Hledání hran. Václav Hlaváč. České vysoké učení technické v Praze

Podobné dokumenty
Hledání hran. Václav Hlaváč. České vysoké učení technické v Praze

HLEDÁNÍ HRAN. Václav Hlaváč. Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze katedra kybernetiky, Centrum strojového vnímání.

Analýza a zpracování digitálního obrazu

Restaurace (obnovení) obrazu při známé degradaci

Roman Juránek. Fakulta informačních technologíı. Extrakce obrazových příznaků 1 / 30

M E T O D Y R O Z P O Z NÁNÍ OB J E K T Ů V O B R A Z U

Jasové transformace. Karel Horák. Rozvrh přednášky:

Operace s obrazem II

Filtrace obrazu ve frekvenční oblasti

Diskrétní 2D konvoluce

Operace s obrazem I. Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity Brno. prezentace je součástí projektu FRVŠ č.

DETEKCE HRAN V BIOMEDICÍNSKÝCH OBRAZECH

Geometrické transformace

DZDDPZ6 Filtrace obrazu. Doc. Dr. Ing. Jiří Horák - Ing. Tomáš Peňáz, Ph.D. Institut geoinformatiky VŠB-TU Ostrava

SIFT: Scale Invariant Feature Transform Automatické nalezení korespondencí mezi dvojicí obrázků

Grafika na počítači. Bc. Veronika Tomsová

Funkce v ıce promˇ enn ych Extr emy Pˇredn aˇska p at a 12.bˇrezna 2018

Aplikovaná numerická matematika

Jasové a geometrické transformace

Občas se používá značení f x (x 0, y 0 ), resp. f y (x 0, y 0 ). Parciální derivace f. rovnoběžného s osou y a z:

ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘICÍ TECHNIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně 1. ÚVOD...

REALIZACE HRANOVÉHO DETEKTORU S VYUŽITÍM VLNKOVÉ TRANSFORMACE

FILTRACE VE FOURIEROVSKÉM SPEKTRU

Operace s obrazem. Biofyzikální ústav LF MU. Projekt FRVŠ 911/2013

PRIMITIVNÍ FUNKCE DEFINICE A MOTIVACE

2010 Josef Pelikán, CGG MFF UK Praha

PRIMITIVNÍ FUNKCE. Primitivní funkce primitivní funkce. geometrický popis integrály 1 integrály 2 spojité funkce konstrukce prim.

Derivace funkce Otázky

Extrémy funkce dvou proměnných

Derivace funkce DERIVACE A SPOJITOST DERIVACE A KONSTRUKCE FUNKCÍ. Aritmetické operace

Digitální obraz, základní pojmy

Zpracování digitalizovaného obrazu (ZDO) - Segmentace

Derivace funkcí více proměnných

Úvod do optimalizace, metody hladké optimalizace

ANALÝZA A SEGMENTACE TOMOGRAFICKÝCH OBRAZŮ ANALYSIS AND SEGMENTATION OF TOMOGRAPHIC IMAGES

Předzpracování obrazů v prostoru obrazů, operace v lokálním sousedství

Omezení barevného prostoru

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

10 Funkce více proměnných

Západočeská univerzita v Plzni Fakulta aplikovaných věd Katedra kybernetiky BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

ÚSTAV MATEMATIKY A DESKRIPTIVNÍ GEOMETRIE. Matematika 0A1. Cvičení, zimní semestr. Samostatné výstupy. Jan Šafařík

Diferenciál funkce dvou proměnných. Má-li funkce f = f(x, y) spojité parciální derivace v bodě a, pak lineární formu (funkci)

Drsná matematika III 3. přednáška Funkce více proměnných: Inverzní a implicitně definovaná zobrazení, vázané extrémy

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Zpracování digitalizovaného obrazu (ZDO) - Segmentace II

Počítačové vidění Počítačová cvičení. Autoři textu: Ing. Karel Horák, Ph.D.

Úpravy rastrového obrazu

1 Funkce dvou a tří proměnných

Úvod do zpracování signálů

Analýza pohybu. Karel Horák. Rozvrh přednášky: 1. Úvod. 2. Úlohy analýzy pohybu. 3. Rozdílové metody. 4. Estimace modelu prostředí. 5. Optický tok.

Diferenciál a Taylorův polynom

Funkce jedné proměnné

Dodatek 2: Funkce dvou proměnných 1/9

PŘEDNÁŠKA 9 KŘIVKOVÝ A PLOŠNÝ INTEGRÁL 1. DRUHU

Matematika pro informatiky

DIGITÁLNÍ FOTOGRAFIE

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Modelování systémů a procesů (11MSP) Bohumil Kovář, Jan Přikryl, Miroslav Vlček. 8. přednáška 11MSP pondělí 20. dubna 2015

1 Extrémy funkcí - slovní úlohy

Hledání extrémů funkcí

5. Lokální, vázané a globální extrémy

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Příklady použití tenkých vrstev Jaromír Křepelka

Změna koeficientů PDR při změně proměnných

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ LOKALIZACE HERNÍCH NÁSTROJŮ DIPLOMOVÁ PRÁCE

Dodatky k FT: 1. (2D digitalizace) 2. Více o FT 3. Více k užití filtrů. 7. přednáška předmětu Zpracování obrazů

Definice globální minimum (absolutní minimum) v bodě A D f, jestliže X D f

Státní závěrečná zkouška z oboru Matematika a její použití v přírodních vědách

III. Diferenciál funkce a tečná rovina 8. Diferenciál funkce. Přírůstek funkce. a = (x 0, y 0 ), h = (h 1, h 2 ).

Diferenciální rovnice a jejich aplikace. (Brkos 2011) Diferenciální rovnice a jejich aplikace 1 / 36


Aproximace funkcí. Numerické metody 6. května FJFI ČVUT v Praze

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY

Bakalářská matematika I

MATEMATIKA V MEDICÍNĚ

Požadavky k písemné přijímací zkoušce z matematiky do navazujícího magisterského studia pro neučitelské obory

Úvodní informace. 17. února 2018

NPGR032 CVIČENÍ III. Šum a jeho odstranění teorie&praxe. Adam Novozámský (novozamsky@utia.cas.cz)

Fakulta informačních technologíı. Extrakce obrazových příznaků 1 / 39

Numerické metody a programování. Lekce 8

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2016) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Elementární křivky a plochy

Numerické řešení diferenciálních rovnic

Metoda nejmenších čtverců Michal Čihák 26. listopadu 2012

Fakulta informačních technologíı. Extrakce obrazových příznaků 1 / 53

Matematika 2 pro PEF PaE

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ DETEKTOR OBJEKTŮ S VYUŽITÍM VLNKOVÉ TRANSFORMACE DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS

Drsná matematika III 2. přednáška Funkce více proměnných: Aproximace vyšších rádů, Taylorova věta, inverzní zobrazení

y = 2x2 + 10xy + 5. (a) = 7. y Úloha 2.: Určete rovnici tečné roviny a normály ke grafu funkce f = f(x, y) v bodě (a, f(a)). f(x, y) = x, a = (1, 1).

Analýza textury. Radim Šára Centrum strojového vnímání FEL ČVUT. DZO, R. Šára

Aproximace funkcí. x je systém m 1 jednoduchých, LN a dostatečně hladkých funkcí. x c m. g 1. g m. a 1. x a 2. x 2 a k. x k b 1. x b 2.

Transformujte diferenciální výraz x f x + y f do polárních souřadnic r a ϕ, které jsou definovány vztahy x = r cos ϕ a y = r sin ϕ.

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

Zavedeme-li souřadnicový systém {0, x, y, z}, pak můžeme křivku definovat pomocí vektorové funkce.

Příklad 1. Řešení 1a. Řešení 1b ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1B ČÁST 5

To je samozřejmě základní pojem konvergence, ale v mnoha případech je příliš obecný a nestačí na dokazování některých užitečných tvrzení.

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

ZPRACOVÁNÍ OBRAZU přednáška 4

Transkript:

Hledání hran Václav Hlaváč České vysoké učení technické v Praze Centrum strojového vnímání (přemosťuje skupiny z) Český institut informatiky, robotiky a kybernetiky Fakulta elektrotechnická, katedra kybernetiky http://people.ciirc.cvut.cz/hlavac, hlavac@ciirc.cvut.cz Poděkování: O. Drbohlav, T. Svoboda a T. Werner za několik obrazovek této přednášky. Osnova přednášky: Hrany, motivace, původ, hranový bod, definice obou. Tři rodiny hranových operátorů. Hledání hran pomocí konvoluce. Marr-Hildrethové hranový detektor. Cannyho hranový detektor. Prostor měřítek.

Předzpracování obrazu, úvod 2/45 Vstupem je obraz, výstupem je obraz. Obraz se neinterpretuje. Cíl Potlačit zkreslení (např. korekce geometrického zkreslení díky zakřivenosti Země u družicového snímku). Zvýšení kontrastu (jen pro prohlížení obrazu člověkem). Odstranění šumu. Zdůraznění charakteristik obrazu pro další zpracování, např. nalézání hran.

Motivace. Proč jsou hrany užitečné? 3/45 Neurofyziologický a psychofyzický výzkum ukazuje, že pro zrakové vnímání vyšších organismů jsou důležitá místa v obraze, kde se náhle mění hodnota jasu (významné hrany). Místa v obraze odpovídající významným hranám nesou více informace než jiná místa v obraze. Hrany často invariantní (do jisté míry) vůči změně osvětlení a místa pohledu. Tato místa chceme buď zvýraznit, tj. zvýraznit vysoké kmitočty operací ostření nebo detekovat významné hrany. Detekce má časté použití v počítačovém vidění: rozpoznání obsahu obrazu, 3D rekonstrukce scény, problém korespondence, sledování aj.

Příklad kresba 4/45 Pablo Picasso, La Sieste 1919

Příklad detekce hran 5/45

Původ hran 6/45 Hrany vznikají díky nespojitostem v normále k povrchu, hloubce, odrazivosti povrchu (barvě), odleskům nebo nespojitostech v osvětlení (stínům). surface normal discontinuity depth discontinuity highlights surface color/texture shadow/illumination discontinuity

Hrana, hranový bod 7/45 Hrana (angl. edge) je dána vlastnostmi obrazového elementu a jeho okolí; popisuje rychlost změny a směr největšího růstu obrazové funkce f(x, y); je vhodnou diskrétní aproximací gradientu f(x, y), je tedy vektorem o dvou složkách. Hranový bod (angl. edgel = edge element, jako pixel = picture element) je bod s velkým modulem gradientu; některé body v obraze jsou tedy hranové a jiné ne.

Typické jasové profily v okolí hranových bodů 8/45 g g g g skoková støechová linie zašumìná hrana x x x x První tři profily zleva, tj. skoková hrana, střechová hrana, tenká linie, jsou idealizované. Poslední profil odpovídá zašuměné hraně, kterou lze najít v reálném obrázku. V MATLABu je k dispozici funkce improfile.

Tři kategorie hranových detektorů 9/45 Detektory založené na 1. hledání maxim prvních derivací (Roberts, Prewittová, Sobel apod., Canny); 2. hledání průchodů druhých derivací nulou (Marr-Hildreth); 3. lokální aproximaci obrazové funkce parametrickým modelem, např. polynomem dvou proměnných (Haralick).

Gradient obrazové funkce Gradient spojité funkce n proměnných je vektor parciálních derivací f(x 1,..., x n ) = ( f,..., f ) x 1 x n 10/45 Pro n = 1 (jednorozměrný signál) je roven obyčejné derivaci. Pro n = 2 má velikost (nezávisí na natočení souřadné soustavy) a směr (daný jediným úhlem ψ), f(x, y) = ( f ) 2 + x ( ) 2 ( f f, ψ = arctan y x / ) f. y Derivace f(x, y) ve směru (u, v) je (u, v) f(x, y) = ( u f x, v f ) y.

Diskrétní aproximace derivace 11/45 Dva přístupy aproximace derivací diskrétní funkce, vzniklé vzorkováním spojité funkce (oba vedou k podobným algoritmům): rekonstruuj spojitou funkci a spočítej její derivaci; aproximuj derivace konečnými diferencemi. Nejjednodušší aproximace jednorozměrné funkce v celočíselném bodě i: Nesymetrická (vlastně odpovídá derivaci v bodě i 12): f (i) f(i) f(i 1). Symetrický tvar možný, ale zanedbává vliv pixelu i: f (i) f(i + 1) f(i 1). V termínech konvoluce: f [ 1, +1] f nebo f [ 1, 0, +1] f.

Citlivost derivace na šum 12/45 jasový profil s šumem jeho derivace Kde je v derivovaném zašuměném obrazu hrana?

Před derivováním nutno vyhladit 13/45

Záměna derivace a konvoluce 14/45 Díky komutativitě derivace a konvoluce lze oba operátory zaměnit, díky asociativitě je lze shrnout do jediného operátoru: d dh (h f) = dx dx f.

Vztah hrany a hranice 15/45 Nalezené hranové body v obraze lokálními operátory se někdy používají pro hledání hranic objektů. Za předpokladu, že objektu odpovídá oblast homogenního jasu, jsou body hranice právě pixely s vysokou hodnotou gradientu. Hranové body se spojují do hranic, a proto se směr hrany Φ někdy definuje jako kolmý na směr gradientu Ψ. èerná 0 gradient bílá 255 smìr hrany

Derivace a konvoluční masky 3 3 16/45 Roberts, jen 2 2 Prewittová Sobel Robinson Kirsch Laplacián (aproximuje 2. všesměrovou derivaci)

Robertsův operátor v okolí 2 2 17/45 Konvoluční masky h 1 = [ 1 0 0 1 ], h 2 = [ 0 1 1 0 ]. Velikost gradientu se počítá podle g(x, y) g(x + 1, y + 1) + g(x, y + 1) g(x + 1, y). Nevýhoda: velká citlivost na šum, protože okolí použité pro aproximaci je malé.

Operátor Prewittové 18/45 h 1 = 1 1 1 0 0 0 1 1 1, h 2 = 0 1 1 1 0 1 1 1 0, h 3 = 1 0 1 1 0 1 1 0 1,...

Příklad, operátor Prewittové hrany v severním směru 19/45 originál 256 256 západní gradienty prahované hrany = severní hrany

Příklad, operátor Prewittové hrany ve východním směru 20/45 originál 256 256 severní gradienty prahované hrany = východní hrany

Sobelův operátor 21/45 h 1 = 1 2 1 0 0 0 1 2 1, h 2 = 0 1 2 1 0 1 2 1 0, h 3 = 1 0 1 2 0 2 1 0 1,...

Robinsonův operátor 22/45 h 1 = 1 1 1 1 2 1 1 1 1, h 2 = 1 1 1 1 2 1 1 1 1, h 3 = 1 1 1 1 2 1 1 1 1,...

Kirschův operátor 23/45 h 1 = 3 3 3 3 0 3 5 5 5, h 2 = 3 3 3 5 0 3 5 5 3, h 3 = 5 3 3 5 0 3 5 3 3,...

Laplacián obrazové funkce 24/45 2 f(x, y) = 2 f(x, y) x 2 + 2 f(x, y) y 2 2 f je skalár, oproti gradientu přicházíme tedy o směr hrany. Podobně jako velikost gradientu f, také 2f je invariantní vůči natočení souřadné soustavy. Pro monotónně rostoucí jasovou funkci f(x, y) v příslušném okolí je Laplacián nulový tam, kde je velikost gradientu f(x, y) maximální průchody nulou (angl. zero-crossings).

Diskrétní aproximace Laplaciánu Diskrétní druhá derivace je složením (konvolucí) prvních derivací: 25/45 d 2 [ 1, +1] [ 1, +1] = [+1, 2, +1] dx2 Diskrétní Laplacián je součtem druhých parciálních derivací: 0 0 0 0 1 0 0 1 0 2 1 2 1 + 0 2 0 = 1 4 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 Alternativní používané tvary (8-okolí, zvýraznění středu): 1 1 1 1 8 1 1 1 1, 2 1 2 1 4 1 2 1 2, 1 2 1 2 4 2 1 2 1

Ostření Laplaciánem 26/45 Někdy nechceme detekovat hranové body, ale pouze zvýraznit hrany (ostření). Laplacián je vhodný, neboť zdůrazňuje vysoké frekvence (srov. DoG) a je všesměrový.. originál 256 256 Hrany (Laplace) Ostření (- 0,4 )

Detektor založený na 2. derivaci (Marr-Hildreth) Extrém 1. derivace funkce jedné proměnné (1D signálu) odpovídá místu průchodu 2. derivace nulovou hladinou. f(x) f (x) f (x) 27/45 x x x f(x) f (x) f (x) x (a) (b) (c) Pro funkce dvou proměnných to není totéž: do hry vstupuje Laplaceův operátor 2. x x

Odvození LoG operátoru 28/45 Laplacián 2, viz průsvitka 24, je ještě citlivější na šum než gradient opět kombinujeme s vyhlazením Gaussiánem G. Oba operátory lze spojit do jediného, označovaného jako LoG (Laplacian of Gaussian). Všimněte si použití asociativity operátorů. 2 (G f) = ( 2 G) f = LoG(f) Odvodíme analytický tvar 2 G. Zavedeme substituci x 2 + y 2 = r 2, která uvažuje rotační symetrii: G(r) = e r2 2σ 2, G (r) = 1 r2 r e 2σ σ2 2, G (r) = 1 ( ) r 2 σ 2 σ 2 1 e r2 2σ 2. Návrat k původním souřadnicím x, y a zavedení normalizačního koeficientu c 2 G(x, y) = c ( x 2 + y 2 σ 2 ) σ 4 e x2 +y 2 2σ 2.

2D operátory, s nimiž jsme se setkali 29/45 Gaussián x G y G 2 G 2 G x 2 y 2 Laplacián Gaussiánu

DoG jako aproximace LoG 30/45 Cílem je aproximovat LoG operátor (Laplacian of Gaussian), tj. 2G. Aproximovat lze pomocí diference dvou obrazů, které vznikly konvolucí s Gaussiánem o různém σ.

Jak počítat průchody nulou? 31/45 Při implementaci detektoru založeného na hledání průchodů nulou je třeba se vyhnout naivnímu řešení pomocí prahování LoG obrazu v intervalu hodnot blízkých k nule. Výsledkem by byly hodně nespojité hrany. Lepší je použít opravdový detektor průchodů nulou, např. v masce 2 2 s reprezentativním bodem třeba v levém horním rohu. Hrana se zde indikuje tehdy, pokud se uvnitř okna opravdu mění znaménko.

Příklad průchodů nulou 32/45 Originál DoG σ 1 = 0, 1 σ 2 = 0, 09 Průchody nulou Nevýhody: Příliš vyhlazeny ostré tvary. Například ostré rohy se ztrácejí. Snaží se spojovat hranové body do uzavřených křivek. Talíř špaget.

Odstranění nevýznamných hranových bodů 33/45 Průchody nulou Odstr. nevýzn. edgels LoG, σ = 0, 2

Biologické opodstatnění LoG operátoru 34/45 Sítnice je evolučně součást mozku. Probíhá v ní nejen zachycení světla (tyčinky, čípky), ale i předzpracování. Data jsou komprimována asi 1:100 omezná přenosová kapacita očního nervu. Kruhová receptivní pole. Jejich vnější část přispívá k odezvě opačným znaménkem než střed (tzv. uspořádání center-surround).

Problém volby měřítka vyhlazení (1) 35/45

Problém volby měřítka vyhlazení (2) 36/45 Jaké zvolit σ Gaussiánu při počítání derivací? Čím větší σ, tím... lepší potlačení šumu, více slabých hran zanikne, menší přesnost lokalizace hran. Problém není omezen na detekci hran. Je to obecný problém při detekci primitiv (lokálních vlastností) v obrazech (např. významných bodů). Často nás nezajímají detaily, i když nevznikly díky šumu. Jako bychom se chtěli podívat na obraz z větší dálky a detekovat jen významnější hrany (či jiná primitiva).

... Prostor měřítek pro 1D signál 37/45 S rostoucím měřítkem σ hrana může zaniknout (spojením s jinou hranou), ale nová hrana se nikdy nevytvoří. Ve 2D: T. Lindeberg (1994) Scale-Space Theory in Computer Vision, Kluwer Academic Publishers/Springer, Dordrecht, Netherlands, 1994.

Cannyho hranový detektor 38/45 V jistém smyslu završení období hledání nejlepšího hranového detektoru. Používán pro většinu aplikací. Dostupné implementace. Algoritmus: 1. Najdi přibližně směry gradientu. 2. Pro každý pixel najdi 1D derivaci ve směru gradientu pomocí optimální masky spojující vyhlazení a derivaci. 3. Najdi lokální maxima těchto derivací. 4. Hranové body získej prahováním s hysterezí. 5. Proveď syntézu hran získaných pro různě velká vyhlazení (málokdy se používá).

Optimální lineární operátor pro detekci hran Předpokládán zjednodušený model: ideální schodová hrana; aditivní gaussovský a v každém pixelu stejný a nezávislý šum. Požadavky, které chceme maximalizovat: spolehlivá detekce (nalezeno co nejvíce existujících hran); dobrá lokalizace (malá chyba detekované pozice hrany); jednoznačná odezva (nalezeno co nejméně neexistujících hran). 39/45 skutečná nespolehlivě špatně nejednoznačně hrana detekovaná lokalizovaná detekovaná

Optimální lineární operátor pro detekci hran 40/45 Požadavky protichůdné: čím lepší detekce, tím horší lokalizace. Hledáme tedy nejlepší kompromis: optimalizujeme součin kritérií 1 a 2 a nakonec přidáme kritérium 3 (podrobnosti vynechány). Výsledek nelze napsat vzorečkem, ale je velmi podobný derivaci Gaussiánu.

Nalezení maxim první derivace v 1D Prahování je nevhodné (ledaže maxima jsou velmi ostrá). 41/45 threshold Správné je hledat lokální maxima derivace (non-maxima suppression). window Umožňuje subpixelovou (tj. lepší než celočíselnou) přesnost nalezení maxima: např. proložíme parabolu a analyticky spočítáme maximum.

Nalezení maxim gradientu ve 2D 42/45 Hledáme 1D maxima v (přibližném) směru gradientu. Funkci ve směru gradientu vzorkujeme mřížkou.

Nalezení hranových bodů prahováním s hysterezí 43/45 Chceme potlačit krátké (tj. typicky nevýznamné) řetězy hranových bodů, ale přitom zabránit fragmentaci dlouhých řetězů. Nelze dosáhnout jediným globálním prahem prahování dvěma prahy s hysterezí: slabší hranový bod zachováme pokud je součástí řetězu obsahujícího silnější body.

... Problém volby měřítka vyhlazení 44/45

Spojování hranových bodů do úseček Filtrováno Laplaciánem. Průchody nulou. 45/45 Spojeno do úseček.