第八章目標表達和描述技術

第八章目標表達和描述技術第一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第2頁第8章目標表達和描述技術第二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第3頁知識庫特征表示與描述預處理分割低級處理高級處理中級處理識別與解釋結(jié)果圖像獲取問題圖像分析系統(tǒng)的構成

第三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第4頁8.1概述第四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第5頁概述圖像表示分成邊界表示（如鏈碼、邊界分段等）和區(qū)域表示（如四叉樹、骨架等）兩大類。邊界表示關心的是圖像中區(qū)域的形狀特征區(qū)域表示則傾向于反映區(qū)域的灰度、顏色、紋理等特征的特點圖像表示與描述是圖像識別和理解的重要組成部分第五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第6頁目標：在圖像分析應用中人們感興趣的圖像中的某些區(qū)域。表達：對目標的表示方法內(nèi)部表達：反射性質(zhì)（灰度、顏色、紋理）外部表達：形狀描述：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(zhì)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)域描述關系表達對描述起重要作用，限定了描述的精確性表達側(cè)重于數(shù)據(jù)結(jié)構，描述側(cè)重于區(qū)域特征及區(qū)域間的關系第六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四8.1輪廓的鏈碼表達8.2輪廓線段的近似表達8.3邊界標記8.4目標的層次表達8.5目標的骨架表達8.6運動表達8.7目標輪廓的傅里葉描述形態(tài)學描述第7頁第七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四

基于邊界的表達邊界表達邊界點集合參數(shù)邊界曲線逼近標志點鏈碼邊界段邊界標記多邊形第八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四基于區(qū)域的表達第九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第10頁8.1輪廓的鏈碼表達第十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第11頁

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表示形式。(1)鏈碼：對邊界的一種重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示目標邊界的方法。8.1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。

第十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第12頁選邊界上一點(用坐標表示)作為起點，其它點用方向數(shù)來表示：AA:657071324301234567八方向第十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第13頁鏈碼舉例：4-鏈碼：000033333322222211110011第十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第14頁鏈碼132201223111100777776655555444443第十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第15頁鏈碼算法：給每一個線段邊界一個方向編碼。常用有4-鏈碼和8-鏈碼兩種編碼方法。從起點開始，沿邊界編碼，至起點被重新碰到，結(jié)束一個對象的編碼。第十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第16頁起點問題對同一邊界，如果用不同的邊界點作為鏈碼起點，得到的鏈碼是不同的。例如：以A為起點，鏈碼為：A:10103322以B為起點，鏈碼為：

B:03322101ABC第十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第17頁鏈碼

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)的值最小第十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第18頁鏈碼問題2：2）由于角度的不同，造成編碼的不同改進2：2）通過使用鏈碼的一階差代替碼子本身的方式第十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第19頁鏈碼

鏈碼旋轉(zhuǎn)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）這個差分可用相鄰兩個方向數(shù)相減得到

第十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第20頁形狀數(shù)：值最小(鏈碼)的差分碼形狀數(shù)

0303313303033133第二十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第21頁鏈碼問題3：1）鏈碼相當長。2）噪音會產(chǎn)生不必要的鏈碼。改進1：1）加大網(wǎng)格空間。2）依據(jù)原始邊界與結(jié)果的接近程度，來確定新點的位置。第二十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第22頁鏈碼舉例：4-鏈碼：0033322211014-鏈碼：000033333322222211110011第二十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第23頁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。如果邊界的本身對于旋轉(zhuǎn)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如果用鏈碼后，對象只要用1)起點坐標，2)周長（邊界點數(shù)）3)鏈碼，4)對象編號，就可以描述。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----應用背景：第二十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第24頁8.2輪廓線段的近似表達第二十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第25頁實際中的數(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)則處常對用鏈媽進行的輪廓表達產(chǎn)生較明顯的干擾影響。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。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。常用的多邊形表達方法有3種：（1）基于收縮的最小周長多邊形法（2）基于聚合的最小均方誤差線段逼近法（3）基于分裂的最小均方誤差線段逼近法第二十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第26頁1、最小周長多邊形第二十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第27頁P225例8.2.1基于收縮的最小周長多邊形第二十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第28頁2、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。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。 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

第二十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第29頁P225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

第二十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第30頁3、分裂逼近多邊形先連接輪廓上相距最遠的2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，直到擬合誤差滿足一定限度。P225例8.2.3P226例8.2.4第三十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四8.3邊界標記第31頁第三十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第13章邊界標記

產(chǎn)生邊界標記的方法很多，基本思想都是借助不同的投影技術把2-D的邊界用1-D的較易描述的函數(shù)形式來表達 可把2-D形狀描述的問題轉(zhuǎn)化為對1-D波形進行分析的問題 投影并不是一種能保持信息的變換，將2-D平面上的區(qū)域邊界變換為1-D的曲線是有可能丟失信息的

第三十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第13章邊界標記 1、距離為角度的函數(shù) 先對給定的目標求出重心，然后做出邊界點與重心的距離為角度的函數(shù)

這種標記不受目標平移影響，但會隨目標旋轉(zhuǎn)或放縮而變化

第三十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第34頁Arr()2A第三十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第13章邊界標記 2、ψ-s曲線

沿邊界圍繞目標一周，在每個位置作出該點切線，該切線與一個參考方向（如橫軸）之間的角度值就給出一種標記第三十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四3、斜率密度函數(shù)斜率密度函數(shù)可看做將ψ-s曲線沿ψ軸投影的結(jié)果。P228圖8.3.3第36頁第三十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四4、距離為弧長的函數(shù)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離作為邊界點序列的函數(shù)就得到一種標記。P228圖8.3.4第37頁第三十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四8.4目標的層次表達第38頁第三十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四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，每個子集合又可繼續(xù)分解，直至每個元素。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(jié)構來表達目標的方法。四叉樹二叉樹第39頁第三十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四四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2的整數(shù)次冪時四叉樹法最適用。第40頁第四十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第13章1、四叉樹 所有的結(jié)點可分成3類：①目標結(jié)點（用白色表示）；②背景結(jié)點（用深色表示）；③混合結(jié)點（用淺色表示） 樹根對應整幅圖，而樹葉對應各單個像素或具有相同特性的像素組成的方陣第四十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第42頁第12章目標表達與描述(2)四叉樹：適用于對方形圖像采用分裂與合并方法進行分割的情況E原始圖像ABC一次分裂E白色表示目標黑色表示背景藍色表示背景混合AC二次分裂B1B2B3B4D1D2D3D4B1B2B3B4D1D2D3D4DABCD第四十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四2、二叉樹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。P231圖8.4.2第43頁第四十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第四十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四8.1輪廓的鏈碼表達8.2輪廓線段的近似表達8.3邊界標記8.4目標的層次表達8.5目標的骨架表達形態(tài)學描述8.6運動表達8.7目標輪廓的傅里葉描述第45頁理解第四十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四8.5目標的骨架表達第46頁第四十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四8.5 目標的骨架表達1、骨架和骨架點

一種簡化的目標區(qū)域表達方法

第四十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第48頁骨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個骨架點。第四十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第13章骨架

骨架可用一個區(qū)域點與一個點集的最小距離來定義

每個骨架點都保持了其與邊界點距離最小的性質(zhì)，所以如果用以每個骨架點為中心的圓的集合，就可恢復出原始的區(qū)域來第四十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第13章2、二值目標區(qū)域骨架算法（目標標為1，背景標為0）考慮以輪廓點為中心的8-鄰域，記中心點為 p1 (1.1)2≤N(p1)≤6 (1.2)S(p1)=1 (1.3)p2.

p4.

p6=0(2.3)p2.

p4.

p8=0 (1.4)p4.

p6.

p8=0(2.4)p2.

p6.

p8=0對所有輪廓點都檢查完畢后，將所有標記了的點都除去。第五十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第51頁第12章目標表達與描述例子：0000000001111110011111100111111000001110000011100000111000000000000000000×1111×0011111×00×××11×0000011×0000011×00000×××000000000步驟(1)作標記第五十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第52頁第12章目標表達與描述0000000000111100011111000000110000001100000011000000000000000000刪除步驟(1)作標記的點0000000000××××000×1111000000×1000000×1000000××000000000000000000步驟(2)作標記第五十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第53頁第12章目標表達與描述0000000000000000001111000000010000000100000000000000000000000000刪除步驟(2)作標記的點第五十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第五十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第55頁P233例8.5.2第五十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第56頁形態(tài)學描述第五十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第57頁基本概念基本思想是用一個結(jié)構元素（Structureelement）作為基本工具去探測和提取圖像特征，看這個結(jié)構元素是否能夠適當有效的放入圖像內(nèi)部。數(shù)學形態(tài)學以幾何學為基礎對圖像進行分析第五十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第58頁基本概念數(shù)學形態(tài)學的基本運算膨脹（dilation）腐蝕（erosion）開啟（opening）閉合（closing）第五十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第59頁膨脹和腐蝕圖10.21B對A的膨脹運算過程膨脹第五十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第60頁第六十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第61頁膨脹和腐蝕腐蝕圖7.23集合對集合的腐蝕運算過程

第六十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第62頁第六十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第63頁第六十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四0011111011111001111101111100001010100（a）（b）圖b為結(jié)構元素，對目標進行膨脹和腐蝕（0為背景）第六十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第65頁開啟和閉合第六十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第66頁第六十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第67頁8.6運動表達第六十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第68頁1、運動分類局部運動（前景運動）：指目標在場景中的自身運動全局運動（背景運動、攝像機運動）：由進行拍攝的攝像機的運動所造成的幀圖像內(nèi)所有點的整體移動第六十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四

全局運動由攝像機的運動而產(chǎn)生8.6 運動表達第六十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四

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 運動表達第七十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四

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 運動表達第七十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第72頁8.7目標輪廓的傅里葉描述第七十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期四第73頁第12章目標表達與描述傅立葉形狀描述子:

描述閉合邊界的一種方法，且僅適用于單閉合曲線

具體的做法：假定某目標物的區(qū)域邊界由Q個像素組成，把這個區(qū)域看成是在復平面內(nèi)，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f(i)，對此序列進行離散傅立葉變換，可得