第八章目標表達和描述技術

1、1數(shù)字圖像處理第2頁第3頁知識庫知識庫特征表示與描述特征表示與描述預處理預處理分割分割低級處理高級處理中級處理識別識別與與解釋解釋結果圖像獲取圖像獲取問題第4頁第5頁第6頁n目標目標：在圖像分析應用中人們感興趣的圖像中的某些區(qū)域。n表達表達：對目標的表示方法 內部表達：反射性質（灰度、顏色、紋理） 外部表達：形狀n描述描述：抽象的表示目標 用一組數(shù)量或符號(描述子)來表征圖像中被描述物體的某些特征，可以是對圖像中各組成部分的性質的描述，也可以是各部分彼此間的關系的描述。 邊界描述和區(qū)域描述n關系關系 表達對描述起重要作用，限定了描述的精確性 表達側重于數(shù)據(jù)結構，描述側重于區(qū)域特征及區(qū)域間的關系

2、n8.1 輪廓的鏈碼表達輪廓的鏈碼表達n8.2輪廓線段的近似表達輪廓線段的近似表達n8.3邊界標記邊界標記n8.4目標的層次表達目標的層次表達n8.5目標的骨架表達目標的骨架表達n8.6運動表達運動表達n8.7目標輪廓的傅里葉描述目標輪廓的傅里葉描述n形態(tài)學描述形態(tài)學描述第7頁n 邊界表達邊界表達邊界點集合邊界點集合參數(shù)邊界參數(shù)邊界曲線逼近曲線逼近標志點標志點鏈碼鏈碼邊界段邊界段邊界標記邊界標記多邊形多邊形基于區(qū)域的表達基于區(qū)域的表達第10頁n8.1 輪廓的鏈碼表達輪廓的鏈碼表達第11頁 在分割過程中當確定了邊界后，邊界表達就是基在分割過程中當確定了邊界后，邊界表達就是基于邊界的像素點對目標的

3、表示形式。于邊界的像素點對目標的表示形式。(1)(1)鏈碼：對邊界的一種編碼表示方法鏈碼：對邊界的一種編碼表示方法鏈碼是一種用若干條具有特定長度和方向的線段連接起來表鏈碼是一種用若干條具有特定長度和方向的線段連接起來表示目標邊界的方法。示目標邊界的方法。n8.1 輪廓的鏈碼表達輪廓的鏈碼表達每個線段的長度固定而方向數(shù)目取為有限，所以只有邊界的起點需用（絕對）坐標表示，其余點都可只用接續(xù)方向來代表偏移量。 第12頁選邊界上一點選邊界上一點(用坐標表示用坐標表示)作為起點，其它點用方作為起點，其它點用方向數(shù)來表示：向數(shù)來表示：AA:657071324301234567八方向第13頁n鏈碼舉例：鏈碼

4、舉例：4-鏈碼：鏈碼：000033333322222211110011第14頁鏈鏈 碼碼132201223111100 777776655555444443第15頁n鏈碼鏈碼 算法：算法：給每一個線段邊界一個方向編碼。給每一個線段邊界一個方向編碼。常用有常用有4-鏈碼和鏈碼和8-鏈碼兩種編碼方法。鏈碼兩種編碼方法。從起點開始，沿邊界編碼，至起點被重新從起點開始，沿邊界編碼，至起點被重新碰到，結束一個對象的編碼。碰到，結束一個對象的編碼。第16頁起點問題起點問題 對同一邊界，如果用不同的邊界點作為鏈碼起點，得到對同一邊界，如果用不同的邊界點作為鏈碼起點，得到的鏈碼是不同的。的鏈碼是不同的。 例如

5、：例如：以以A為起點，鏈碼為：為起點，鏈碼為：A: 10103322以以B為起點，鏈碼為：為起點，鏈碼為： B: 03322101ABC第17頁鏈碼鏈碼鏈碼起點歸一化鏈碼起點歸一化把鏈碼看作一個由各方向數(shù)構成的自然數(shù)。將這些方向數(shù)依一個方向循環(huán)以使它們所構成的自然數(shù)的值最小第18頁n鏈碼鏈碼 問題問題2：2）由于角度的不同，造成編碼的不同）由于角度的不同，造成編碼的不同 改進改進2：2）通過使用鏈碼的一階差代替碼子本身的方）通過使用鏈碼的一階差代替碼子本身的方式式第19頁鏈碼鏈碼鏈碼旋轉歸一化鏈碼旋轉歸一化利用鏈碼的一階差分來重新構造一個序列（一個表示原鏈碼各段之間方向變化的新序列）這個差分可

6、用相鄰兩個方向數(shù)相減得到 第20頁形狀數(shù)形狀數(shù)：一種輪廓形狀描述符，值最?。阂环N輪廓形狀描述符，值最小(鏈碼鏈碼)的差分碼的差分碼形狀數(shù)形狀數(shù) 0 3 0 3 3 1 3 3 第21頁n鏈碼鏈碼 問題問題3：1）鏈碼相當長。）鏈碼相當長。2）噪音會產生不必要的鏈碼。）噪音會產生不必要的鏈碼。 改進改進1：1）加大網格空間。）加大網格空間。2）依據(jù)原始邊界與結果的接近程度，來確）依據(jù)原始邊界與結果的接近程度，來確定新點的位置。定新點的位置。第22頁n鏈碼舉例：鏈碼舉例：4-鏈碼：鏈碼：0033322211014-鏈碼：鏈碼：000033333322222211110011第23頁n鏈碼具有平移不

7、變性，即當邊界平移時，其鏈碼不發(fā)生改變。鏈碼具有平移不變性，即當邊界平移時，其鏈碼不發(fā)生改變。n如果邊界的本身對于旋轉和比例修改來說是無變化的，使用鏈碼如果邊界的本身對于旋轉和比例修改來說是無變化的，使用鏈碼才是正確的。一般來說這是不可能的，實際應用時還需要改進才是正確的。一般來說這是不可能的，實際應用時還需要改進n如果用鏈碼后，對象只要用如果用鏈碼后，對象只要用1)1)起點坐標，起點坐標，2)2)周長（邊界點數(shù)）周長（邊界點數(shù)）3)3)鏈碼，鏈碼，4)4)對象編號，就可以對象編號，就可以描述描述。n鏈碼一般用于一幅圖像中有多個對象的情況，對單個對象不適用鏈碼一般用于一幅圖像中有多個對象的情況

8、，對單個對象不適用。第24頁n8.2 輪廓線段的近似表達輪廓線段的近似表達第25頁n實際中的數(shù)字輪廓常由于噪聲、采樣等的影響而有實際中的數(shù)字輪廓常由于噪聲、采樣等的影響而有許多較小的不規(guī)則處。這些不規(guī)則處常對用鏈媽進許多較小的不規(guī)則處。這些不規(guī)則處常對用鏈媽進行的輪廓表達產生較明顯的干擾影響。行的輪廓表達產生較明顯的干擾影響。n一種抗干擾性能更好，且更節(jié)省表達所需數(shù)據(jù)量的一種抗干擾性能更好，且更節(jié)省表達所需數(shù)據(jù)量的方法是用多邊形近似逼近輪廓。方法是用多邊形近似逼近輪廓。n實際中多邊形表達的目的常是要用盡可能少的線段實際中多邊形表達的目的常是要用盡可能少的線段來代表輪廓并保持輪廓的基本形狀。來代

9、表輪廓并保持輪廓的基本形狀。n常用的多邊形表達方法有常用的多邊形表達方法有3種：種：n（1）基于收縮的最小周長多邊形法）基于收縮的最小周長多邊形法n（2）基于聚合的最小均方誤差線段逼近法）基于聚合的最小均方誤差線段逼近法n（3）基于分裂的最小均方誤差線段逼近法）基于分裂的最小均方誤差線段逼近法第26頁第27頁P225 例例8.2.1 基于收縮的最小周長多邊形基于收縮的最小周長多邊形第28頁2、聚合逼近多邊形、聚合逼近多邊形沿輪廓依次連接像素。先選1個輪廓點為起點，用直線依次連接該點與相鄰的輪廓點。分別計算各直線與輪廓的（逼近）擬合誤差，把誤差超過某個限度前的線段確定為多邊形的1條邊并將誤差置零

10、。然后以線段另一端點為起點繼續(xù)連接輪廓點，直至繞輪廓1周。這樣就得到1個輪廓的近似多邊形。abcdefghijk先從點a出發(fā)，依次做直線ab，ac，ad，ae等。對從ac開始的每條線段計算前一邊界點與線段的距離作為擬合誤差 第29頁abcdefghijkP225 例8.2.2 先從點a出發(fā)，依次做直線ab，ac，ad，ae等。對從ac開始的每條線段計算前一邊界點與線段的距離作為擬合誤差 第30頁n3、分裂逼近多邊形、分裂逼近多邊形n先連接輪廓上相距最遠的先連接輪廓上相距最遠的2個像素（把輪廓分成兩部分），個像素（把輪廓分成兩部分），然后根據(jù)一定準則進一步分解輪廓，構成多邊形逼近輪廓，然后根據(jù)一

11、定準則進一步分解輪廓，構成多邊形逼近輪廓，直到擬合誤差滿足一定限度。直到擬合誤差滿足一定限度。nP225 例例8.2.3n8.2輪廓線段的近似表達輪廓線段的近似表達w 分裂逼近多邊形w將輪廓依次分段將輪廓依次分段w 第一步先做第一步先做ag， 計算計算diw和和hj。進一步計算。進一步計算b，c，e，wf 等各輪廓點與各相應直線等各輪廓點與各相應直線w的距離的距離 n8.3 邊界標記邊界標記第32頁第13章第13章第35頁A r r( )2 A第13章n3、斜率密度函數(shù)、斜率密度函數(shù)n斜率密度函數(shù)可看做將斜率密度函數(shù)可看做將-s曲線沿曲線沿軸投影的結果。軸投影的結果。nP228 圖圖8.3.3

12、第37頁n4、距離為弧長的函數(shù)、距離為弧長的函數(shù)n基于邊界的標記可通過從一個點開始沿邊界圍繞目基于邊界的標記可通過從一個點開始沿邊界圍繞目標逐漸做出來。如果將各個邊界點與目標重心的距標逐漸做出來。如果將各個邊界點與目標重心的距離作為邊界點序列的函數(shù)就得到一種標記。離作為邊界點序列的函數(shù)就得到一種標記。nP228 圖圖8.3.4第38頁n8.4 目標的層次表達目標的層次表達第39頁n目標可以看做是所有組成目標區(qū)域像素的集合，從目標可以看做是所有組成目標區(qū)域像素的集合，從集合的觀點來看，集合可分解為子集合，每個子集集合的觀點來看，集合可分解為子集合，每個子集合又可繼續(xù)分解，直至每個元素。合又可繼續(xù)

13、分解，直至每個元素。n目標的層次表達就是根據(jù)這種思路，利用金字塔式目標的層次表達就是根據(jù)這種思路，利用金字塔式的數(shù)據(jù)結構來表達目標的方法。的數(shù)據(jù)結構來表達目標的方法。n四叉樹四叉樹n二叉樹二叉樹第40頁n四叉樹表達法在分解時每次將圖像一分為四。當圖四叉樹表達法在分解時每次將圖像一分為四。當圖像是方形的，且像素個數(shù)是像是方形的，且像素個數(shù)是2的整數(shù)次冪時四叉樹法的整數(shù)次冪時四叉樹法最適用。最適用。第41頁第13章C0級1級2級1245BDEA3678D31245ABE678C0級2級1級白灰黑AC第43頁第12章 目標表達與描述(2)四叉樹：四叉樹：適用于對方形圖像采用分裂與合并方法進行分適用于

14、對方形圖像采用分裂與合并方法進行分割的情況割的情況E原始圖像原始圖像A BC一次分裂一次分裂E白色表示目標白色表示目標黑色表黑色表示背景示背景藍色表示背景混合藍色表示背景混合AC二次分裂二次分裂B1B2B3B4D1D2D3D4B1B2B3B4D1D2D3D4D DABCDn2、二叉樹、二叉樹n二叉樹表達法在分解時每次將圖像一分為二。二叉二叉樹表達法在分解時每次將圖像一分為二。二叉樹可以看做是四叉樹的一種變形。樹可以看做是四叉樹的一種變形。nP231 圖圖8.4.2第44頁n8.1 輪廓的鏈碼表達輪廓的鏈碼表達n8.2輪廓線段的近似表達輪廓線段的近似表達n8.3邊界標記邊界標記n8.4目標的層次

15、表達目標的層次表達n8.5目標的骨架表達目標的骨架表達n8.6運動表達運動表達n8.7目標輪廓的傅里葉描述目標輪廓的傅里葉描述n形態(tài)學描述形態(tài)學描述第45頁n8.5 目標的骨架表達目標的骨架表達第46頁8.5 目標的骨架表達目標的骨架表達w 1 1、骨架和骨架點、骨架和骨架點一種簡化的目標區(qū)域表達方法 第48頁骨骨 架架中軸變換是一種用來確定物體骨架的細化技術。（草場火技術）中軸變換方法（MAT） 具有輪廓B的區(qū)域R的MAT是如下確定的。對每個R中的點P，在B中搜尋與它最近的點。如果對P能找到多于1個這樣的點（即有2個或以上的B中的點與P同時最近），就可以認為P屬于R的中線或骨架，或者說P是1

16、個骨架點。 R B p 第13章 R B p s( , )inf ( , )|dp Bd p zzBn8.5目標的骨架表達w 骨架算法(1)考慮以輪廓點為中心的考慮以輪廓點為中心的8-鄰域，記中心點為鄰域，記中心點為p1，其鄰域的，其鄰域的8個點順時針繞中心點分別記個點順時針繞中心點分別記為為p2, p3, , p9，其中，其中p2在在p1上方上方首先標記同時滿足下列條件的輪廓點：首先標記同時滿足下列條件的輪廓點： (1.1)2 N(p1) 6(1.2)S(p1) = 1(1.3)p2 p4 p6 = 0(1.4)p4 p6 p8 = 0 n8.5目標的骨架表達w 骨架算法(2)同第同第(1)

17、步，僅改兩個條件步，僅改兩個條件 n(2.3)p2 p4 p8 = 0n(2.4)p2 p6 p8 = 0 第13章（目標標為1，背景標為0）考慮以考慮以輪廓點為中心的輪廓點為中心的8-鄰域，記中心點為鄰域，記中心點為p1 p4 P1 p2 p5 p6 p7 p8 p9 p3 110000001111110101111010000111010000111000000對所有輪廓點都檢查完畢后，將所有標記了的點都除去。對所有輪廓點都檢查完畢后，將所有標記了的點都除去。第53頁第12章 目標表達與描述例子例子：000000000111111001111110011111100000111000001

18、1100000111000000000000000000 1111 0011111 00 11 0000011 0000011 00000 000000000步驟步驟(1)(1)作標記作標記第54頁第12章 目標表達與描述0000000000111100011111000000110000001100000011000000000000000000刪除步驟刪除步驟(1)(1)作標記的點作標記的點0000000000 000 1111000000 1000000 1000000 000000000000000000步驟步驟(2)(2)作標記作標記第55頁第12章 目標表達與描述000000000

19、0000000001111000000010000000100000000000000000000000000刪除步驟刪除步驟(2)(2)作標記的點作標記的點第57頁第58頁第59頁w 全局運動全局運動由攝像機的運動而產生8.6 運動表達運動表達w 全局運動全局運動常采用參數(shù)模型的方法來描述6參數(shù)仿射模型運動矢量場表示8.6 運動表達運動表達w 局部運動局部運動常對應場景中目標的運動比較復雜多樣，可采用緊湊表達方式8.6 運動表達運動表達第63頁第64頁第12章 目標表達與描述傅立葉形狀描述子傅立葉形狀描述子: : 描述描述閉合邊界閉合邊界的一種方法，且僅適用于單閉合曲線的一種方法，且僅適用于

20、單閉合曲線 具體的做法：具體的做法：假定某目標物的區(qū)域邊界由假定某目標物的區(qū)域邊界由Q個像素組成，把個像素組成，把這個區(qū)域看成是在復平面內，每個點可定義一個復數(shù)。從邊界這個區(qū)域看成是在復平面內，每個點可定義一個復數(shù)。從邊界上任一點開始，按逆時針方向沿線逐點寫出一個復數(shù)序列上任一點開始，按逆時針方向沿線逐點寫出一個復數(shù)序列f(i)，對此序列進行離散傅立葉變換，可得該邊界在頻域的表示對此序列進行離散傅立葉變換，可得該邊界在頻域的表示F(w)。這些傅立葉系數(shù)稱為這些傅立葉系數(shù)稱為邊界的傅立葉描述子邊界的傅立葉描述子。從這些傅立葉系數(shù)。從這些傅立葉系數(shù)中可知邊界變化的劇烈程度。在目標描述和識別中通常只使用中可知邊界變化的劇烈程度。在目標描述和識別中通常只使用F(w)的幅值。的幅值。8.7 目標輪廓的傅里葉描述w 輪廓的傅里葉描述輪廓的傅里葉描述 將2-D的問題簡化為1-D的問題 兩種表示：在空間平面XY上在復平面UV上8.7 目標輪廓的傅里葉描述w 輪廓的傅里葉描述輪廓的傅里葉描述 輪廓傅里葉描述的傅里葉反變換 只利用S(w)的前M個系數(shù) 為重建輪廓點所用的頻率項少了第67頁傅里葉描述子傅里葉描述子（a）字母H （b）邊界圖 （c）全部傅立葉 （d）采用225項第68頁傅里葉描述子傅里葉描述子 （e）采用45項 （f）采用27項 （