5 目标表达和描述

©2010董吉文制作版权所有目标表达和描述(图像分析)图像处理从输入输出的角度可以分为两个分支，一个分支的特点是：输入是图像，输出是一幅近似于输入的图像，例如图像增强、图像分割和图像编码等；另一个分支在处理过程中输入仍然是图像，但输出是已知的某图像的描述或某景物的描述。这种处理就称为图像分析。图像分析一般在图像分割的基础上进行，即首先通过图像分割把图像空间分成一些有意义的区域，然后采用不同于原始图像的适当形式将目标表示出来，并对目标特征进行描绘。图像分割的结果要么是区域内的像素的集合，要么是位于区域边界上的像素的集合，所以对图像中目标的表达方法分为区域表达和边界表达，对目标的描述一般也分为对边界的描述和对区域的描述。对图像中目标的表达方法应尽量节省内存空间且易于特征计算，而对目标的描述应该在尽可能区别不同目标的基础上对目标的尺度、平移、旋转等不敏感。©2010董吉文制作版权所有1.边界表达：在分割过程中当确定了边界后，边界表达就是基于边界的像素点对目标的表示形式。(1)链码：对边界的一种表示方法。链码是一种用若干条具有特定长度和方向的线段连接起来表示目标边界的方法。01234567例如:选边界上一点(用坐标表示)作为起点，其它点用方向数来表示：AA:657071324301238-方向链码4-方向链码用一系列具有特定长度和方向相连的直线段来表示目标的边界每个线段的长度固定而方向数目是有限的只有起点需要用坐标表示其它点只需要用方向数表示偏移量所需数据量少©2010董吉文制作版权所有(2)多边形逼近——抗干扰，且数据量小基于收缩的最小周长多边形边界经常由于噪声、采样等的影响而产生许多较小的不规则处，它们对链码会产生明显的干扰，用多边形逼近的方法来表示边界，可以使抗干扰性能更好，更节省空间。将原边界看成有弹性的线，将组成边界的像素序列的内外边各看成一堵墙。将边界线拉紧，则得到能够表示边界的最小周长多边形。©2010董吉文制作版权所有基于聚合的最小均方误差线段逼近abjihcgdfe这种方法是通过沿边界依次连接像素来实现的，具体如下：•选一个边界点作为起点，如图中a；•用直线段依次连接该点与相邻的边界点，如图中ab,ac,ad,ae等；•每次连接后，计算各直线与边界的拟合误差；•若误差小于规定的限度，则继续作连接工作，若当前误差超过规定的限度，则把超过前的线段作为多边形的一条边；•以线段另一个端点为起点继续连接边界点；•绕边界一周后结束.从而得到一个边界的多边形．©2010董吉文制作版权所有基于分裂的最小均方误差线段逼近abjihcgdfe2.区域表达：(1)空间占有数组：方便、简单、直观0000000000010000001110000011111000111110000011000000000000000000•先连接边界上相距最远的两个像素点；•然后根据一定准则（如，边界点与当前多边形的最大距离），进一步分解边界，直到拟合误差满足规定的限度。对任一点(x,y),若在区域内取f(x,y)为１，否则取０可用于三维图像的表示占空间大©2010董吉文制作版权所有(2)四叉树：适用于对方形图像采用分裂聚合方法进行分割的情况E原始图像ABCD一次分裂E白色表示目标结点黑色表示背景结点灰色表示混合结点ABCDAC二次分裂B1B2B3B4D1D2D3D4B1B2B3B4D1D2D3D4先根据分裂原则，分裂成任意大小，互不重叠的区域进行相同特征的区域合并根结点对应整个图像叶结点对应具有相同特征的像素组成的方阵©2010董吉文制作版权所有3.边界描述：对目标边界的一些特征进行描述(1)简单边界描述符：边界的长度：边界所包围区域的轮廓的周长。边界的直径：边界上相隔最远的两个点之间的距离。任意两点p、q（坐标分别为(x,y)和(s,t)）之间的距离可以采用不同的度量方法：22)()(),(tysxqpDEtysxqpD),(4),max(),(8tysxqpD曲率：边界上的点对应斜率的改变率，它反映了边界上的点沿边界方向的变化情况。欧氏距离城区距离棋盘距离©2010董吉文制作版权所有(2)形状数：一种基于链码的边界形状描述符对同一边界，如果用不同的边界点作为链码起点，如下：AB以A为起点，4-方向链码为：A:10103322以B为起点，4-方向链码为：B:03322101起点归一化：把链码看成由方向数构成的自然数，找最小的一个.CC:01033221一阶差分：链码中相邻两个方向数(反方向)相减（模为4）。AA旋转后链码发生变化1010332233133030(2)2121003333133030(3)可见，差分码在旋转后不变链码起点不同，这些一阶差分也不同,其中值最小的差分码即为形状数。03033133一种有用的形状度量方法32210103可见，得到的链码是不同的！©2010董吉文制作版权所有(３)矩：目标的边界可看成一系列曲线段组成：任意一个曲线段都可看成一个一维函数f(r)：f(r)0rf(r)的均值：)(iirfrmf(r)对均值的n阶矩为：)()()(ininrfmrrf(r)对均值的n阶矩与f(r)的形状有直接关系，如2阶矩描述了曲线对均值的分布，３阶矩描述了曲线对均值的对称性。©2010董吉文制作版权所有4.区域描述：(1)简单区域描述符：区域面积：说明区域的大小，设每个像素边长为1，则区域R的面积为：RyxA),(1即区域内像素个数区域重心：RyxxAx),(1RyxyAy),(1区域灰度：常用灰度的最大值、最小值、均值、中值等表示区域目标的特性.©2010董吉文制作版权所有(2)拓扑描述符：它们是一个不受变形影响的性质，例如：区域内孔数H区域内连通组元的个数C欧拉数E=C-HBirdH=2C=1E=-1H=0C=2E=2H=0C=1E=1H=1C=1E=0(3)形状描述符：形状参数：ABF42为边界周长BA为区域面积偏心率(伸长度)：常用边界长轴(直径)长度与短轴长度的比值来表示。圆形性：RRC任意两点可用完全在组元内的曲线相连接区域为圆形时F=?从区域重心到边界点的平均距离从区域重心到边界点的距离的均方差©2010董吉文制作版权所有(4)纹理描述符：纹理：由许多相互接近的、相互编织的基本元素(基元)构成，它们一般具有周期性，提供了区域的平滑、稀疏、规则性等特性。霍金斯认为纹理可由以下要素作为标志：•局部的序列性：该序列在更大的区域内不断重复；•序列是由基本部分非随机排列组成；•各大部分大致都是均匀的统一体,纹理区域内大致都有相同的尺寸结构；例如：沙漠、砖墙、森林、草地等。©2010董吉文制作版权所有©2010董吉文制作版权所有纹理描述：就是对纹理图像中区域的平滑、稀疏和规则性等特性进行描述。统计法：借助灰度直方图的矩来描述：计算各阶矩，１阶矩用于描述直方图的相对平滑程度；２阶矩表示了直方图的偏斜程度；４阶矩表示直方图的平坦性，都能从某个方面描述文理的情况。也可借助位置算子求共生矩阵(联合概率矩阵)，它考虑了像素相对位置的空间信息。©2010董吉文制作版权所有结构法：定义一些排列基元的规则，从而使某些纹理基元按照规定的方式组成所需纹理模式。举例：假设从图像分割中得到一个阶梯状结构；定义两个基本元素a和b；ab将阶梯状结构用这两个基本元素表示；建立一种描述语法，表达这个阶梯状结构：(1)SaA(2)AbS(3)Ab它所定义的符号串为：ababab…或(ab)n它能表示的结构有：©2010董吉文制作版权所有图像分析的关键在于对所分析的图像进行合适的表达和描绘，在接下来的理解处理工作中，主要根据所作工作的具体要求进行特征的比较工作，从而确定目标是否存在、相似程度或进行分类等。