«Обработка изображений и распознавание образов» Визильтер Юрий Валентинович Методическое пособие-2010

1.1. ЗАДАЧИ И ПРИЛОЖЕНИЯ МАШИННОГО ЗРЕНИЯ. ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ. 6

ЦИФРОВОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ. ЯРКОСТЬ И ГЕОМЕТРИЯ. ВИДЫ ИЗОБРАЖЕНИЙ. ФОРМАТЫ ИЗОБРАЖЕНИЙ. ПЕРВИЧНЫЕ СРЕДСТВА АНАЛИЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ. 6

ИЗОБРАЖЕНИЯ РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ. ИК-ДАТЧИКИ. РАДАРЫ. ЛАЗЕРНЫЕ ЛОКАТОРЫ. РЕНТГЕНОВСКИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ТОМОГРАФИЧЕСКИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ. 6

ЗНАКОМСТВО С СИСТЕМОЙ PISOFT. 6

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ РЕАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ. CCD МАТРИЦЫ. СКАННЕРЫ. ГЕОМЕТРИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ЦИФРОВЫЕ И АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАЗРЕШЕНИЕ. ТИПОВЫЕ ВИДЫ ПОМЕХ И ИСКАЖЕНИЙ НА ИЗОБРАЖЕНИЯХ РАЗЛИЧНОГО ТИПА. 6

ЦВЕТНЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ЦВЕТОВОЕ ПРОСТРАНСТВО И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА ЧЕЛОВЕКОМ. РАЗЛИЧНЫЕ ЦВЕТОВЫЕ ПРОСТРАНСТВА. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЦВЕТОВЫХ ПРОСТРАНСТВ. 6

Обработка и анализ изображений в задачах машинного зрения 6

Уровни и методы машинного зрения 8

Растровое изображение 9

Изображение как двумерный массив данных 9

Алгебраические операции над изображениями 10

Физическая природа изображений 11

Изображения различных диапазонов длин волн 11

Изображения различной физической природы 13

Тип пикселя 14

Возможности и особенности системы Pisoft 16

Базовые средства просмотра и анализа изображений и видеопоследовательностей 23

Алгебра изображений 30

Геометрические преобразования изображений 31

Устройства оцифровки и ввода изображений 33

Линейки и матрицы, сканеры и камеры 33

Геометрия изображения 34

Цифровые и аналоговые устройства 35

Пространственное разрешение 36

Программное обеспечение 37

Обработка цветных изображений 37

Цветовая модель RGB 37

Цветовая модель HSV 38

Цветовая модель YUV 39

Цветовая сегментация изображения 40

1.2. Гистограмма и гистограммная обработка. Бинаризация и сегментация. Нормализация, Эквализация. Гистограммная сегментация. Бинаризация. Метод Отсу. Профили и проекции 43

БИНАРНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ. ЗАДАЧА ВЫДЕЛЕНИЯ СВЯЗНЫХ ОБЛАСТЕЙ. МЕТОД "ЛЕСНОГО ПОЖАРА". ДВУХПРОХОДНЫЙ АЛГОРИТМ ВЫДЕЛЕНИЯ СВЯЗНЫХ ОБЛАСТЕЙ. АЛГОРИТМ ОБХОДА КОНТУРА. 43

Гистограмма и гистограммная обработка изображений 44

Профиль вдоль линии и анализ профиля 48

Проекция и анализ проекции 49

Бинаризация полутоновых изображений 50

Сегментация многомодальных изображений 51

Выделение и описание областей 52

Выделение связных областей на бинарных изображениях 52

1.3. Фильтрация. Выделение объектов при помощи фильтров 59

ФИЛЬТРАЦИЯ БИНАРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ. МОДЕЛЬ ШУМА "СОЛЬ И ПЕРЕЦ". ЛОГИЧЕСКАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ. РАНГОВАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ. БИНАРНАЯ МЕДИАНА. СТРУКТУРНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ. РАСШИРЕНИЕ И СЖАТИЕ БИНАРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ. ВЫДЕЛЕНИЕ МЕЛКОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ. ПЕЛЕНГ. ПЕЛЕНГ С ОКАЙМЛЕНИЕМ. РЕКУРРЕНТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ БИНАРНЫХ ФИЛЬТРОВ. 59

НЕЛИНЕЙНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ПОЛУТОНОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ. ОБОБЩЕНИЕ МЕТОДОВ БИНАРНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ. ПОРЯДКОВЫЕ СТАТИСТИКИ. РАНГОВАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ. "БЫСТРЫЕ" АЛГОРИТМЫ РАНГОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ. СИГМА-ФИЛЬТР. ФИЛЬТРЫ, СОХРАНЯЮЩИЕ КРАЯ. НОРМАЛИЗАЦИЯ ФОНА. 59

Задача фильтрации изображений 59

Зашумление изображения. Модели шумов 59

Оконная фильтрация изображений в пространственной области 61

Фильтрация бинарных изображений 62

Модель шума «соль и перец» 62

Структура оконного фильтра 64

Логическая фильтрация помех 64

Бинарная медианная фильтрация 65

Бинарная ранговая фильтрация 67

Взвешенные ранговые фильтры 68

Анизотропная фильтрация 69

Расширение-сжатие (простая морфология) 69

Стирание бахромы 71

Нелинейная фильтрация полутоновых изображений 72

Ранговая оконная фильтрация 72

Минимаксная фильтрация 75

Задача выделения объектов интереса 75

Бинарные фильтры для выделения объектов 76

Метод нормализации фона 78

1.4. Линейная фильтрация изображений. МОДЕЛЬ АДДИТИВНОГО ГАУССОВСКОГО ШУМА. Линейная фильтрация в пространственной области. СКОЛЬЗЯЩЕЕ СРЕДНЕЕ В ОКНЕ. "БЫСТРЫЙ" АЛГОРИТМ ВЫЧИСЛЕНИЯ СКОЛЬЗЯЩЕГО СРЕДНЕГО. ГАУССОВСКОЕ СГЛАЖИВАНИЕ. СВЕРТКА С ПРОИЗВОЛЬНОЙ МАСКОЙ. Преобразование Фурье. Линейная фильтрация в частотной области 82

Линейная фильтрация изображений. Линейная фильтрация в пространственной области 82

Скользящее среднее в окне 82

Гауссовская фильтрация 84

Преобразование Фурье. Линейная фильтрация в частотной области 85

Преобразование Фурье 85

Комплексное представление преобразования Фурье 86

Быстрое преобразование Фурье 87

Двумерное преобразование Фурье 87

Свертка с использованием преобразования Фурье 88

Фильтрация изображений в частотной области 88

Вейвлет-анализ 93

Пирамида изображений 93

Вейвлет-преобразование 94

1.5. ВЫДЕЛЕНИЕ КОНТУРНЫХ ТОЧЕК (КОНТУРОВ) НА ПОЛУТОНОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЯХ. ЭВРИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ КОНТУРОВ. МЕТОДЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ВЫЧИСЛЕНИИ ПРОИЗВОДНЫХ. КУСОЧНО-ПОСТОЯННАЯ И КУСОЧНО-ЛИНЕЙНАЯ МОДЕЛЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ. ДВА ТИПА "КРАЕВ". ОПЕРАТОРЫ РОБЕРТСА, СОБЕЛА, ПРЕВИТТА, ЛАПЛАСА. ОПЕРАТОР МАРРА. ОБЩИЙ ПОДХОД К ЗАДАЧЕ ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЯ ЦИФРОВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ. РЕГУЛЯРИЗАЦИЯ. ОПТИМАЛЬНЫЕ ОПЕРАТОРЫ ВЫДЕЛЕНИЯ КОНТУРОВ. 97

СЕГМЕНТАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ. ВЫДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ. КРИТЕРИИ ОДНОРОДНОСТИ. ГИСТОГРАММНАЯ СЕГМЕНТАЦИЯ. СЕГМЕНТАЦИЯ ПО ЦВЕТУ. МЕТОДЫ СЛИЯНИЯ/РАЗБИЕНИЯ. 97

Задача выделения контурных точек 97

Операторы вычисления производных 97

Операторы вычисления векторов градиентов 98

Операторы Марра и Лапласа 99

Постобработка контурного изображения 101

Локализация края 101

Утончение контура 102

Сегментация полутоновых изображений 103

Пороговая и мультипороговая сегментация 103

Методы слияния, разбиения и слияния/разбиения областей 104

Способы описания выделенных областей 106

1.6. Морфологические методы анализа сцен (по Ю.П. Пытьеву) 111

Методы обнаружения объектов, заданных эталонами 111

Согласованная фильтрация. 111

Корреляционное обнаружение. 111

Морфологический подход Ю.П. Пытьева. 112

Форма изображения как инвариант преобразований изображений, отвечающих вариациям условий регистрации 117

Сравнение изображений по форме 118

Выделение отличий изображений по форме 120

Обнаружение объекта по его изображению и оценка его координат 120

*Морфология на базе кусочно-линейной интерполяции 121

1.7. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ХАФА. НОРМАЛЬНАЯ ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ПРЯМЫХ. МЕТОД ГОЛОСОВАНИЯ ТОЧЕК. СВЯЗЬ С МЕТОДОМ. Г.М.Т. СВЯЗЬ С СОГЛАСОВАННОЙ КОНТУРНОЙ ФИЛЬТРАЦИЕЙ. ВЫДЕЛЕНИЕ ДРУГИХ АНАЛИТИЧЕСКИХ ФИГУР. ВЫДЕЛЕНИЕ ОКРУЖНОСТЕЙ. ОБОБЩЕННОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ХАФА (GHT). 126

Преобразование Хафа для поиска прямых 128

*Различные способы параметризации прямых 129

Преобразование Хафа для поиска окружностей 131

Анализ аккумулятора при поиске геометрических примитивов 132

Обобщенное преобразование Хафа 133

*Специализированная процедура голосования для поиска эллипсов 134

*Рекуррентное преобразование Хафа в скользящем окне 135

1.8. Математическая морфология (по Ж. Серра) 138

Морфологические операции на бинарных изображениях 138

Морфологические операции на полутоновых изображениях 142

Морфологическое выделение «черт» и объектов 143

Морфологический спектр 144

Морфологические скелеты. Непрерывная бинарная морфология 148

Непрерывная бинарная морфология 148

Непрерывное гранично-скелетное представление изображения 149

Обработка и использование скелета 150

*Обобщенные скелетные представления бинарных фигур 152

Алгоритмы утончения дискретного бинарного изображения 152

*Регуляризация скелетов 154

Типы нерегулярностей скелета 155

Устранение нерегулярностей 156

Регуляризация скелета по Тихонову 158

*Селективные морфологии 159

1.9. АНАЛИЗ ДВИЖЕНИЯ. ВЫДЕЛЕНИЕ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ. РАЗНОСТЬ КАДРОВ. ВЫЧИТАНИЕ ФОНА. АНАЛИЗ ОПТИЧЕСКИХ ПОТОКОВ. СЛЕЖЕНИЕ ЗА ДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ. КОРРЕЛЯЦИОННОЕ СЛЕЖЕНИЕ. 164

СЖАТИЕ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ. СЖАТИЕ БЕЗ ПОТЕРЬ. СЖАТИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ВИДЕОПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ. СОВРЕМЕННЫЕ ФОРМАТЫ ХРАНЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ И ВИДЕОПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ. СТАНДАРТ MPEG4. 164