt c r tP t x t                                                                                             (14)    Then the mo vement of the particl e will  becom e a social be havio r with self-re c ognition.  Although it can expan d th e se arch  ran ge of the pa rticle an d imp r ove the  con v ergen ce  sp e ed,  the algorithm will be easy to be trapped i n to local optimum [16],[17].  The follo win g  is th e fun d a m ental p r in ci ple of  pa rticle  moveme nt in  PSO, a s  in dicated  in   Figure 1.          Figure 1. Particle movem e nt sch ematic  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Fuzzy Clu s tering Im age Segm entation Base d on Parti c le Swa r m  Optim i zation (Z han she n  Fen g 133 The gen eral pro c e ss of P S O is indicated in Figu re 2  [18].            Figure 2. Basic flowcha r t of PSO      4. Image Segmenta tion Al gorithm Ba s e d on Particl e  S w a r m an d Fuzz y  Clus tering   4.1. Theore t ical Idea of PSO-F C Algor ithm  Whe n  the  st anda rd F C  al gorithm  se g m ents th e g r ay image, it  divides th e cl asse s of  pixels  acco rdi ng to  the  gra y  cha r a c teri st ics of   im age  and co ntinuo usly  u pdate s  the  mem b e r ship   matrix an cl usteri ng  ce nter u n til the  al gorithm   conv erge nce th ro ugh  gra d ient  desce nt so a s  to  reali z e the segmentatio n of gray imag e. However,  in daily life, the pixels p o ints of a com m o n   image  are  en ormo us. F o example, a  common  256 ×256 g r ay ima ge ha s 6 5 ,53 6  pixels  point and the pixel s  point s to be  classified a r e  65,536 a c cording to the st anda rd F C  al gorithm. Fo r the  stand ard  F C   algorith m  to  d i vide a c cordi n g to  pixel  po in ts , th e n u m be r   o f  ite r a t io ns  an d th e  time  it   take s are un doubte d ly very huge. Th e r efore, the  sta ndard FC  alg o ri thm is  not suitabl e for real- time application [19].    4.2. Flo w   o f  PSO-FC  Step 1: Rea d  in the o r ig inal imag e to be  segm e n ted. Assum e  that the n u mbe r  of  c l us te r i ng  is c , the popul atio n si ze is N , the learni ng fa ctors  are  1 c  and  2 c ,the inertia  weight  fac t or ma x m i n max ma x t ite r    ; the maximum in ertia weight  factor i s   ma x an d the minim u weig hted fact or is mi n the ma ximum iterations ma x   it e r and the m a ximum sp ee d is ma x V [20].  Step 2:Initialize the p a rti c le wa rm. Ra ndomly ge ne rate 12 ,, , N zz z . The nu mber  of  d i me ns io ns  is  D  dimension a nd the vector 1 1 ,1 1 , 2 1 ,D () zz z z  ,,  with every co mpone nt value is  within 0~1. Take the valu ation ran ge o f   every comp onent ca rri er and particl e  swa r m of  i z as  ,, 1, 2 , , 1 , 2 , . . , ij i j x ab a z j D i N  ,, , and cal c ulat e the objective function[21],[22].    Step 3: Evalu a te the fitness of every  particle and up d a te the individual extremu m i p  and   the global ext r emum g p  acco rding to Form ula (9 ) and (1 0).   Step 4: Ran domly gen erate a  D -dim ensi onal ve ctor 00 , 1 0 , 2 0 , D ( s ,s , . . . ,s ) s  with every   comp one nt value withi n  0 ~ 1.   Step 5: Upd a t e its own  sp eed a c cordin g to Form ula  (11 )  in PSO  and restri ct i t  within   mi n m a x [, ] VV Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  128 – 1 3 6   134 Step 6: Accordin g to  Fo rmula  (5 an d (6 ), u pdat e the  memb ership  matrix   ij u and   c l us te r i ng  c e n t e r 1 , t id Z . In the  mean while,  u pdate th sp eed  and  po si tion of eve r y parti cle  and   gene rate the  next-gen eration parti cle swarm [23].   Step7: Ju dge  wh ether it h a rea c h ed t he iter ation t e rmin ation  co ndition. If the  iteratio n   terminate s , jump out fro m  circulation  and output the global o p timal solutio n   g p , namely th clu s terin g  ce nter and o u tp ut the segme n ted image, o t herwi se, turn  to Step 3.        5. Experimental Re sult & Analy s is   In order to v e rify the  effectivene ss of t he  al gorith m  prop osed  i n   t h is pap er, co mpare  it  with fuzzy cl usteri ng al go rithm an d m u lti-thre sh old  Otsu im age  seg m entatio n method. T h e   algorith m  of this p ape r do esn’t n eed to  determi ne th e numb e of cla s ses i n  ad vance  and it  ca n   self-a daptivel y divide into several cl asses in t he clu s terin g   proce ss. Comp arat ive  experime n ts  need  to d e termine the  nu m ber of  cla s se s in  adva n ce  and th e n u m ber of  cla s se s a r e  dete r mi ned   according to the numb e r of  classe of the algorith m  in  this pape r.   Simulate this experime n tal  result and d a ta in the en vironme n t of Wind ows 7  with Intel  (R) Co re 2CP U  1.33G  an d a memo ry of 2.5G  through M a tlab  R201 2a. Set the algorit hm  para m eters a s  follows: the  size of the p a rticle  swarm  is 100; the maximum iterations i s  200;  the   learni ng fa cto r are:  11 . 9 c & 21 . 8 c , the numbe r of  clu s ters  3 c ,  the ma ximum inertia  weig ht  fac t or is max 0.9 , the  minimum ine r tia weight fact or is  mi n 0. 1 , and the fuzzy index i s   3 m Figure 3 is th e segm entati on effects by  different algo rithms.                                                 (a)Origin a l image                               (b )Fu zzy cl uste ring alg o rithm                                               (c) Multi-th reshold Ot su  method                       (d) Algo rithm of this p aper    Figure 3. Segmentation result s by differe nt algorithm     Figure 3 (a ) is the origi nal  image to be  pro c e s sed while Figu re 3  (b), (c) a nd (d) are the  results to  se gment  (a) by  usi ng fu zzy  clu s terin g  al g o rithm, multi - threshold  Otsu algo rithm  a n d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Fuzzy Clu s tering Im age Segm entation Base d on Parti c le Swa r m  Optim i zation (Z han she n  Fen g 135 PSO-FC  seg m entation al gorithm.  It can  b e  see n  throug h com pari s on   that with  d e termi ned   numbe r of cl a s ses, the s e t h ree  se gment ation meth o d s  can segme n t the tree in t he middl e of the   image; ho we ver, as fo r th e tree s an d pl ants in th e ba ckgro und, the  segm entatio n effect by fu zzy   clu s terin g  al g o rithm i s  the  wo rst  sin c the ori g inal t r ee  can’t b e  i dentified. Ne xt come s mu lti- threshold Otsu  method, which can se g m ent  so me  trees. Th e alg o rithm of thi s  pape r ha s t h e   best se gmen tation  effect and  it ca n segment ev ery obje c tive completely. T o  sum  up, t h e   improve d  alg o rithm propo sed in this pa p e r ha s better i m age segm e n tation effect s.       6. Conclusio n   Since ima ge  has m any un certai nties  an d i naccu ra cy, people fin d  that fuzzy theory ha excelle nt de scriptio n a b ility on  su ch  un certaintie s. Im age  seg m ent ation i s  to  cla ssify the  ima g e   pixels. Apply fuzzy cl uste ri ng into imag e seg m entati on to get better effect s tha n  the traditio nal  image processing   metho d s.However FC algorith m   h a s bad  anti-noi se ability o r   ro bustn ess  and  it  is ea sy to be converged t o  local minim u m. T herefo r e, this pape r integrate s  PSO and FC  and   applie s it into image se gm entation to g e t excell ent segmentatio n effects throu gh com p a r ati v e   study of the experime n tal result s.       Ackn o w l e dg ments   This wo rk  wa s sup porte d by  the  Sci e n c e and  te ch n o logy research  proj ect s  i n  Henan   provin ce de p a rtment of ed ucatio n (g rant  No.12A52 00 38).       Referen ces   [1]    Pasqu a  D, Gaetan o T .  Solutio n  of A mb rosio T o rtorelli Mo de l for Image Seg m entatio n b y   Genera lize d  R e la xation Meth od.  Co mmu n ic ations i n  Non l i near Sci ence  and N u meric a l  Simu latio n 201 5; 20(3): 81 9-83 1.  [2]    Le  HS. DPF C M: A Nov e Dis tributed  Pictur e  F u zz y C l usteri ng M e tho d  o n   Picture F u zz Sets.  Expert   Systems w i th Appl icatio ns . 2 015; 42( 1): 51- 66.   [3]    Z hong  W ,  Z e shui   X, Sh oush eng  L, Z e qin g   Y. Direc t C l ust e rin g  An al ysis   Based  o n  Intuit ionistic  F u zz Implicati on.  Ap plie d Soft Co mputin g . 201 4; 23(10): 1-8   [4]    Xi anc han g W ,  Xi ao don g L,  Lishi Z .  A Ra pid F u zz y R u l e  Cluster in Method B a se d  on Gran ular   Comp uting.  Ap plie d Soft Co mputin g . 201 4; 24(11): 53 4-5 4 2 .   [5]    Saman G, Sal a r G. Automatic Histo gram-b ased  F u zz y C -means Cluste r ing  for Remot e   Sens in g   Imager y .   ISPR S Journa l of Photogr a m metry  and Re mote S ensi n g . 20 14; 97(1 1 ): 46-5 7 [6]    L Kuru, A Ozturk, E Kuru, O Kandar a. Determin a tion  o f  Voltage Sta b ilit y Bo un dar y Va lues  i n   Electrical P o w e r S y stems  b y   Using T he C h a o tic Particl e  S w a rm Optimiza tion Al gorithm.  Internatio na l   Journ a l of Elec trical Pow e r & Energy Syste m s . 2015; 64( 1): 873- 879.   [7]    Lia ng S, Christ oph er Z, Cecil C, Marc N. Au tomatic Atlas-b a sed T h ree-l a b e l Cartil ag e Se gmentati o n   from MR Knee  Images.  Medic a l Ima ge An aly s is . 2014; 1 8 (7 ): 1233-1 2 4 6 [8]    S w a r n a j y oti P,  Rahul G, Anshu S. A Novel Cont e x t Sensitive Multi l ev el T h reshold i n g  for Image   Segmentation.  Appl ied S o ft Computi n g . 20 1 4 ; 23(10): 1 22- 127.   [9]    Jin-Yu Z ,  W e i Z ,  Z heng-W e i Y, Gan  T .  A Nove l Al gorithm  for F a st Compressio n  an d Re constructio n   of Infrared T hermogra phic S e que nc e Bas ed  on Imag e Seg m entatio n.  Infrared Phys ics &  T e chnol ogy 201 4; 67(1 1 ): 296-3 05.   [10]    A Pourja bb ar, C Sârbu, K Ko starelos, JW  Eina x, G Büchel . F u zzy  H i erar chical Cr oss-C l usteri ng of   Data from Ab a ndo ne d Min e  S i te Co ntamin at ed  w i t h  He av Metals.  Computers & Geosciences . 20 14;   72(1 1 ): 122- 13 3.  [11]    Siripe n W .  A   Multi-ob jectiv Genetic A l g o rit h w i t h  F u zz y C-Mea n s for   Automatic  Dat a  C l usteri ng.  Appl ied S o ft Computi ng.  20 1 4 ; 24(11): 6 79- 691.   [12]    Mohamm ed A K , James B,  Mihai l P, James MK . Improvements to T he Relati ona l F u zz y  C-Me an s   Clusteri ng Al go rithm.  Pattern Recognition . 2 014; 47( 12): 39 20-3 930.   [13]    G Castell ano,  AM F anell i , MA T o rsello. Sh ape A n n o tatio n  b y  Semi-S u pervis ed F u zz y C l usteri ng.   Information Sci ences . 20 14; 2 89(2 4 ): 148- 16 1.  [14]    Ming-S hou S,  Chu ng-C hu C,  Ch ie n-Yi C, Ji ann-F u h C. Cl assifica ti on of  Partial D i schar ge Events i n   GILBS Using  Proba bilistic  Neura l  Net w orks and T he Fuzz y  C-M eans C l uster i ng Ap proac h .   Internatio na l Journ a l of Electr ical Pow e r & Energy Syste m s . 2014; 61( 10): 173- 179.   [15]    Xi ao- Lin L,  Xia ng-D ong H.  H y brid P a rticle  S w a rm Optimi zation Met hod  for Structure L earn i ng  of   Proba bil i stic R e lati ona l Mod e l s Informatio n Scienc es . 201 4; 283(1): 2 58- 266.    [16]    Qing C, Mao g uo G, Bo S, Li jia M, Lic hen g  J.  Discrete Particle S w a rm  Optimizatio n  fo r Identif yin g   Commun i t y  Str u ctures in Si gn ed Soci al Net w orks.  Neura l  N e tw orks . 2014; 58(1 0 ): 4-13.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  128 – 1 3 6   136 [17]    Nave ed I, Azz e din e  Z ,  Na ofal   A. Decis i on  F e edb ack E qua liz ation  Usi n g  Pa rticle S w a rm O p timizati on.  Sign al Process i ng . 20 14; 10 8( 3): 1-12.   [18]    Garima S, Kus u m D, Atul ya K N . Cell- like P-s y stems Bas ed  on Ru les of Pa rticle S w arm O p timizati on.   Appl ied Mat h e m atics a nd C o mp utatio n . 201 4; 246(1): 5 46- 560.   [19]    T o m R, K Joo s t B, Arnol d J d D, Ja n S. T he R e construct ed  Resi du al E rror: A N o vel   Segme n tatio n   Evalu a tion  Me asure f o r R e constructed  Images  in  T o mogra p h y C o mp uter Vis i o n  an d Imag Und e rstand in g . 2014; 1 26(9):  28-3 7 [20]    Devraj  M, Ami t ava C, M adh uba nti M. R o b u st Med i cal  Image   Se gmenta t ion  Usin g Par t icle S w a r m   Optimizatio n  ai ded  Lev el S e t Based  Glob al  F i tting En erg y  Activ e  Co nt our Ap pro a ch.   Engi ne erin g   Appl icatio ns of Artificial Intel lig ence . 20 14; 35 (10): 199- 21 4.  [21]    Amged SEW .  Desi gn Opti mizatio n  of P M  Cou p li ngsU s ingH yb ri d Pa rticle S w a rm  Optimizatio n - Simplex  M e thod (PSO-SM) Algorithm.  Electri c  Pow e r Systems Res earc h . 201 4; 116( 11): 29-3 5 [22]    Chu-S hen g L,  Helo n VHA,  Le andr o dS C. Ca pacitor P l ac ement of  Distri but ion S y stems U s i ngP articl e   S w a rm Optimi zation A ppro a c hes.  Internati o nal J ourn a l of  Electrical P o w e r & Ener gy S ystems . 20 15;   64(1 1 ): 839- 85 1.  [23]    Gustavo JM, Dieg o  SC, Virg in ia LB, Adr i an GS , Lucía IP. Automatic Desi gn of Interpr e tabl e F u zz Predic a te S y st ems for Cluster ing Usi ng Se lf-Organiz i ng Ma ps.  Neuroc o m p u ting . 20 15; 14 7(5): 47-5 9 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.