Методы сегментации изображений. Выделение контура методом Marr-Hildreth

обработка изображений: сегментация

Понятие сегментации, данное выше, является обобщенным понятием. Вообще говоря, изображение для наблюдателя часто представлено в виде некоторых однородных участков, отличающихся друг от друга различными характеристиками. Количество таких типов (или же классов) обычно невелико. Все изображение можно разбить на некоторое количество непересекающихся областей, каждая из которых является изображением одного из типов (классов). При анализе таких изображений целью любой системы является определение этих областей и указания их номера типа. Обработка изображения, позволяющая получить такую совокупность сведений о нем, и называется сегментацией . Иными словами, предполагается, что области изображения соответствуют реальным объектам или же их частям.

Однако существуют изображения, в которых вся картина разбита на области, не отличающиеся друг от друга ни по каким характеристикам. Тогда вся информация представляет в данном случае совокупность границ между этими областями. Простой пример: кирпичная или плиточная кладка.

Методы сегментации изображений делятся на два класса:

Автоматические, то есть такие методы, которые не требуют взаимодействия с пользователем;

Интерактивные или же ручные методы, использующие введенные пользовательские данные во время работы.

Задача сегментации изображения, как правило, применяется на некотором этапе обработки изображения, чтобы получить более точные и более удобные представления этого изображения для дальнейшей работы с ним.

Методов сегментации существует великое множество, и разные методы ориентированы на разные свойства разбиения изображения. Поэтому при выборе метода сегментации в той или иной задаче следует руководствоваться тем, какие же свойства разбиения действительно важны и какими свойствами обладает исходное изображение. Также необходимо решить, какая степень детализации, до которой доводится разделение на классы, оказывается приемлемой. Все зависит от каждой конкретной решаемой задачи. Например, при анализе микросхем задачей выделения объектов может быть выделение блоков микросхем и радиодеталей, а может быть обнаружение трещин на этих радиодеталях. Тогда логично, что в первом случае необходимо ограничиться более крупной детализацией.

Алгоритмы сегментации также делятся, как правило, на два класса:

1) основанные на базовом свойстве яркости: разрывности;

2) основанные на базовом свойстве яркости: однородности .

В первом случае изображение разбивается на области на основании некоторого изменения яркости, такого как, например, перепады яркости на изображении. Во втором случае используется разбиение изображение по критериям однородности областей. Примером первой категории может служить пороговая обработка или же пороговая классификация, а второй - выращивание областей, слияние и разбиение областей. О сегментации первого типа, а именно о пороговой обработке, и пойдет дальше речь.

Сегментация в цветовом пространстве RGB

Обычно пороговая сегментация изображений сводится к задаче сегментации полутоновых изображений. Действительно, выбор порога, как правило единственного, и сегментация на его основе и осуществляют переход от изображения в цветовом пространстве RGB к полутоновому, несмотря на то, что непосредственно предобработки перевода цветного изображения в полутоновое нет. Однако, иногда «цветная сегментация» все же применяется.

Предположим, что на RGB изображении необходимо выделить объекты, цвет которых лежит в определенном диапазоне. Задача сегментации в таком случае состоит в том, чтобы классифицировать каждый пиксель изображения в соответствии с тем, попадает ли его цвет в заданный диапазон или нет. Для этого в цветовом пространстве вводится мера сходства, как правило, евклидово расстояние . Евклидово расстояние между точками и определяется выражением

где, - RGB компоненты вектора, а, - вектора.

Идею применения такой обработки можно в общих чертах увидеть в разделе 2.6 пояснительной записки.

В данной работе в основном рассматривались и сегментировались изображения на основе одного порога, то есть осуществлялся переход к полутоновым изображениям. Причиной тому является тот факт, что задачи сегментации в цветовом пространстве RGB являются узконаправленными, и для каждого изображения в таком случае необходимо знать норму расстояния для каждой компоненты R,G и B, определить которые возможно лишь путем долгих экспериментов на конкретной предметной задаче.

Cегментация означает выделение областей однородных по какому-либо критерию, например по яркости. Математическая формулировка задачи сегментации может иметь следующий вид .

Пусть -функция яркости анализируемого изображения; X – конечное подмножество плоскости на котором определена
;
- разбиение X на K непустых связных подмножеств
LP – предикат, определенный на множестве S и принимающий истинные значения тогда и только тогда, когда любая пара точек из каждого подмножества удовлетворяет критерию однородности.

Сегментацией изображения
по предикату LP называется разбиение
, удовлетворяющее условиям:

а)
;

б)
;

в)
;

г) смежные области.

Условия а) и б) означают, что каждая точка изображения должна быть единственным образом отнесена к некоторой области, в) определяет тип однородности получаемых областей и, наконец, г) выражает свойство “максимальности” областей разбиения.

Предикат LP называется предикатом однородности и может быть записан в виде:

(1)

где
-отношение эквивалентности;
- произвольные точки из .Таким образом, сегментацию можно рассматривать как оператор вида:

где
-функции, определяющие исходное и сегментированное изображение соответственно; -метка i- й области.

Существуют два общих подхода к решению задачи сегментации , которые базируются на альтернативных методологических концепциях. Первый подход основан на идее “разрывности” свойств точек изображения при переходе от одной области к другой. Этот подход сводит задачу сегментации к задаче выделения границ областей. Успешное решение последней позволяет, вообще говоря, идентифицировать и сами области, и их границы. Второй подход реализует стремление выделить точки изображения, однородные по своим локальным свойствам, и объединить их в область, которой позже будет присвоено имя или смысловая метка. В литературе первый подход называют сегментацией путем выделения границ областей , а второй – сегментацией путем разметки точек области . Данное выше математическое определение задачи позволяет характеризовать эти подходы в терминах предиката однородности LP . В первом случае в качестве LP должен выступать предикат, принимающий истинные значение на граничных точках областей и ложные значения на внутренних точках. Однако можно отметить существенное ограничение этого подхода, состоящее в том, что разбиение является здесь двухэлементным множеством. В практическом плане это означает, что алгоритмы выделения границ не позволяют идентифицировать разными метками разные области.

Для второго подхода предикат LP может иметь вид, определяемый соотношением (5.1). Указанные выше подходы порождают конкретные методы и алгоритмы решения задачи сегментации.

Метод сегментации на основе пороговой обработки

Пороговая обработка изображения означает преобразование его функции яркости оператором вида

где s(x,y) – сегментированное изображение; K – число областей сегментации;
- метки сегментированных областей;
- величины порогов, упорядоченные так, что
.

В частном случае при K= 2 пороговая обработка предусматривает использование единственного порога T . При назначении порогов применяют, как правило, гистограмму значений фунции яркости изображения.

Алгоритм сегментации на основе пороговой обработки на псевдокоде

Вход: mtrIntens – исходная матрица полутонового изображения;

l, r – пороги по гистограмме

Выход: mtrIntensNew – матрица сегментированного изображения

for i:=0 to l-1 do

for i:=l to r do

for i:=r+1 to 255 do

LUT[i]=255;

for i:=1 to 100 do

for j:=1 to 210 do

mtrIntensNew:=LUT]

Пороговая обработка, вероятно, самый простой метод сегментации, что привлекает к нему большое внимание специалистов. Метод ориентирован на обработку изображений, отдельные однородные участки которых различаются средней яркостью. Простейшим и вместе с тем часто применяемым видом сегментации является бинарная сегментация, когда имеется только два типа однородных участков. При этом преобразование каждой точки исходного изображения в выходное выполняется по правилу:

(7.1)

где - единственный параметр обработки, называемый порогом. Уровни выходной яркости и , могут быть произвольными, они лишь выполняют функции меток, при помощи которых осуществляется разметка получаемой карты - отнесение ее точек к классам или соответственно. Если образуемый препарат подготавливается для визуального восприятия, то часто их значения соответствуют уровням черного и белого. Если существует более двух классов, то при пороговой обработке должно быть задано семейство порогов, отделяющих яркости различных классов друг от друга.

Центральным вопросом пороговой сегментации является определение порогов, которое должно выполняться автоматически. Применяемые в настоящее время методы автоматического определения порогов подробно описаны в обзоре . Разнообразие методов очень велико, однако в основном они базируются на анализе гистограммы исходного изображения.

Пусть , - гистограмма исходного цифрового изображения. Примем, что его диапазон яркостей заключен в пределах от 0 (уровень черного) до 255 (уровень белого). Первоначальная идея гистограммного метода определения порога основывалась на предположении о том, что распределения вероятностей для каждого класса унимодальны (содержат по одному пику), а точки границ, разделяющих участки разных классов на изображении, малочисленны. Этим предположениям должна отвечать гистограмма, которая имеет многомодальный характер. Отдельные моды соответствуют различным классам, а разделяющие их впадины - малочисленным по количеству входящих в них точек граничным областям. Пороги сегментации находятся при этом по положению впадин. Рис. 7.1 иллюстрирует сказанное выше применительно к случаю двух классов. В действительности воспользоваться такими простыми соображениями для выбора порога удается крайне редко. Дело в том, что реальные гистограммы обычно сильно изрезаны, что иллюстрирует приводимый па рис.7.2, в результат эксперимента. Это служит первым препятствием для определения точек минимума. Вторым препятствием является то, что границы между однородными участками на изображении бывают размыты, вследствие чего уровень гистограммы в тех ее частях, которые отображают точки границы, возрастает. Очевидно, это приводит к уменьшению провалов в гистограмме или даже их исчезновению.

Рис.7.1.К выбору порога бинарной сегментации

Один из эффективных путей преодоления этих трудностей состоит и определении порога на основе так называемого дискриминантного критерия. Рассмотрим этот подход применительно к двум классам, поскольку обобщение на случай большего числа классов не составляет принципиальной проблемы. Итак, считаем, что распределение ,построено для изображения, содержащего два типа участков, причем существует оптимальная граница , разделяющая их наилучшим образом в некотором смысле. Для определения оптимального порога строим дискриминантную функцию , , аргумент которой имеет смысл пробного порога. Его значение, максимизирующее функцию , является оптимальным порогом . Рассмотрим построение дискриминантной функции.

Пусть - гипотетическое значение порога, разбивающее распределение , на два класса. При этом обычно не играет большой роли, к какому из классов будут отнесены точки изображения, имеющие яркость , в силу малочисленности граничных точек, разделяющие участки разных классов. Вероятность того, что наугад взятая точка кадра принадлежит классу , равна

(7.2)

Аналогично вероятность ее принадлежности к классу определяется формулой

(7.3)

причем в силу нормировки распределения вероятностей имеет место равенство

Далее считаем, что участок распределения , , ограниченный точкой , описывает часть изображения, принадлежащую , а участок , - принадлежащую . Это позволяет ввести в рассмотрение два распределения и , соответствующих и , конструируя их из распределения при помощи выражений:

Здесь делением на вероятности и обеспечивается нормировка вводимых условных распределений.

Для образованных таким образом распределений вероятностей могут быть найдены моменты. Выражения для математических ожиданий и имеют вид

(7.4)

где - ненормированное математическое ожидание для , - математическое ожидание для всего кадра.

Аналогично, дисперсия дня всего кадра определяется выражением

(7.6)

Для построения дискриминантной функции дополнительно вводим еще один энергетический параметр , называемый межклассовой дисперсией:

Безразмерная дискриминантная функция определяется выражением

(7.8)

Оптимальным, как говорилось выше, считается порог, отвечающим требованию

(7.9)

Поясним смысл критерия (7.9). Знаменатель в выражении (7.8) является дисперсией всего кадра и, следовательно, от величины пробного порога , разбивающего изображение на классы, не зависит. Поэтому точка максимума выражения (7.8) совпадает с точкой максимума числителя, т.е. определяется характером зависимости межклассовой дисперсии (7.7) от порога . При его стремлении к нулю вероятность , как следует из (7.2), также стремится к нулю. Поскольку при этом все изображение относится к классу , имеет место тенденция . Следовательно, оба слагаемых в (7.7) становятся равными нулю. Это же наблюдается и при другом крайнем значении порога =255. В силу неотрицательности величин, входящих в (7.7) и (7.9), и равенства функции нулю на краях области определения, внутри этой области существует максимум, абсцисса которого и принимается за оптимальный порог. Следует отметить качественный характер этих соображений. Более детальные исследования показывают, например, что при обработке некоторых изображений дискриминантная функция имеет несколько максимумов даже при наличии на изображении только двух классов. Это, в частности, проявляется, когда суммарные площади участков, занятых классами и ,существенно различны. Поэтому задача в общем случае несколько усложняется необходимостью определить абсолютный максимум функции .

С вычислительной точки зрения для выполнения алгоритма необходимо найти для всего изображения математическое ожидание и дисперсию . Далее при каждом значении определяются вероятности и с использованием (7.2) и (7.3) (или условия нормировки), а также математические ожидания классов и при помощи соотношений (7.4), (7.5). Найденные таким образом величины дают возможность определить значение .

Объем вычислений можно сократить, если выполнить некоторые преобразования формулы (7.7) для межклассовой дисперсии. Используя формулы (7.2)...(7.5), нетрудно получить соотношение для математических ожиданий:

(7.11)

Выражая из (7.10) величину и подставляя ее в (7.11), окончательно находим:

(7.12)

В соотношение (7.12), используемое в качестве рабочего, входят лишь две величины - вероятность и ненормированное математическое ожидание , что существенно уменьшает объем вычислений при автоматическом отыскании оптимального порога.

На рис. 7.2 приведены результаты эксперимента, иллюстрирующие описанный метод автоматической бинарной сегментации. На рис.7.2, а показан аэрофотоснимок участка земной поверхности "Поле", а на рис.7.2, б – результат его бинарной сегментации, выполненной на основе автоматического определения порога при помощи дискриминантного метода. Гистограмма распределения исходного изображения показана на рис.7.2, в, а дискриминантная функция , вычисленная по полученной гистограмме - на рис. 7.2, г. Сильная изрезанность гистограммы, порождающая большое количество минимумов, исключает возможность непосредственного определения единственного информационного минимума, разделяющего классы друг от друга. Функция же является существенно более гладкой и к тому же в данном случае унимодальной, что делает определение порога весьма простой задачей. Оптимальный порог, при котором получено сегментированное изображение, =100. Результаты показывают, что описанный метод нахождения порога, являясьразвитием гистограммного подхода, обладает сильным сглаживающим действием по отношению к изрезанности самой гистограммы.

Коснемся вопроса о пороговой сегментации нестационарных изображений. Если средняя яркость изменяется внутри кадра, то пороги сегментации должны быть также изменяющимися. Часто в этих случаях прибегают к разбиению кадра на отдельные области, в пределах которых изменениями средней яркости можно пренебречь. Это позволяет применять внутри отдельных областей принципы определения порогов, пригодные для работы со стационарными изображениями. На обработанном изображении наблюдаются в этом случае области, на которые разбито исходное изображение, отчетливо видны границы между областями. Это – существенный недостаток метода.

Более трудоемка, но и более эффективна процедура, использующая скользящее окно, при которой каждое новое положение рабочей области отличается от предыдущего только на один шаг по строке или по столбцу. Находимый на каждом шаге оптимальный порог относят к центральной точке текущей области. Таким образом, при этом методе порог изменяется в каждой точке кадра, причем эти изменения имеют характер, сопоставимый с характером нестационарности самого изображения. Процедура обработки, конечно, существенно усложняется.

Компромиссной является процедура, при которой вместо скользящего окна с единичным шагом применяют "прыгающее" окно, перемещающееся на каждом этапе обработки на несколько шагов. В "пропущенных" точках кадра порог может определяться с помощью интерполяции (часто применяют простейшую линейную интерполяцию) по его найденным значениям в ближайших точках.

Рис.7.2.Пример бинарной сегментации с автоматическим определением порога

Оценивая результативность пороговой сегментации по рис. 7.2, б, следует отметить, что данный метод дает возможность получить определенное представление о характере однородных областей, образующих наблюдаемый кадр. Вместе с темочевидно его принципиальное несовершенство, вызванное одноточечным характером принимаемых решений. Поэтому в последующих разделах обратимся к статистическим методам, позволяющим учитывать при сегментации геометрические свойства областей – размеры, конфигурацию и т.п. Отметим сразу же, что соответствующие геометрические характеристики задаются при этом своими вероятностными моделями и чаще всего в неявном виде.

Одной из основных задач обработки и анализа изображений является сегментация, т.е. разделение изображения на области, для которых выполняется определенный критерий однородности, например, выделение на изображении областей приблизительно одинаковой яркости. Понятие области изображения используется для определения связной группы элементов изображения, имеющих определенный общий признак (свойство).
Один из основных и простых способов - это построение сегментации с помощью порога. Порог - это признак (свойство), которое помогает разделить искомый сигнал на классы. Операция порогового разделения заключается в сопоставлении значения яркости каждого пикселя изображения с заданным значением порога.

Бинаризация

Операция порогового разделения, которая в результате дает бинарное изображение, называется бинаризацией. Целью операции бинаризации является радикальное уменьшение количества информации, содержащейся на изображении. В процессе бинаризации исходное полутоновое изображение, имеющее некое количество уровней яркости, преобразуется в черно-белое изображение, пиксели которого имеют только два значения – 0 и 1

Пороговая обработка изображения может проводиться разными способами.

Бинаризация с нижним порогом

Бинаризация с нижним порогом
Бинаризация с нижним порогом является наиболее простой операцией, в которой используется только одно значение порога:

Все значения вместо критерия становятся 1, в данном случае 255 (белый) и все значения(амплитуды) пикселей, которые больше порога t - 0 (черный).

Бинаризации с верхним порогом
Иногда можно использовать вариант первого метода, который дает негатив изображения, полученного в процессе бинаризации. Операция бинаризации с верхним порогом:

Бинаризация с двойным ограничением
Для выделения областей, в которых значения яркости пикселей может меняться в известном диапазоне, вводится бинаризация с двойным ограничением (t 1
Так же возможны другие вариации с порогами, где пропускается только часть данных (средне полосовой фильтр).

Неполная пороговая обработка
Данное преобразование дает изображение, которое может быть проще для дальнейшего анализа, поскольку оно становится лишенным фона со всеми деталями, присутствующими на исходном изображении.

Многоуровневое пороговое преобразование
Данная операция формирует изображение, не являющееся бинарным, но состоящее из сегментов с различной яркостью.

Что касается бинаризации, то по сути все. Хотя можно добавить, что есть глобальная, которая используется для всего изображения и так же существует локальная, которая захватывает часть картинки (изображения).

Локальная пороговая обработка

Метод Отса
Метод использует гистограмму распределения значений яркости пикселей растрового изображения. Строится гистограмма по значениям p i =n i /N, где N – это общее кол-во пикселей на изображении, n i – это кол-во пикселей с уровнем яркости i. Диапазон яркостей делится на два класса с помощью порогового значения уровня яркости k,k - целое значение от 0 до L. Каждому классу соответствуют относительные частоты ω 0 ω 1:

Средние уровни для каждого из двух классов изображения:
Далее вычисляется максимальное значение оценки качества разделения изображения на две части:
где (σ кл)2=ω 0 ω 1 (μ 1 -μ 0) 2 , – межклассовая дисперсия, а (σ общ) 2 – это общая дисперсия для всего изображения целиком.

Определение порога на основе градиента яркости изображения
Предположим, что анализируемое изображение можно разделить на два класса – объекты и фон. Алгоритм вычисления порогового значения состоит из следующих 2 шагов:
1. Определяется модуль градиента яркости для каждого пикселя
изображения

2. Вычисление порога:

Итого

Что нашел с радостью выложил вам, в дальнейшем, если получится и будет время, постараюсь реализовать часть алгоритмов. Это лишь малая часть всего, что сегодня существует, но я рад поделится и этим.
Спасибо за внимание.

Пороговая обработка является одним из основных методов сегментации изображений, благодаря интуитивно понятным свойствам. Этот метод ориентирован на обработку изображений, отдельные однородные области которых отличаются средней яркостью. Самым распространенным методом сегментации путем пороговой обработки является бинарная сегментация, то есть когда в нашем распоряжении имеется два типа однородных участков.

В этом случае изображение обрабатывается по пикселям и преобразование каждого пикселя входного изображения в выходное определяется из соотношения:

где - параметр обработки, называемый порогом, и - уровни выходной яркости. Обработка по пикселям, положение которых на изображении не играет никакой роли, называется точечной . Уровни и играют роль меток. По ним определяют, к какому типу отнести данную точку: к H0 или к H1. Или говорят, что H0 состоит из фоновых точек, а H1 из точек интереса . Как правило, уровни и соответствуют уровням белого и черного. Будем называть классы H1 (он же класс интереса) классом объекта, а класс H0 классом фона.

Естественно сегментация может быть не только бинарной и в таком случае существующих классов больше, чем два. Такой вид сегментации называется многоуровневым. Результирующее изображение не является бинарным, но оно состоит из сегментов различной яркости. Формально данную операцию можно записать следующим образом:

где - количество уровней, а - классы изображения. В таком случае для каждого из классов должен быть задан соответствующий порог, который бы отделял эти классы между собой. Бинарные изображения легче хранить и обрабатывать, чем изображения, в которых имеется много уровней яркости .

Самым сложным в пороговой обработке является сам процесс определения порога. Порог часто записывают как функцию, имеющую вид:

где - изображение, а - некоторая характеристика точки изображения, например, средняя яркость в окрестности с центром в этой точке.

Если значение порога зависит только от, то есть одинаково для всех точек изображения, то такой порог называют глобальным. Если порог зависит от пространственных координат, то такой порог называется локальным. Если зависит от характеристики, то тогда такой порог называется адаптивным. Таким образом, обработка считается глобальной, если она относится ко всему изображению в целом, а локальной, если она относится к некоторой выделенной области.

Помимо перечисленных разграничений алгоритмов существует еще множество методов. Многие из них являются просто совокупностью других, но большинство из них, так или иначе, базируются на анализе гистограммы исходного изображения, однако есть и принципиально другие подходы, которые не затрагивают анализ гистограмм в прямом виде или переходят от них к анализу некоторых других функций.