Bildverarbeitung Herbstsemester. Mustererkennung

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1 Bildverarbeitung Herbstsemester Herbstsemester Mustererkennung 1

2 Inhalt Einführung Mustererkennung in Grauwertbildern Ähnlichkeitsmasse Normalisierte Korrelation Korrelationskoeffizient Mustererkennung in Binärbildern Direkter Vergleich Chamfer Matching 2

3 Lernziele Sie verstehen das grundlegende Verfahren der Mustererkennung für Graustufenbilder und Sie kennen geeignete Ähnlichkeitsmasse. Sie kennen den Korrelationsbegriff und sind in der Lage den Korrelationskoeffizienten richtig zu interpretieren. Bei der Mustererkennung für Binärbilder verstehen Sie die Schwierigkeiten des direkten Bildvergleichs und können Massnahmen zur Abhilfe nennen. Sie können den Chamfer-Matching-Algorithmus implementieren und kennen eine geeignete Variante zur Berechnung der Distanztransformation. 3

4 Einführung Ziel der Mustererkennung (Pattern Matching, PM) In einem gegebenen Bild soll ein vorgegebenes Muster (Pattern oder Template) lokalisiert werden. Generell gilt, dass das Muster kleiner oder gleich dem Bild ist. Einsatzgebiete Verfolgen (Tracking) von Objekten in einem Video Auffinden von gleichen Punkten in stereoskopischen Bildern Ansatz Muster übers Bild hinweg bewegen und an jeder Position die Ähnlichkeit zwischen Muster und entsprechendem Teilbild bestimmen Umgang mit linearen Abbildungen des Musters 4

5 Definitionen 5

6 PM in Grauwertbildern Gegeben Grauwertbild I(u,v) Referenzbild R(i, j) Ziel R in I lokalisieren, so dass optimale Übereinstimmung der entsprechenden Bildinhalte besteht Verschiebungsvektor (r, s) T bestimmen Probleme geeignetes Mass für die Ähnlichkeit zwischen zwei Teilbildern (z.b. PSNR) geeignete Suchstrategie, um die optimale Verschiebung möglichst rasch zu finden 6

7 Beispiel 7

8 Ähnlichkeitsmasse Summe der Differenzbeträge Maximaler Differenzbetrag Summe der quadratischen Abstände (euklid. Dist.) globale lineare Kreuzkorrelation 8

9 Beispiel: Ergebnisse (1) 9

10 Normalisierte Korrelation Praxis die Annahme, dass die Signalenergie annähernd gleichförmig im Bild verteilt ist, trifft oft nicht zu Korrelation ist von Intensitätsänderungen im Bild stark abhängig Normalisierte Kreuzkorrelation 10

11 Korrelationskoeffizient (1) Ziel Invarianz bezüglich der mittleren Helligkeit in Bildausschnitt und Referenzbild Einbezug der Mittelwerte 11

12 Korrelationskoeffizient (2) R K Vorteile dieser Darstellung Mittelwert und Standardabweichung des Referenzbildes müssen nur einmal vorgängig berechnet werden bei der Iteration durch den Bildausschnitt können sowohl beide Summen der Formel als auch der Mittelwert des Bildausschnittes gleichzeitig berechnet werden 12

13 Beispiel: Ergebnisse (2) g) sehr ähnlich zur Summe der quadratischen Abstände, da im Grunde das gleiche Mass h) bestes Ergebnis 13

14 Beispiel: Ergebnisse (3) 14

15 Drehung und Skalierung Achtung korrelationsbasierte PM-Methoden reagieren nicht adäquat auf skalierte und rotierte Muster kommen nur ganz wenige Grössen und Drehungen des Musters vor, können diese wie eigenständige Muster behandelt werden kombinatorische Explosion 15

16 PM in Binärbildern Direkter Vergleich von Bildausschnitt und Muster korrelationsbasierte Verfahren sind problematisch, weil die Abstandsfunktion zur Bestimmung der Intensitätsdifferenz in Binärbildern ein unangenehmes Verhalten mit vielen Spitzenwerten aufweist 16

17 Problematik und Ansatz Problem fehlende kontinuierliche Intensitätsverläufe Ansatz aus Binärbild ein Graustufenbild mit glatten Verläufen erzeugen die Helligkeit ausgehend von einem schwarzen Originalpixel soll mit der Distanz kontinuierlich zunehmen 17

18 Distanztransformation Definitionen Algorithmen naiver Ansatz von jedem Pixel p aus den nächstliegenden Vordergrundpixel p' suchen, wobei in konzentrischen, grösser werdenden Kreisen um p herum gesucht wird Chamfer-Algorithmus 18

19 Chamfer-Algorithmus Idee wellenförmige Ausbreitung der Distanzwerte Initialisierung D(u,v) := (I(u,v) = 1)? 0 : Algorithmus erste Welle breitet sich von links oben nach rechts unten aus if D(u,v) > 0 then D(u,v) := min( D(u+i,v+j) + M L (i,j) ) zweite Welle breitet sich von rechts unten nach links oben aus if D(u,v) > 0 then D(u,v) := min( D(u+i,v+j) + M R (i,j) ) 0 19

20 Chamfer Matching (1) Ähnlichkeitsmass 20

21 Chamfer Matching (2) Schritt 3 Minimum suchen 21

22 Chamfer Matching Beispiel 22

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