Slide xử lý ảnh chương phân tích ảnh đại học bách khoa hà nội

Xử lý ảnh số Phân tích ảnh Phân vùng ảnh ( Segmentation ) Chương trình dành cho kỹ sư CNTT Nguyễn Linh Giang CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh • • • • • • Khái niệm vùng ảnh phân vùng ảnh; Phân vùng ảnh dựa ngưỡng; Phân vùng ảnh dựa đường biên; Phân vùng ảnh dựa miền; Đối sánh; Các hướng tiếp cận tiên tiến CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Vùng ảnh phân vùng ảnh • Bài toán phân vùng ảnh: – Phân tách ảnh thành tập hợp điểm không giao ( phân hoạch ) – Mục đích: phục vụ tốn nhận dạng ảnh, hiểu ảnh toán liên quan tới xử lý vùng; – Phân vùng ảnh toán xác định yếu ( illdefined ): • Việc xác định vùng ảnh phụ thuộc vào ngữ cảnh CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Vùng ảnh phân vùng ảnh • Khái niệm vùng ảnh: – Xác định toán tử P phép toán xác định vùng ảnh Điểm ảnh x coi nằm vùng ảnh xác định qua toán tử P: P(x) = true điểm ảnh x thỏa mãn tính chất xác định – Ví dụ tốn tử vùng: • Các giá trị mức xám khoảng ( ngưỡng ) • Gradient giá trị mức xám khoảng ( biên ) • Phân bố thống kê ( kết cấu bề mặt ) – Sau áp dụng toán tử xác định vùng, ảnh trở thành ảnh nhị phân Sử dụng định nghĩa tính liên thơng, ta xác định vùng ảnh CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Vùng ảnh phân vùng ảnh • Các phương pháp phân vùng ảnh – Phân vùng dựa đường biên: • Xác định đường ranh giới vùng lân cận; – Phân vùng dựa ngưỡng: • Tìm vùng ảnh cách nhóm điểm có giá trị mức xám tương tự nhau; – Phân vùng ảnh dựa miền: • Xác định trực tiếp vùng ảnh dựa việc gia tăng phân chia vùng; – Phân vùng dựa chuyển động: • Xác định vùng dựa việc so sánh khung video liên tiếp chuỗi video để xác định vùng tương ứng với đối tượng chuyển động; CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Vùng ảnh phân vùng ảnh CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Vùng ảnh phân vùng ảnh • Biểu diễn vùng ảnh: – Biểu diễn mã loạt dài ( run-length code ) • Vùng ảnh nhị phân chuỗi giá trị 1; – Biểu diễn miền tứ phân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa ngưỡng • Cơ sở phương pháp – Khi đối tượng nhóm lại vùng – Lựa chọn ngưỡng T để phân tách vùng: – Điểm ảnh p(x, y): • Nếu: F(x, y) > T => p(x, y) thuộc đối tượng; • Nếu: F(x, y) < T => p(x, y) thuộc – Mở rộng: lấy đa ngưỡng: • Khi có nhiều vùng ảnh phân tách, lấy nhiều ngưỡng T1, T2, T3, CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa ngưỡng – Lấy ngưỡng coi toán xác định hàm T: T = T[ x, y, p(x, y), f( x, y )] • f(x, y ): biểu diễn mức xámcủa điểm (x, y); • p(x, y): hàm mơ tả thuộc tính cục điểm ảnh; – Ví dụ: p(x, y) mức xám trung bình lân cận điểm (x, y); – Ảnh sau lấy ngưỡng là: ⎧1, if f ( x, y ) > T g ( x, y ) = ⎨ ⎩ 0, if f ( x, y ) < T – Nếu: • Ngưỡng T phụ thuộc f(x,y): ngưỡng tồn cục; • Ngưỡng T phụ thuộc vào f(x, y) p(x, y): ngưỡng cục bộ; • Ngưỡng T phụ thuộc vào tọa độ x, y: ngưỡng động CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa ngưỡng – Kết phương pháp: n R = U Ri , i =1 Ri ∩ R j = ∅ , i ≠ j – Ví dụ lấy ngưỡng tồn cục: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa ngưỡng • Ví dụ trường hợp phân bố Gauss: ⎛ ⎞ ( ) − − µ z – Cho i ⎜ ⎟ pi ( z ) = exp⎜ 2π σ ⎝ 2σ i2 ⎟ ⎠ – Xác định ngưỡng T, giải phương trình: P1 p1(T) = P2 p2(T) – Lấy logarithm hai vế ta đưa phương trình: AT2 + BT + C = 2 ( B = µ σ − µ σ A = σ −σ 2 ) ⎛ σ P1 ⎞ 2 2 2 ⎟⎟ C = σ µ2 − σ µ1 + 2σ σ ln⎜⎜ ⎝ σ 1P2 ⎠ 2 If σ = σ = σ , then T = CuuDuongThanCong.com µ1 + µ2 ⎛ P2 ⎞ σ2 + ⋅ ln⎜⎜ ⎟⎟ µ1 − µ2 ⎝ P1 ⎠ https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa ngưỡng • Phương pháp sử dụng phân nhóm: – Mỗi điểm tương ứng với vector đặc trưng: s = [s1, s2, , sn] – Các đặc trưng có: • Các giá trị đa phổ; • Giá trị thành phần màu sắc; • Các độ đo lân cận điểm trung bình cửa sổ chạy; • Độ lệch tiêu chuẩn – Phân nhóm điểm với đặc trưng gần giống vào phân nhóm CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa ngưỡng – Bài toán phân nhóm: • Cho tập vector: {sk; ≤ k ≤ K}, • Xác định M phân nhóm với tâm {w(i); ≤ i ≤ c}, cho vector sk đưa vào phân nhóm thỏa mãn điều kiện tối thiểu hóa sai số khoảng cách: D= K c K ∑∑ I ( x , i )d ( x ,W (i )) i =1 k =1 k k – Trong • I(sk,i) = sk gán vào phân nhóm i với trọng tâm w(i); • I(sk,i) = trường hợp khác CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa ngưỡng – Các thuật tốn phân nhóm: K-means, ISODATA – Thuật tốn K-means: • Số phân lớp – K, số điểm: n; • B1: Lựa chọn K tâm phân nhóm; • B2: Phân loại n điểm vào K phân lớp theo tiêu chuẩn khoảng cách gần nhất; • B3: Tính lại tâm phân nhóm theo luật trung bình; Quay lại bước phân loại • • Lần phân loại thứ i+1: tâm phân nhóm lần thứ i+1 không dịch chuyển so với lần thứ i: dừng thuật toán CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa ngưỡng – Thuật tốn ISODATA: • Cải tiến so với K-means: – – – – Thay đổi số phân nhóm cách tự động: Nếu phân nhóm q tản mạn tách làm 2; Nếu hai phân nhóm gần nhập làm Bổ sung thêm: » Tính khoảng cách trung bình phần tử phân nhóm Ci với tâm zi; » Tính khoảng cách trung bình tất phần tử phân nhóm đến tâm; » Tính độ lệch tiêu chuẩn trung bình phần tử phân nhóm với tâm theo chiều – Các giá trị phục vụ trình phân tách kết hợp phân nhóm CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa miền ảnh • Các phương pháp dựa vùng thích hợp trường hợp ảnh có nhiễu xác định đường biên vùng phức tạp • Tiêu chuẩn xác định tính đồng vùng đóng vai trị quan trọng phương pháp dựa miền; • Một số tiêu chuẩn tính đồng nhất: – – – – – Theo giá trị mức xám; Theo màu sắc, kết cấu bề mặt;color, texture Theo hình dạng; Theo mơ hình; Các phương pháp khác CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa miền ảnh • Vị từ xác định vùng ảnh: – Xác định vùng trực tiếp – Quá trình phân vùng chia ảnh thành miền {Ri} thỏa mãn: n R = U Ri , i =1 Ri ∩ R j = ∅ , i ≠ j – Các vùng ảnh xác định theo vị từ P cho: • P(Ri) = TRUE tất điểm vùng thỏa mãn thuộc tính xác định; • P(Ri ∩Rj) = FALSE i ≠j CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa miền ảnh • Các phương pháp: – Phương pháp gia tăng vùng ( Region-Growing ) • Q trình điểm hạt giống • Q trình gia tăng thực bao quanh điểm hạt giống cách gắn điểm lân cận có tính chất với vùng ảnh – Phân chia kết hợp vùng • • • • • Áp dụng vị từ xác định vùng cho vùng con; Nếu vị từ cho giá trị TRUE, dừng trình phân chia; Nếu vị từ cho giá trị FALSE, phân chia vùng; Cây tứ phân phương pháp chí vùng; Những vùng có tính chất ( xác định theo vị từ P ) hợp lại CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa miền ảnh • Phương pháp kết hợp vùng – Thuật toán sở: • Xác định phương pháp phân chia ảnh thành vùng nhỏ thỏa mãn điều kiện P(Ri) = TRUE ; • Xác định tiêu chuẩn hợp hai miền liền kề; • Kết hợp miền liền kề thỏa mãn điều kiện hợp Nếu khơng có hai miền hợp mà không phá vỡ điều kiện vùng, dùng thuật toán – Các phương pháp hợp vùng ảnh khác trình xác định vùng ban đầu tiêu chuẩn hợp; – Kết hợp vùng phụ thuộc vào trình tự hợp vùng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa miền ảnh – Phương pháp đơn giản bắt đầu cách sử dungnj vùng ảnh kích thước 2x2, 4x4 8x8 điểm; – Các vùng mơ tả thuộc tính thống kê mức xám; – Các biểu diễn vùng so sánh với điều kiện liền kề • Nếu điều kiện liền kề thỏa mãn, vùng kết hợp lại thành vùng lớn thuộc tính vùng xác định; • Nếu điều kiện khơng thỏa mãn, vùng đánh dấu không tương hợp; – Quá trình hợp vùng liền kề thực tất lân cận, kể vunngf lân cận tạo ra; – Nếu vùng hợp với vùng lân cận nào, vùng đánh dấu kết thúc trình hợp vùng dừng lại tất vùng đánh dấu kết thúc CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa miền ảnh – Cấu trúc lưới chứa thơng tin phục vụ q trình hợp vùng 4-liên thông sử dụng giá trị biên – Một số heuristic: • Hai vùng liền kề kết hợp lại phần lớn biên chung chứa điểm biên yếu; • Hai vùng liền kề kết hợp lại phần lớn biên chung chứa điểm biên yếu trường hợp khơng tính đến độ dài tổng cộng đường biên vùng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa miền ảnh – Tính quan trọng biên tính theo hệ thức: ⎧ 0, if si, j < T1 vij = ⎨ ⎩1, if si, j > T1 Trong vij = có nghĩa điểm biên quan trọng vij = biên yếu T1 ngưỡng cho trước sij giá trị biên sij = |f(xi) - f(xj)| CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa miền ảnh – Thuật toán kết hợp vùng qua đường biên: • Xác định vùng với mức xám không đổi Xây dựng cấu trúc lưới chứa thơng tin giá trị biên; • Loại bỏ điểm biên có giá trị biên nhỏ ngưỡng; • Loại bỏ biên chung hai miền liền kề Ri, Rj đệ quy W ≥ T2 min(li , l j ) Trong W số lượng điểm biên yếu đường biên chung, li lj độ dài chu vi vùng Ri, Rj, T2 ngưỡng; • Loại bỏ biên chung hai miền liền kề Ri, Rj đệ quy W ≥ T3 l W >= T3 l độ dài đường biên chung T3 ngưỡng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa miền ảnh • Phân chia vùng ảnh – Phân chia vùng toán ngược với hợp vùng; – Q trình phân chia tồn ảnh vùng lớn không thỏa mãn điều kiện đồng nhất; – Các vùng ảnh phân chia để thỏa mãn điều kiện đồng nhất; – Q trình phân chia vùng khơng cho kết chí sử dụng tuêi chí đồng nhất; – Bài tốn phân chia vùng sử dụng tiêu chuẩn đồng phương pháp hợp vùng Điểm khác biệt: hướng ứng dụng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa miền ảnh • Phương pháp kết hợp: phân chia hợp vùng: – Xác định vùng khởi tạo, điều kiện đồng nhất, cấu trúc tứ diện; – Nếu vùng R cấu trúc tứ diện không đồng ( H(R)=FALSE ), chia vùng thành vùng con; Nếu vunngf có cha kêt hợp kết hợp thành một; – Nếu hai vùng liền kề không cha thỏa mãn điều kiện đồng nhất, hợp hai vùng lại CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... Vùng ảnh phân vùng ảnh • Bài tốn phân vùng ảnh: – Phân tách ảnh thành tập hợp điểm không giao ( phân hoạch ) – Mục đích: phục vụ toán nhận dạng ảnh, hiểu ảnh toán liên quan tới xử lý vùng; – Phân. . .Phân vùng ảnh • • • • • • Khái niệm vùng ảnh phân vùng ảnh; Phân vùng ảnh dựa ngưỡng; Phân vùng ảnh dựa đường biên; Phân vùng ảnh dựa miền; Đối sánh; Các hướng... https://fb.com/tailieudientucntt Phân vùng ảnh dựa miền ảnh • Phân chia vùng ảnh – Phân chia vùng toán ngược với hợp vùng; – Quá trình phân chia tồn ảnh vùng lớn khơng thỏa mãn điều kiện đồng nhất; – Các vùng ảnh phân chia