第八章目标表达和描述技术教材

1、1数字图像处理第2页第3页知识库知识库特征表示与描述特征表示与描述预处理预处理分割分割低级处理高级处理中级处理识别识别与与解释解释结果图像获取图像获取问题第4页第5页第6页n目标目标：在图像分析应用中人们感兴趣的图像中的某些区域。n表达表达：对目标的表示方法 内部表达：反射性质（灰度、颜色、纹理） 外部表达：形状n描述描述：抽象的表示目标 用一组数量或符号(描述子)来表征图像中被描述物体的某些特征，可以是对图像中各组成部分的性质的描述，也可以是各部分彼此间的关系的描述。 边界描述和区域描述n关系关系 表达对描述起重要作用，限定了描述的精确性 表达侧重于数据结构，描述侧重于区域特征及区域间的关系

2、n8.1 轮廓的链码表达轮廓的链码表达n8.2轮廓线段的近似表达轮廓线段的近似表达n8.3边界标记边界标记n8.4目标的层次表达目标的层次表达n8.5目标的骨架表达目标的骨架表达n8.6运动表达运动表达n8.7目标轮廓的傅里叶描述目标轮廓的傅里叶描述n形态学描述形态学描述第7页n 边界表达边界表达边界点集合边界点集合参数边界参数边界曲线逼近曲线逼近标志点标志点链码链码边界段边界段边界标记边界标记多边形多边形基于区域的表达基于区域的表达第10页n8.1 轮廓的链码表达轮廓的链码表达第11页 在分割过程中当确定了边界后，边界表达就是基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

3、表示形式。于边界的像素点对目标的表示形式。(1)(1)链码：对边界的一种编码表示方法链码：对边界的一种编码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。示目标边界的方法。n8.1 轮廓的链码表达轮廓的链码表达每个线段的长度固定而方向数目取为有限，所以只有边界的起点需用（绝对）坐标表示，其余点都可只用接续方向来代表偏移量。 第12页选边界上一点选边界上一点(用坐标表示用坐标表示)作为起点，其它点用方作为起点，其它点用方向数来表示：向数来表示：AA:657071324301234567八方向第13页n链码举例：链码

4、举例：4-链码：链码：000033333322222211110011第14页链链 码码132201223111100 777776655555444443第15页n链码链码 算法：算法：给每一个线段边界一个方向编码。给每一个线段边界一个方向编码。常用有常用有4-链码和链码和8-链码两种编码方法。链码两种编码方法。从起点开始，沿边界编码，至起点被重新从起点开始，沿边界编码，至起点被重新碰到，结束一个对象的编码。碰到，结束一个对象的编码。第16页起点问题起点问题 对同一边界，如果用不同的边界点作为链码起点，得到对同一边界，如果用不同的边界点作为链码起点，得到的链码是不同的。的链码是不同的。 例如

5、：例如：以以A为起点，链码为：为起点，链码为：A: 10103322以以B为起点，链码为：为起点，链码为： B: 03322101ABC第17页链码链码链码起点归一化链码起点归一化把链码看作一个由各方向数构成的自然数。将这些方向数依一个方向循环以使它们所构成的自然数的值最小第18页n链码链码 问题问题2：2）由于角度的不同，造成编码的不同）由于角度的不同，造成编码的不同 改进改进2：2）通过使用链码的一阶差代替码子本身的方）通过使用链码的一阶差代替码子本身的方式式第19页链码链码链码旋转归一化链码旋转归一化利用链码的一阶差分来重新构造一个序列（一个表示原链码各段之间方向变化的新序列）这个差分可

6、用相邻两个方向数相减得到 第20页形状数形状数：一种轮廓形状描述符，值最小：一种轮廓形状描述符，值最小(链码链码)的差分码的差分码形状数形状数 0 3 0 3 3 1 3 3 第21页n链码链码 问题问题3：1）链码相当长。）链码相当长。2）噪音会产生不必要的链码。）噪音会产生不必要的链码。 改进改进1：1）加大网格空间。）加大网格空间。2）依据原始边界与结果的接近程度，来确）依据原始边界与结果的接近程度，来确定新点的位置。定新点的位置。第22页n链码举例：链码举例：4-链码：链码：0033322211014-链码：链码：000033333322222211110011第23页n链码具有平移不

7、变性，即当边界平移时，其链码不发生改变。链码具有平移不变性，即当边界平移时，其链码不发生改变。n如果边界的本身对于旋转和比例修改来说是无变化的，使用链码如果边界的本身对于旋转和比例修改来说是无变化的，使用链码才是正确的。一般来说这是不可能的，实际应用时还需要改进才是正确的。一般来说这是不可能的，实际应用时还需要改进n如果用链码后，对象只要用如果用链码后，对象只要用1)1)起点坐标，起点坐标，2)2)周长（边界点数）周长（边界点数）3)3)链码，链码，4)4)对象编号，就可以对象编号，就可以描述描述。n链码一般用于一幅图像中有多个对象的情况，对单个对象不适用链码一般用于一幅图像中有多个对象的情况

8、，对单个对象不适用。第24页n8.2 轮廓线段的近似表达轮廓线段的近似表达第25页n实际中的数字轮廓常由于噪声、采样等的影响而有实际中的数字轮廓常由于噪声、采样等的影响而有许多较小的不规则处。这些不规则处常对用链妈进许多较小的不规则处。这些不规则处常对用链妈进行的轮廓表达产生较明显的干扰影响。行的轮廓表达产生较明显的干扰影响。n一种抗干扰性能更好，且更节省表达所需数据量的一种抗干扰性能更好，且更节省表达所需数据量的方法是用多边形近似逼近轮廓。方法是用多边形近似逼近轮廓。n实际中多边形表达的目的常是要用尽可能少的线段实际中多边形表达的目的常是要用尽可能少的线段来代表轮廓并保持轮廓的基本形状。来代

9、表轮廓并保持轮廓的基本形状。n常用的多边形表达方法有常用的多边形表达方法有3种：种：n（1）基于收缩的最小周长多边形法）基于收缩的最小周长多边形法n（2）基于聚合的最小均方误差线段逼近法）基于聚合的最小均方误差线段逼近法n（3）基于分裂的最小均方误差线段逼近法）基于分裂的最小均方误差线段逼近法第26页第27页P225 例例8.2.1 基于收缩的最小周长多边形基于收缩的最小周长多边形第28页2、聚合逼近多边形、聚合逼近多边形沿轮廓依次连接像素。先选1个轮廓点为起点，用直线依次连接该点与相邻的轮廓点。分别计算各直线与轮廓的（逼近）拟合误差，把误差超过某个限度前的线段确定为多边形的1条边并将误差置零

10、。然后以线段另一端点为起点继续连接轮廓点，直至绕轮廓1周。这样就得到1个轮廓的近似多边形。abcdefghijk先从点a出发，依次做直线ab，ac，ad，ae等。对从ac开始的每条线段计算前一边界点与线段的距离作为拟合误差 第29页abcdefghijkP225 例8.2.2 先从点a出发，依次做直线ab，ac，ad，ae等。对从ac开始的每条线段计算前一边界点与线段的距离作为拟合误差 第30页n3、分裂逼近多边形、分裂逼近多边形n先连接轮廓上相距最远的先连接轮廓上相距最远的2个像素（把轮廓分成两部分），个像素（把轮廓分成两部分），然后根据一定准则进一步分解轮廓，构成多边形逼近轮廓，然后根据一

11、定准则进一步分解轮廓，构成多边形逼近轮廓，直到拟合误差满足一定限度。直到拟合误差满足一定限度。nP225 例例8.2.3n8.2轮廓线段的近似表达轮廓线段的近似表达w 分裂逼近多边形w将轮廓依次分段将轮廓依次分段w 第一步先做第一步先做ag， 计算计算diw和和hj。进一步计算。进一步计算b，c，e，wf 等各轮廓点与各相应直线等各轮廓点与各相应直线w的距离的距离 n8.3 边界标记边界标记第32页第13章第13章第35页A r r( )2 A第13章n3、斜率密度函数、斜率密度函数n斜率密度函数可看做将斜率密度函数可看做将-s曲线沿曲线沿轴投影的结果。轴投影的结果。nP228 图图8.3.3

12、第37页n4、距离为弧长的函数、距离为弧长的函数n基于边界的标记可通过从一个点开始沿边界围绕目基于边界的标记可通过从一个点开始沿边界围绕目标逐渐做出来。如果将各个边界点与目标重心的距标逐渐做出来。如果将各个边界点与目标重心的距离作为边界点序列的函数就得到一种标记。离作为边界点序列的函数就得到一种标记。nP228 图图8.3.4第38页n8.4 目标的层次表达目标的层次表达第39页n目标可以看做是所有组成目标区域像素的集合，从目标可以看做是所有组成目标区域像素的集合，从集合的观点来看，集合可分解为子集合，每个子集集合的观点来看，集合可分解为子集合，每个子集合又可继续分解，直至每个元素。合又可继续

13、分解，直至每个元素。n目标的层次表达就是根据这种思路，利用金字塔式目标的层次表达就是根据这种思路，利用金字塔式的数据结构来表达目标的方法。的数据结构来表达目标的方法。n四叉树四叉树n二叉树二叉树第40页n四叉树表达法在分解时每次将图像一分为四。当图四叉树表达法在分解时每次将图像一分为四。当图像是方形的，且像素个数是像是方形的，且像素个数是2的整数次幂时四叉树法的整数次幂时四叉树法最适用。最适用。第41页第13章C0级1级2级1245BDEA3678D31245ABE678C0级2级1级白灰黑AC第43页第12章 目标表达与描述(2)四叉树：四叉树：适用于对方形图像采用分裂与合并方法进行分适用于

14、对方形图像采用分裂与合并方法进行分割的情况割的情况E原始图像原始图像A BC一次分裂一次分裂E白色表示目标白色表示目标黑色表黑色表示背景示背景蓝色表示背景混合蓝色表示背景混合AC二次分裂二次分裂B1B2B3B4D1D2D3D4B1B2B3B4D1D2D3D4D DABCDn2、二叉树、二叉树n二叉树表达法在分解时每次将图像一分为二。二叉二叉树表达法在分解时每次将图像一分为二。二叉树可以看做是四叉树的一种变形。树可以看做是四叉树的一种变形。nP231 图图8.4.2第44页n8.1 轮廓的链码表达轮廓的链码表达n8.2轮廓线段的近似表达轮廓线段的近似表达n8.3边界标记边界标记n8.4目标的层次

15、表达目标的层次表达n8.5目标的骨架表达目标的骨架表达n8.6运动表达运动表达n8.7目标轮廓的傅里叶描述目标轮廓的傅里叶描述n形态学描述形态学描述第45页n8.5 目标的骨架表达目标的骨架表达第46页8.5 目标的骨架表达目标的骨架表达w 1 1、骨架和骨架点、骨架和骨架点一种简化的目标区域表达方法 第48页骨骨 架架中轴变换是一种用来确定物体骨架的细化技术。（草场火技术）中轴变换方法（MAT） 具有轮廓B的区域R的MAT是如下确定的。对每个R中的点P，在B中搜寻与它最近的点。如果对P能找到多于1个这样的点（即有2个或以上的B中的点与P同时最近），就可以认为P属于R的中线或骨架，或者说P是1

16、个骨架点。 R B p 第13章 R B p s( , )inf ( , )|dp Bd p zzBn8.5目标的骨架表达w 骨架算法(1)考虑以轮廓点为中心的考虑以轮廓点为中心的8-邻域，记中心点为邻域，记中心点为p1，其邻域的，其邻域的8个点顺时针绕中心点分别记个点顺时针绕中心点分别记为为p2, p3, , p9，其中，其中p2在在p1上方上方首先标记同时满足下列条件的轮廓点：首先标记同时满足下列条件的轮廓点： (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目标的骨架表达w 骨架算法(2)同第同第(1)

17、步，仅改两个条件步，仅改两个条件 n(2.3)p2 p4 p8 = 0n(2.4)p2 p6 p8 = 0 第13章（目标标为1，背景标为0）考虑以考虑以轮廓点为中心的轮廓点为中心的8-邻域，记中心点为邻域，记中心点为p1 p4 P1 p2 p5 p6 p7 p8 p9 p3 110000001111110101111010000111010000111000000对所有轮廓点都检查完毕后，将所有标记了的点都除去。对所有轮廓点都检查完毕后，将所有标记了的点都除去。第53页第12章 目标表达与描述例子例子：000000000111111001111110011111100000111000001

18、1100000111000000000000000000 1111 0011111 00 11 0000011 0000011 00000 000000000步骤步骤(1)(1)作标记作标记第54页第12章 目标表达与描述0000000000111100011111000000110000001100000011000000000000000000删除步骤删除步骤(1)(1)作标记的点作标记的点0000000000 000 1111000000 1000000 1000000 000000000000000000步骤步骤(2)(2)作标记作标记第55页第12章 目标表达与描述000000000

19、0000000001111000000010000000100000000000000000000000000删除步骤删除步骤(2)(2)作标记的点作标记的点第57页第58页第59页w 全局运动全局运动由摄像机的运动而产生8.6 运动表达运动表达w 全局运动全局运动常采用参数模型的方法来描述6参数仿射模型运动矢量场表示8.6 运动表达运动表达w 局部运动局部运动常对应场景中目标的运动比较复杂多样，可采用紧凑表达方式8.6 运动表达运动表达第63页第64页第12章 目标表达与描述傅立叶形状描述子傅立叶形状描述子: : 描述描述闭合边界闭合边界的一种方法，且仅适用于单闭合曲线的一种方法，且仅适用于

20、单闭合曲线 具体的做法：具体的做法：假定某目标物的区域边界由假定某目标物的区域边界由Q个像素组成，把个像素组成，把这个区域看成是在复平面内，每个点可定义一个复数。从边界这个区域看成是在复平面内，每个点可定义一个复数。从边界上任一点开始，按逆时针方向沿线逐点写出一个复数序列上任一点开始，按逆时针方向沿线逐点写出一个复数序列f(i)，对此序列进行离散傅立叶变换，可得该边界在频域的表示对此序列进行离散傅立叶变换，可得该边界在频域的表示F(w)。这些傅立叶系数称为这些傅立叶系数称为边界的傅立叶描述子边界的傅立叶描述子。从这些傅立叶系数。从这些傅立叶系数中可知边界变化的剧烈程度。在目标描述和识别中通常只使用中可知边界变化的剧烈程度。在目标描述和识别中通常只使用F(w)的幅值。的幅值。8.7 目标轮廓的傅里叶描述w 轮廓的傅里叶描述轮廓的傅里叶描述 将2-D的问题简化为1-D的问题 两种表示：在空间平面XY上在复平面UV上8.7 目标轮廓的傅里叶描述w 轮廓的傅里叶描述轮廓的傅里叶描述 轮廓傅里叶描述的傅里叶反变换 只利用S(w)的前M个系数 为重建轮廓点所用的频率项少了第67页傅里叶描述子傅里叶描述子（a）字母H （b）边界图 （c）全部傅立叶 （d）采用225项第68页傅里叶描述子傅里叶描述子 （e）采用45项 （f）采用27项 （