Реферат Морфологический анализ цветных спектрозональных изображений
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего
от 25%

Подписываем
договор
Морфологический анализ цветных (спектрозональных) изображений.
Пытьев Ю.П.
Московский государственный университет, Москва, Россия
1. Введение
Хорошо известно, что изображения одной и той же сцены, полученные при различных условиях освещения и(или) измененных[1] оптических свойствах объектов могут отличаться радикально. Это обстоятельство порождает значительные трудности в прикладных задачах анализа и интерпретации изображений реальных сцен, в которых решение должно не зависеть от условий регистрации изображений. Речь идет, например, о задачах выделения неизвестного объекта на фоне известной местности, известного объекта на произвольном фоне при неконтролируемых условиях освещения, о задаче совмещения изображенний одной и той же сцены, полученных в различных спектральных диапазонах и т.д.
Методы морфологического анализа, разработанные более десяти лет тому назад, [1-5], для решения перечисленных задач, были в основном ориентированы для применения к черно-белым изображениям[2] и оказались достаточно эффективными, [5-11].
Между тем, по меньшей мере два обстоятельства указывают на целесообразность разработки морфологических методов анализа цветных изображений. Во-первых, в задаче обнаружения и выделения объекта последний, как правило, прежде всего цветом отличается от фона. Во-вторых, описание формы изображения в терминах цвета позволит практически устранить эффект теней и влияние неопределенности в пространственном распределении интенсивности спектрально однородного освещения.
2. Цвет и яркость спектозонального изображения.
Рассмотрим некоторые аспекты теории цвета так называемых многоспектральных (спектрозональных, [13]) изображений, аналогичной классической колориметрии [12]. Будем считать заданными n детекторов излучения со спектральными чувствительностями
Векторы
Далее предполагается, что всякое излучение
Если
Отсюда следует
Лемма 1. Яркость fe и цвет je любой аддитивной смеси e(×) излучений e1(×),...,em(
×), m=1,2,... определяются яркостями и цветами слагаемых.
Подчеркнем, что равенство
Далее предполагается, что вектор w(×) таков, что в E можно указать базовые излучения
Для всякого излучения e(×) можно записать разложение
в котором
или, в виде выходных сигналов детекторов излучения, -
В ряде случаев белое излучение естественно определять исходя из базовых излучений, а не из выходных сигналов детекторов, считая белым всякое излучение, которому в (1*) отвечают равные координаты:
Заметим, что слагаемые в (1*), у которых aj<0,[3] физически интерпретируются как соответствующие излучениям, "помещенным" в левую часть равенства (1*) с коэффициентами -aj>0:
Определим в
Лемма 2. В разложении (1*)
П, так как
Что касается скалярного проиведения
Пусть Х - поле зрения, например, ограниченная область на плоскости R2, или на сетке
Точнее, пусть Х - поле зрения, (Х, С, m) - измеримое пространство Х с мерой m, C - s-алгебра подмножеств X. Цветное (спектрозональное) изображение
в котором почти для всех
Цветные изображения образуют подкласс функций
Впрочем, для упрощения терминологии далее любой элемент
условием физичности изображений f(×).
Если f(×) - цветное изображение (2), то
ÎX.
3. Форма цветного изображения.
Понятие формы изображения призвано охарактеризовать форму изображенных объектов в терминах характерности изображений, инвариантных относительно определенного класса преобразований изображения, моделирующих меняющиеся условия его регистрации. Например, довольно часто может меняться освещение сцены, в частности, при практически неизменном спектральном составе может радикально изменяться распределение интенсивности освещения сцены. Такие изменения освещения в формуле (2**) выражаются преобразованием
Нередко изменение распределения интенсивности освещения сопровождается значительным изменением и его спектрального состава, но - пространственно однородным, одним и тем же в пределах всей изображаемой сцены. Поскольку между спектром излучения e и цветом j
нет взаимно однозначного соответствия, модель сопутствующего преобразования изображения f(x) в терминах преобразования его цвета j(×). Для этого определим отображение A(×):
Пусть при рассматриваемом изменении освещения
. Характекрным в данном случае является тот факт, что равенство
¢) и A(j) цвет изображения
Как правило, следует учитывать непостоянство оптических характеристик сцены и т.д. Во всех случаях форма изображения должна быть инвариантна относительно преобразования из выделенного класса и, более того, должна определять изображение с точностью до произвольного преобразования из этого класса.
Для определения понятия формы цветного изображения f(×
) на
~
g(×). Например, если f(×) и g(×) - изображения одной и той же сцены, то g(×), грубо говоря, характеризует форму изображенных объектов не точнее (подробнее, детальнее), чем f (×), если
В рассматриваемом выше примере преобразования изображений
¢(j
¢),
¢(j
¢(j))= A(j),
Если же
¢(j
¢)=U A(j) и
Пусть, скажем, g(×) - черно-белый вариант f(×), т.е. g(x)=f(x) и g(x)/g(x)=b, xÎX. Если преобразование
, то они, тем более, не будут отражены в g(×)
.
Формой
(×)
назовем множество изображений
(×)
, и их пределов в
Рассмотрим теперь более подробно понятие формы для некоторых характерных классов изображений и их преобразований.
4. Форма кусочно-постоянного (мозаичного) цветного изображения.
Во многих практически важных задачах форма объекта на изображении может быть охарактеризована специальной структурой излучения, достигающего поле зрения X в виде
то цветное изображение fe(×)
, такого объекта характеризует его форму непрерывным распределением яркости и цвета на каждом подмножестве Ai, i=1,...,N. Для изображения
Если, в частности, цвет и яркость
его черно-белый вариант
на каждом Ai имеет постоянную яркость
не меняется на Ai и равен
Поскольку для реальных изображений должно быть выполнено условие физичности (2*),
v(a), очевидно, содержится в n×
N мерном линейном подпространстве
которое назовем формой a(×
) в широком смысле.
Форму в широком смысле любого изображения a(×
), у которого не обязательно различны яркости и цвета на различных подмножествах Ai ,i=1,...,N, определим как линейное подпространство
×
),F
Î
F
, где F - класс преобразований
®F
a(x) во всех точках xÎ
X; здесь F - любое преобразование
Изображения из конуса(4***) имеют форму, которая не сложнее, чем форма a(×
) (4), поскольку некоторые из них могут иметь одно и то же значение яркости или(и) цвета на различных множествах Аi, i=1,…………..,N. Также множества оказываются, по существу, объединенными в одно, что и приводит к упрощению формы изображения, поскольку оно отражает меньше деталей формы изображенного объекта, чем изображение (4). Это замечание касается и L(a(×)), если речь идет о форме в широком смысле.
Лемма 3. Пусть {Аi} - измеримое разбиение X:
Изображение (3) имеет на каждом подмножестве Ai :
- постоянную яркость
- постоянный цвет
- постоянную яркость fi , i=1,...,N, если и только если в (3)
Доказательство . На множестве Ai яркость и цвет изображения (3) равны соответственно[6]
Если выполнено равенство (4), то
Если
Цвет изображения определяется как электродинамическими свойствами поверхности изображенного объекта, так и спектральным составом облучающего электромагнитного излучения в том диапазоне, который используется для регистрации изображения. Речь идет о спектральном составе излучения, покидающего поверхность объекта и содержащего как рассеянное так и собственное излучения объекта. Поскольку спектральный состав падающего излучения, как правило, пространственно однороден, можно считать, что цвет изображения несет информацию о свойствах поверхности объекта, о ее форме, а яркость в значительной степени зависит и от условий “освещения”. Поэтому на практике в задачах морфологического анализа цветных изображений сцен важное значение имеет понятие формы изображения, имеющего постоянный цвет и произвольное распределение яркости в пределах заданных подмножеств Ai , i=1,...,N, поля зрения X.
Итак, пусть в согласии с леммой 3
где,
в пределах Ai при постоянном цвете
причем для изображения (5) цвета j(i)
, i=1,.…..,N, считаются попарно различными, а функции g(i), i=1,.…..,N, - удовлетворяющими условиям
Нетрудно заметить, что в выражениях (5),(6) и (7) без потери общности можно принять условие нормировки
Форму изображения (5) определим как класс всех изображений
каждое из которых, как и изображение (5), имеет постоянный цвет в пределах каждого Ai, i=1,...,N. Форма таких изображений не сложнее, чем форма f(×) (5), поскольку в изображении
Если в (8) яркость
Цвет изображения (8) может не совпадать с цветом (5). Если же по условию задачи все изображения
Нетрудно определить форму любого, не обязательно мозаичного, изображения f(×) в том случае, когда допустимы произвольные изменения яркости
назовем формой в широком смысле изображения
в которой включение
Более удобное описание формы изображения может быть получено на основе методов аппроксимации цветных изображений, в которых форма определяется как оператор наилучшего приближения. В следующем параграфе дано представление формы изображения в виде оператора наилучшего приближения.
5. Задачи аппроксимации цветных изображений. Форма как оператор наилучшего приближения.
Рассмотрим вначале задачи приближения кусочно-постоянными (мозаичными) изображениями. Решение этих задач позволит построить форму изображения
где
а
5.1. Приближение цветного изображения изображениями, цвет и яркость которых постоянны на подмножествах разбиения
Задано разбиение
Теорема 1. Пусть
и искомое изображение (4) задается равенством
Оператор
, i=1,...,N.
Черно-белый вариант
, является ортогональным проектором на линейное подпространство черно-белых изображений, яркость которых постоянна в пределах каждого
.
В точках множества
Доказательство. Равенства (12) - условия минимума положительно определенной квадратичной формы (11), П - ортогональный проектор, поскольку в задаче (11) наилучшая аппроксимация - ортогональная проекция f(×) на
Замечание 1. Для любого измеримого разбиения
я, яркость котор
ого постоянна на каждом
Если учесть, условие физичности (2*), то формой цветного изображения следует считать проектор
Аналогично формой черно-белого изображения следует считать проектор
на выпуклый замкнутый конус изображений (4*), таких, что
f(
×
) - наилучшее приближение изображения
можно отождествить с формой изображения (4).
Аналогично для черно-белого изображения a(
×
)
можно отождествить с формой изображения (4*), как это сделано в работах [2,3].
Примечания.
Формы в широком смысле не определяются связью задач наилучшего приближения элементами
Форма в широком смысле
если векторы
Посмотрим, каким образом воспользоваться этими фактами при построении формы в широком смысле как оператора ортогонального проецирования на линейное подпространство
Однако для найденного разбиения условие
где
В (*) можно, например, использовать так называемую исчерпывающую последовательность разбиений [], удовлетворяющую следующим условиям
-
- N+1-oe разбиение является продолжением N-го, т.е. для любого
- минимальная s-алгебра, содержащая все
Лемма (*). Пусть
C-измеримой функции
и
m-почти для всех
Воспользуемся этим результатом для построения формы в широком смысле П произвольного изображения
Теорема (*). Пусть
Тогда
1) для любого
2) для любого изображения
Доказательство. Первое утверждение непосредственно следует из леммы (*) и определения
Вопрос о том, каким образом может быть построена исчерпывающая последовательность разбиений, обсуждается в следующем пункте.
Заданы векторы f1,...,fq, требуется определить разбиение
то в Ai следует отнести лишь те точки
означает, что множества (14) не пересекаются и
Чтобы сформулировать этот результат в терминах морфологического анализа, рассмотрим разбиение
и звездочка указывает на договоренность, принятую в (14). Определим оператор F, действующий из
Теорема 2. Пусть
наилучшего в
Замечание 2. Если данные задачи доступны лишь в черно-белом варианте, то есть заданы числа
где
Замечание 3. Выберем векторы fi, i=1,..,q единичной длины:
Множества (16) являются конусами в Rn , ограниченными гиперплоскостями, проходящими через начало координат. Отсюда следует, что соответствующее приближение
Замечание 4. Для любого заданного набора попарно различных векторов
Иначе говоря, в данном случае формой изображения
и их пределов в
Теоремы 1 и 2 позволяют записать необходимые и достаточные условия наилучшего приближения изображения f(
×
) изображениями
, так и множества
так, чтобы
Следствие 1.
Пусть D
i ,i=1,...,N, - подмножества Rn (15), П - ортогональный проектор (13),
Следующая рекуррентная процедура, полезная для уточнения приближений, получаемых в теоремах 1,2, в некоторых случаях позволяет решать названную задачу. Пусть
×
), чем F(1):
В заключение этого пункта вернемся к вопросу о построении исчерпывающего
5.2. Приближение изображениями, цвет которых постоянен на подмножествах разбиения
Задано разбиение
Для практики, как уже было отмечено, большой интерес представляет класс изображений (5), цвет которых не изменяется в пределах некоторых подмножеств поля зрения, и задачи аппроксимации произвольных изображений изображениями такого класса.
Запишем изображение (5) в виде
где
Пусть A1,...,AN - заданное разбиение X,
Речь идет о задаче аппроксимации произвольного изображения
Так как
то минимум S (19) по
и равен
Задача (18) тем самым сведена к задаче
В связи с последней рассмотрим самосопряженный неотрицательно определенный оператор
Максимум (неотрицательной) квадратичной формы
и равен
Теорема 3. Пусть A1,...,AN -заданное измеримое разбиение
X, причем[9]
m(Ai)>0, i=1,...,N. Решением задачи (18) наилучшего приближения изображения
Операторы
П проецирует в
Невязка наилучшего приближения
Доказательство. Равентство (24) и выражение для Пi следует из (17),(20) и решения задачи на собственные значения для оператора Фi (23). Поскольку Фi самосопряженный неотрицательно определенный оператор, то задача на собственные значения (23) разрешима, все собственные значения Фi неотрицательны и среди них ri - наибольшее.
Для доказательства свойств операторов Пi, i=1,...,N, и П введем обозначения, указывающие на зависимость от f(×):
Эти равенства, показывающие, что результат двукратного действия операторов Пi, i=1,...,N, и П (26) не отличается от результатата однократного их действия, позволят считать операторы (26) проекторами.
Пусть fi - cсобственный вектор Фi , отвечающий максимальному собственному значению ri. Чтобы определить
Поскольку rank
Отсюда, в свою очередь, следует равенство (26*) для
Лемма 4. Для любого изображения
Доказательство. Достаточно доказать, что единственный (с точностью до положительного множителя) собственный вектор fi оператора (23), отвечающий максимальному собственному значению ri, можно выбрать так, чтобы
составляющие содержание леммы. Действительно, если
Убедимся в неотрицательности
где
Так как матрица
Замечание 4.
Если
Наоборот, если
Итак, пусть в изображении g(×) (17) все векторы f1,.…..,fN попарно не коллинеарны, тюею цвета всех подмножеств A1,...,AN
попарно различны. Тогда форма в широком смысле
где
i, i=1,...,N . В данном случае
Оператор П (24), дающий решение задачи наилучшего приближения
Заданы векторы цвета
j1,...,
jq, требуется определить разбиение A1,..., Aq, на множествах которого наилучшее приближение имеет соответственно цвета
j1,...,
jq и оптимальные распределения яркостей
Речь идет о следующей задаче наилучшего в
Рассмотрим вначале задачу (28) не требуя, чтобы
и достигается на
то, как нетрудно убедиться,
где звездочка * означает то же самое, что и в равенстве (14): точки xÎX, в которых выполняется равенство
Пусть
а
F: Rn-> Rn оператор, определенный условием
(33)
Тогда решение задачи (28) можно представить в виде
, (34)
где
- индикаторная функция множества Ai (31), i=1,...,q и F -оператор, действующий в
по формуле (34) (см. сноску 4 на стр. 13).
Нетрудно убедиться, что задача на минимум (29) с условием физичности
(35)
имеет решение
(36)
Соответственно решение задачи (28) с условием физичности имеет вид
, (37)
где
- индикаторная функция множества
, (38)
В ряде случаев для построения (34) полезно определить оператор F+: Rn-> Rn, действующий согласно формуле
(39)
где
, так что
,i=1,...q. (40)
Подытожим сказанное.
Теорема 4. Решение задачи (28) наилучшего в
приближения изображения
изображениями на искомых множествах A1,...,Aq разбиения X заданные цветамиj1,..., jq соответственно, дается равенством (34), искомое разбиение A1,...,Aq определено в (31). Требование физичности наилучшего приближения приводит к решению (37) и определяет искомое разбиение формулами (38). Решение (34) инвариантно относительно любого, а (37) - относительно любого, сохраняющего физичность, преобразования, неизменяющего его цвет.
Формой в широком смысле изображения, имеющего заданный набор цветов j1,..., jq на некоторых множествах положительной меры A1,...,Aq разбиение поля зрения можно назвать оператор
(34), формой такого изображения является оператор F+ (37). Всякое такое изображение g(×), удовлетворяющее условиям физичности (неотрицательности яркостей), удовлетворяет уравнению F+g(×)=g(×), те из них, у которых m(Ai)>0, i=1,...,q, изоморфны, остальные имеют более простую форму. n
В заключение этого раздела вернемся к понятию формы изображения, заданного с точностью до произвольного, удовлетворяющего условиям физичности, преобразования яркости. Речь идет о форме изображения
, заданного распределением цвета
, при произвольном (физичном) распределении яркости, например,
. Для определения формы
рассмотрим задачу наилучшего в
приближения изображения
такими изображениями
, (41)
Теорема 5. Решение
задачи (41) дается равенством
, (42)
в котором
, где
. Невязка приближения
, (43)
(
!) n
Определение. Формой изображения, заданного распределением цвета
, назовем выпуклый, замкнутый конус изображений

или - проектор
на
.
Всякое изображение g(×), распределение цвета которого есть j(×) и только такое изображение содержится в
и является неподвижной точкой оператора
:
g(×) = g(×). (#)
Поскольку на самом деле детали сцены, передаваемые распределением цвета j(×), не представлены на изображении f(×) = f(×)j(×) в той области поля зрения, в которой яркость f(x)=0, xÎX, будем считать, что
- форма любого изображения f(x) = f(x)j(x), f(x)>0, xÎX(modm), все такие изображения изоморфны, а форма всякого изображения g(×), удовлетворяющего уравнению (#), не сложнее, чем форма f(×).
Замечание 5. Пусть j1,...,
jN
- исходный набор цветов,
, A1,...,AN - соответствующее оптимальное разбиение X, найденное в теореие 4 и
, (34*)
- наилучшее приближение f(×). Тогда в равенстве (24)
, (24*)
если A1,...,AN - исходное разбиение X в теореме 3. Наоборот, если A1,...,AN - заданное в теореме 3 разбиение X и f1,...,fN - собственные векторы операторов Ф1,...,ФN (23) соответственно, отвечающие максимальным собственным значениям, то f1,...,fN
и будет выполнено равенство (24), если в (34*) определить ji как цвет fi в (24), i=1,...,N.
Проверка этого замечания не представляет затруднений.
В. Случай, когда допускаются небольшие изменения цвета в пределах каждого Ai, i=1,...,N.
Разумеется, условие постоянства цвета на множествах Ai, i=1,...,N, на практике может выполняться лишь с определенной точностью. Последнюю можно повысить как путем перехода к более мелкому разбиению
, так и допустив некоторые изменения цвета в пределах каждого Ai, i=1,...,N, например, выбрав вместо (17) класс изображений
(17*)
в котором
в (3).
Поскольку в задаче наилучшего приближения f(×) изображениями этого класса предстоит найти
, векторы
при любом i=1,...,N, можно считать ортогональными, определив
, (*)
из условия минимума невязки по
. После этого для каждого i=1,...,N векторы
должны быть определены из условия
(**)
при дополнительном условии ортогональности
. Решение этой задачи дается в следующей лемме
Лемма 5. Пусть
ортогональные собственные векторы оператора Фi (23), упорядоченные по убыванию собственных значений:
.
Тогда решение задачи (**) дается равенствами
.
Доказательство. Заметим, что, поскольку Фi - самосопряженный неотрицательно определенный оператор, его собственные значения неотрицательны, а его собственные векторы всегда можно выбрать так, чтобы они образовали ортогональный базис в Rn. Пусть Pi - ортогонально проецирует в Rn на линейную оболочку
собственных векторов
и
[Pi Фi Pi] - сужение оператора Pi Фi Pi на
. Тогда левая часть (*) равна следу оператора [Pi Фi Pi]
, где
- j-ое собственное значение оператора
(см., например, [10]). Пусть
. Тогда согласно теореме Пуанкаре, [10],
, откуда следует утверждаемое в лемме. ■
Воспользовавшись выражениями (*) и леммой 5, найдем, что в рассматриваемом случае имеет место утверждение, аналогичное теореме 3.
Теорема 3*. Наилучшее приближение любого изображения f(×) изображениями (17*) имеет вид
,
Где
: ортогональный проектор на линейную оболочку
, собственных векторов задачи
.
Невязка наилучшего приближения равна
. n
Рассмотрим теперь задачу наилучшего приближения изображения f(×) изображениями (17), в которых заданы и фиксированы векторы
, и надлежит определить измеримое разбиение
и функции
, как решение задачи
(30)
При любом разбиении
минимум в (30) по
достигается при
, определяемых равенством (20). В свою очередь, очевидно, что
(31)
где точки
, в которых выполняется равенство
могут быть произвольно включены в одно из множеств : либо в
, либо в
. Это соглашение отмечено звездочкой в (31).
Таким образом доказана
Теорема 6. Пусть
заданные векторы Rn. Решением задачи (30) является изображение
,
где ортогональный проектор
определен равенством (25), а
- индикаторная функция множества (31), i=1,...,N. Невязка наилучшего приближения равна
. n
Замечание 5. Так как при
,
то условия (31), определяющие разбиение
, можно записать в виде
, (32)
показывающем, что множество
в (32) инвариантно относительно любого преобразования изображения
, не изменяющего его цвет.
Теоремы 3 и 6 позволяют сформулировать необходимые и достаточные условия наилучшего приближения изображения f(×) изображениями (17), при котором должны быть найдены
и ci0 , i=1,...,N, такие, что
.
Теорема 7. Для заданного изображения f(
×)
определим множества
равенствами (32), оператор П - равенством (24),
- равенствами (25). Тогда
,
определено равенством (32), в котором
- собственный вектор оператора Фi (23), отвечающий наибольшему собственному значению, причем в (23)
, наконец,
будет дано равенством (20), в котором
, где
- собственный вектор оператора
, отвечающий наибольшему собственному значению
; наконец,
. n
Замечание 6. Следующая итерационная процедура полезна при отыскании
: Для изображения f(
×) зададим
и по теореме 5 найдем
и
, затем по теореме 3, используя
найдем
и
. После этого вновь воспользуемся теоремой 3 и по
найдем
и
и т.д. Построенная таким образом последовательность изображений
очевидно обладает тем свойством, что числовая последовательность
, k=1,2,.….. монотонно не возрастает и, следовательно, сходится. К сожалению ничего определенного нельзя сказать о сходимости последовательности
.
Формы
(10) и
(9) удобно задавать операторами Пf и П*f соответственно.
Теорема 7. Форма
в широком смысле изображения
определяется ортогональным проектором П*
f :
,
при этом
и
.
Доказательство. Так как для
, то получаем первое утверждение. Для доказательства второго утверждения рассмотрим выпуклую задачу на минимум
, решение которой определяется условиями (см., например, [11])
. Отсюда следует, что
и тем самым доказано и второе утверждение n
Замечание. Так как
, где f
i(x) - выходной сигнал i-го детектора в точке
, причем f
i(x)
³0 ,i=1,...,n, и, следовательно цвет
реальных изображений непременно имеет неотрицательные
, то для реальных изображений
, условия
и
, эквивалентны. Если же для некоторого
, то условие
не влечет
. Заметим также, что для изображений g(×), удовлетворяющих условию
, всегда
.
Для спектрозональных изображений характерна ситуация, при которой k детекторов регистрируют рассеянную объектами солнечную радиацию в диапазоне видимого света, а остальные n-k регистрируют собственное тепловое излучение объектов ( в инфракрасном диапазоне). В таком случае любое изображение можно представить разложением
(40)
В котором
. Если ИК составляющей солнечного излучения можно пренебречь по сравнению с собственным излучением объектов, то представляет интерес задача приближения изображениями f(×) , в которых f1(×) - любая неотрицательная функция из
, j1(×) - фиксированное векторное поле цвета, f2(×) - термояркость, j2(×) - термоцвет в точке
. Форма П*f видимой компоненты f(×) (40) определяется как оператор наилучшего приближения в задаче
, в данном случае
, причем П*f действует фактически только на "видимую компоненту" g(×), обращая "невидимую, ИК, компоненту" g(×) в ноль.
Форма ИК компоненты f(×) может быть определена лишь тогда, когда известно множество возможных преобразований j2(×) f2(×).
Некоторые применения.
Задачи идентификации сцен.
Рассмотрим вначале задачи идентификации сцен по их изображения, неискаженным геометрическими преобразованиями, поворотами, изменениями масштаба и т.д. Ограничимся задачами, в которых предъявляемые для анализа изображения получены при изменяющихся и неконтролируемых условиях освещения и неизвестных и, вообще говоря, различных оптических характеристиках сцены.
1). Задачи идентификации при произвольно меняющейся интенсивности освещения.
Можно ли считать f(×) и g(×) изображениями одной и той же сцены, возможно, отличающимя лишь распределениями яркости, например, наличием теней?
В простейшем случае для идентификации достаточно воспользоваться теоремой 5, а именно, f(×) и g(×) можно считать изображениями одной и той же сцены, если существует распределение цвета
, для которого v(j(×)) содержит f(×) и g(×). Если
, и
, то, очевидно, существует
, при котором f(x)Îv(j(×)), g(x)Îv(j(×)), а именно,
,
, если
,
, если
, и, наконец,
- произвольно, если
.
На практике удобнее использовать другой подход, позволяющий одновременно решать задачи совмещения изображений и выделения объектов. Можно ли, например, считать g(×) изображением сцены, представленной изображением f(×)? Ответ следует считать утвердительным, если
.
Здесь j(×) - распределение цвета на изображении f(×), символ ~0 означает, что значение d(g(×)) можно объяснить наличием шума, каких-либо других погрешностей, или, наконец, - наличием или, наоборот, отсутствием объектов объясняющим несовпадение g(×) и f(×) с точностью до преобразования распределения яркостей. Такие объекты, изменившие распределение цвета g(×) по сравнению с распределением цвета f(×), представлены в
.
2).Идентификация при произвольном изменении распределения интенсивности и пространственно однородном изменении спектрального состава освещения.
Можно ли считать изображением сцены, представленной на изображении f(×), изображение, полученное при изменившихся условиях регистрации, например, перемещением или изменением теней и изменением спектрального состава освещения?
Пусть П - форма в широком смысле изображения f(×), определенная в теореме @, П* - форма f(×). Тогда ответ на поставленный вопрос можно считать утвердительным, если
. Если изменение g(×) обусловлено не только изменившимися условиями регистрации, но также появлением и (или) исчезновением некоторых объектов, то изменения, обусловленные этим последним обстоятельством будут представлены на
.
3). Задачи совмещения изображений и поиска фрагмента.
Пусть f(×) - заданное изображение, AÌX - подмножество поля зрения, cA(×) - его индикатор, cA(×)f(×) -назовем фрагментом изображения f(×) на подмножестве A, представляющем выделенный фрагмент сцены, изображенной на f(×). Пусть g(×) - изображение той же сцены, полученное при других условиях, в частности, например, сдвинутое, повернутое, т.е. геометрически искаженное по сравнению с f(×). Задача состоит в том, чтобы указать на g(×) фрагмент изображения, представляющий на f(×) фрагмент сцены и совместить его с cA(×)f(×).
Ограничимся случаем, когда упомянутые геометрические искажения можно моделировать группой преобразований R2->R2, преобразование изображения
назовем сдвигом g(×) на h. Здесь
Q(h): Rn->Rn, hÎH, - группа операторов. Векторный сдвиг на h¢ÎH даст
.
В задаче выделения и совмещения фрагмента рассмотрим фрагмент сдвинутого на h изображения g(×) в “окне” A:
(100)
причем, поскольку
где
то в (100)
- ограничение на сдвиг “окна” А, которое должно оставаться в пределах поля зрения X.
Если кроме цвета g(×) может отличаться от f(×), скажем, произвольным преобразованием распределения яркости при неизменном распределении цвета и
- форма фрагмента f(×), то задача выделения и совмещения фрагмента сводится к следующей задаче на минимум
.(101)
При этом считается, что фрагмент изображения g(×), соответствующий фрагменту cA(×)f(×), будет помещен в “окно”.А путем соответствующего сдвига h=h*, совпадает с cA(×)f(×) с точностью до некоторого преобразования распределения яркости на нем. Это означает, что
.
т.е. в (101) при h=h* достигается минимум.
4). В ряде случаев возникает следующая задача анализа спектрозональных изображений: выделить объекты которые “видны”, скажем, в первом канале и “не видны” в остальных.
Рассмотрим два изображения
и
. Определим форму в широком смысле
как множество всех линейных преобразований
:
(A - линейный оператор R2->R2, не зависящий от xÎX). Для определения проектора на
рассмотрим задачу на минимум
. [*]
Пусть
,
, тогда задача на минимум [*] эквивалентна следующей: tr A*AS - 2trAB ~
. Ее решение
(знаком - обозначено псевдообращение).
=
=

Рис.1.
fe - вектор выходных сигналов детекторов, отвечающий излучению e(×), je - его цвет; j1,j2,j3, - векторы (цвета) базовых излучений, b - белый цвет, конец вектора b находится на пересечении биссектрис.
Литература.
[1] Пытьев Ю.П. Морфологические понятия в задачах анализа изображений, - Докл. АН СССР, 1975, т. 224, №6, сс. 1283-1286.
[2] Пытьев Ю.П. Морфологический анализ изображений, - Докл. АН СССР, 1983, т. 296, №5, сс. 1061-1064.
[3] Пытьев Ю.П. Задачи морфологического анализа изображений, - Математические методы исследования природных ресурсов земли из космоса, ред. Золотухин В.Г., Наука, Москва, 1984, сс. хххх-ххххх.
[4] Пытьев Ю.П., Чуличков А.И. ЭВМ анализирует форму изображения, - Знание,сер. Математика, Кибернентика, Москва, 1988, 47 стр.
[5] Yu.P.Pyt’ev. Morphological Image Analysis, Patt. Recogn. and Image Analysis, 1993, v.3, #1, pp.19-28.
[6] Антонюк В.А., Пытьев Ю.П. Спецпроцессоры реального времени для морфологического анализа реальных сцен. Обработка изображений и дистанционное исследования, -Новосибирск, 1981, сс. 87-89.
[7] Антонюк В.А., Пытьев Ю.П., Рау Э.И. Автоматизация визуального контроля изделий микроэлектроники,Радиотехника и электроника, 1985, т. ХХХ,№12, сс. 2456-2458.
[8] Ермолаев А.Г., Пытьев Ю.П. Априорные оценки полезного сигнала для морфологических решающих алглритмов, - Автоматизация, 1984, №5, сс. 118-120.
[9] Пытьев Ю.П, Задорожный С.С., Лукьянов А.Е. Об автоматизации сравнительного морфологического анализа электронномикроскопических изображений, - Изв. АН СССР, сер. физическая, 1977, т. 41, №11, сс. хххх-хххх.
[10] A.A. Stepanov, S.Yu. Zheltov, Yu.V. Visilter. Shape analysis using Pyt'ev morphological paradigm and its using in machine vision. Proc. SPIE - Th. Intern. Soc. For Optical Engineering Videometrics III, 1994, v. 2350, pp. 163-167.
[11] Пытьев Ю.П.. Математические методы интерпретации эксперимента, Высшая школа, 351 стр., 1989.
[12] Майзель С.О. Ратхер Е.С. Цветовые расчеты и измерения. М:Л:Госэнергоиздат 1941, (Труды всесоюзного электротехнического института, вып.56).
[13] P. Kronberg. Fernerkundung der Erde Ferdinand Enke. Verlag Stuthgart 1985.
Тогда решение задачи (28) можно представить в виде
где
Нетрудно убедиться, что задача на минимум (29) с условием физичности
имеет решение
Соответственно решение задачи (28) с условием физичности имеет вид
где
В ряде случаев для построения (34) полезно определить оператор F+: Rn-> Rn, действующий согласно формуле
где
Подытожим сказанное.
Теорема 4. Решение задачи (28) наилучшего в
Формой в широком смысле изображения, имеющего заданный набор цветов j1,..., jq на некоторых множествах положительной меры A1,...,Aq разбиение поля зрения можно назвать оператор
В заключение этого раздела вернемся к понятию формы изображения, заданного с точностью до произвольного, удовлетворяющего условиям физичности, преобразования яркости. Речь идет о форме изображения
Теорема 5. Решение
в котором
(
Определение. Формой изображения, заданного распределением цвета
или - проектор
Всякое изображение g(×), распределение цвета которого есть j(×) и только такое изображение содержится в
Поскольку на самом деле детали сцены, передаваемые распределением цвета j(×), не представлены на изображении f(×) = f(×)j(×) в той области поля зрения, в которой яркость f(x)=0, xÎX, будем считать, что
Замечание 5. Пусть j1,...,
jN
- наилучшее приближение f(×). Тогда в равенстве (24)
если A1,...,AN - исходное разбиение X в теореме 3. Наоборот, если A1,...,AN - заданное в теореме 3 разбиение X и f1,...,fN - собственные векторы операторов Ф1,...,ФN (23) соответственно, отвечающие максимальным собственным значениям, то f1,...,fN
Проверка этого замечания не представляет затруднений.
В. Случай, когда допускаются небольшие изменения цвета в пределах каждого Ai, i=1,...,N.
Разумеется, условие постоянства цвета на множествах Ai, i=1,...,N, на практике может выполняться лишь с определенной точностью. Последнюю можно повысить как путем перехода к более мелкому разбиению
в котором
Поскольку в задаче наилучшего приближения f(×) изображениями этого класса предстоит найти
из условия минимума невязки по
при дополнительном условии ортогональности
Лемма 5. Пусть
Тогда решение задачи (**) дается равенствами
Доказательство. Заметим, что, поскольку Фi - самосопряженный неотрицательно определенный оператор, его собственные значения неотрицательны, а его собственные векторы всегда можно выбрать так, чтобы они образовали ортогональный базис в Rn. Пусть Pi - ортогонально проецирует в Rn на линейную оболочку
[Pi Фi Pi] - сужение оператора Pi Фi Pi на
Воспользовавшись выражениями (*) и леммой 5, найдем, что в рассматриваемом случае имеет место утверждение, аналогичное теореме 3.
Теорема 3*. Наилучшее приближение любого изображения f(×) изображениями (17*) имеет вид
Где
Невязка наилучшего приближения равна
Рассмотрим теперь задачу наилучшего приближения изображения f(×) изображениями (17), в которых заданы и фиксированы векторы
При любом разбиении
где точки
Таким образом доказана
Теорема 6. Пусть
где ортогональный проектор
Замечание 5. Так как при
то условия (31), определяющие разбиение
показывающем, что множество
Теоремы 3 и 6 позволяют сформулировать необходимые и достаточные условия наилучшего приближения изображения f(×) изображениями (17), при котором должны быть найдены
Теорема 7. Для заданного изображения f(
×)
определим множества
определено равенством (32), в котором
Замечание 6. Следующая итерационная процедура полезна при отыскании
×) зададим
Формы
Теорема 7. Форма
f :
при этом
Доказательство. Так как для
Замечание. Так как
i(x) - выходной сигнал i-го детектора в точке
i(x)
³0 ,i=1,...,n, и, следовательно цвет
Для спектрозональных изображений характерна ситуация, при которой k детекторов регистрируют рассеянную объектами солнечную радиацию в диапазоне видимого света, а остальные n-k регистрируют собственное тепловое излучение объектов ( в инфракрасном диапазоне). В таком случае любое изображение можно представить разложением
В котором
Форма ИК компоненты f(×) может быть определена лишь тогда, когда известно множество возможных преобразований j2(×) f2(×).
Некоторые применения.
Задачи идентификации сцен.
Рассмотрим вначале задачи идентификации сцен по их изображения, неискаженным геометрическими преобразованиями, поворотами, изменениями масштаба и т.д. Ограничимся задачами, в которых предъявляемые для анализа изображения получены при изменяющихся и неконтролируемых условиях освещения и неизвестных и, вообще говоря, различных оптических характеристиках сцены.
1). Задачи идентификации при произвольно меняющейся интенсивности освещения.
Можно ли считать f(×) и g(×) изображениями одной и той же сцены, возможно, отличающимя лишь распределениями яркости, например, наличием теней?
В простейшем случае для идентификации достаточно воспользоваться теоремой 5, а именно, f(×) и g(×) можно считать изображениями одной и той же сцены, если существует распределение цвета
На практике удобнее использовать другой подход, позволяющий одновременно решать задачи совмещения изображений и выделения объектов. Можно ли, например, считать g(×) изображением сцены, представленной изображением f(×)? Ответ следует считать утвердительным, если
Здесь j(×) - распределение цвета на изображении f(×), символ ~0 означает, что значение d(g(×)) можно объяснить наличием шума, каких-либо других погрешностей, или, наконец, - наличием или, наоборот, отсутствием объектов объясняющим несовпадение g(×) и f(×) с точностью до преобразования распределения яркостей. Такие объекты, изменившие распределение цвета g(×) по сравнению с распределением цвета f(×), представлены в
2).Идентификация при произвольном изменении распределения интенсивности и пространственно однородном изменении спектрального состава освещения.
Можно ли считать изображением сцены, представленной на изображении f(×), изображение, полученное при изменившихся условиях регистрации, например, перемещением или изменением теней и изменением спектрального состава освещения?
Пусть П - форма в широком смысле изображения f(×), определенная в теореме @, П* - форма f(×). Тогда ответ на поставленный вопрос можно считать утвердительным, если
3). Задачи совмещения изображений и поиска фрагмента.
Пусть f(×) - заданное изображение, AÌX - подмножество поля зрения, cA(×) - его индикатор, cA(×)f(×) -назовем фрагментом изображения f(×) на подмножестве A, представляющем выделенный фрагмент сцены, изображенной на f(×). Пусть g(×) - изображение той же сцены, полученное при других условиях, в частности, например, сдвинутое, повернутое, т.е. геометрически искаженное по сравнению с f(×). Задача состоит в том, чтобы указать на g(×) фрагмент изображения, представляющий на f(×) фрагмент сцены и совместить его с cA(×)f(×).
Ограничимся случаем, когда упомянутые геометрические искажения можно моделировать группой преобразований R2->R2, преобразование изображения
Q(h): Rn->Rn, hÎH, - группа операторов. Векторный сдвиг на h¢ÎH даст
В задаче выделения и совмещения фрагмента рассмотрим фрагмент сдвинутого на h изображения g(×) в “окне” A:
причем, поскольку
Если кроме цвета g(×) может отличаться от f(×), скажем, произвольным преобразованием распределения яркости при неизменном распределении цвета и
При этом считается, что фрагмент изображения g(×), соответствующий фрагменту cA(×)f(×), будет помещен в “окно”.А путем соответствующего сдвига h=h*, совпадает с cA(×)f(×) с точностью до некоторого преобразования распределения яркости на нем. Это означает, что
т.е. в (101) при h=h* достигается минимум.
4). В ряде случаев возникает следующая задача анализа спектрозональных изображений: выделить объекты которые “видны”, скажем, в первом канале и “не видны” в остальных.
Рассмотрим два изображения
Пусть
Рис.1.
fe - вектор выходных сигналов детекторов, отвечающий излучению e(×), je - его цвет; j1,j2,j3, - векторы (цвета) базовых излучений, b - белый цвет, конец вектора b находится на пересечении биссектрис.
Литература.
[1] Пытьев Ю.П. Морфологические понятия в задачах анализа изображений, - Докл. АН СССР, 1975, т. 224, №6, сс. 1283-1286.
[2] Пытьев Ю.П. Морфологический анализ изображений, - Докл. АН СССР, 1983, т. 296, №5, сс. 1061-1064.
[3] Пытьев Ю.П. Задачи морфологического анализа изображений, - Математические методы исследования природных ресурсов земли из космоса, ред. Золотухин В.Г., Наука, Москва, 1984, сс. хххх-ххххх.
[4] Пытьев Ю.П., Чуличков А.И. ЭВМ анализирует форму изображения, - Знание,сер. Математика, Кибернентика, Москва, 1988, 47 стр.
[5] Yu.P.Pyt’ev. Morphological Image Analysis, Patt. Recogn. and Image Analysis, 1993, v.3, #1, pp.19-28.
[6] Антонюк В.А., Пытьев Ю.П. Спецпроцессоры реального времени для морфологического анализа реальных сцен. Обработка изображений и дистанционное исследования, -Новосибирск, 1981, сс. 87-89.
[7] Антонюк В.А., Пытьев Ю.П., Рау Э.И. Автоматизация визуального контроля изделий микроэлектроники,Радиотехника и электроника, 1985, т. ХХХ,№12, сс. 2456-2458.
[8] Ермолаев А.Г., Пытьев Ю.П. Априорные оценки полезного сигнала для морфологических решающих алглритмов, - Автоматизация, 1984, №5, сс. 118-120.
[9] Пытьев Ю.П, Задорожный С.С., Лукьянов А.Е. Об автоматизации сравнительного морфологического анализа электронномикроскопических изображений, - Изв. АН СССР, сер. физическая, 1977, т. 41, №11, сс. хххх-хххх.
[10] A.A. Stepanov, S.Yu. Zheltov, Yu.V. Visilter. Shape analysis using Pyt'ev morphological paradigm and its using in machine vision. Proc. SPIE - Th. Intern. Soc. For Optical Engineering Videometrics III, 1994, v. 2350, pp. 163-167.
[11] Пытьев Ю.П.. Математические методы интерпретации эксперимента, Высшая школа, 351 стр., 1989.
[12] Майзель С.О. Ратхер Е.С. Цветовые расчеты и измерения. М:Л:Госэнергоиздат 1941, (Труды всесоюзного электротехнического института, вып.56).
[13] P. Kronberg. Fernerkundung der Erde Ferdinand Enke. Verlag Stuthgart 1985.
[1] Например, в связи с изменением времени суток, погоды, времени года и т.п.
[2] Фрагмент морфологического анализа цветных изображений содержится в работе[3].
[3] вектор fe будет иметь отрицательные координаты, если он не принадлежит выпуклому конусу
[4]черта символизирует замыкание, - выпуклый замкнутый конус в Rn.
[5] Если - более детальное изображение , то некоторые A(j) могут “ращепиться” на несколько подмножеств A
¢(j
¢), на каждом из которых цвет постоянный, но различный на разных подмножествах A
¢(j
¢). Однако, поскольку форма обычно строится исходя из данного изображения f(
×), v(f(
×)) не может содержать изображения, которые более детально характеризуют изображенную сцену.
[6] Для простоты яркость изображения считается положительной в каждой точке поля зрения Х.
[7]- класс неотрицательных функций
принадлежащих .
[8]Одна и та же буква F использована как для оператора , так и для оператора . Эта вольность не должна вызывать недоразумения и часто используется в работе.
[9]Если m(As)=0, то в задаче наилучшего приближения (18) цвет и распределение яркости на As можно считать произвольными, поскольку их значения не влияют на величину невязки s.
[10]Векторы j1,...,
jq выбираются, например, сообразно цветам объектов, представляющих интерес.