第七章图像特征分析课件

1第七章 图像特征分析 信息与通信工程学院 张洪刚 1第七章 图像特征分析 2目标的表达和描述l图像分析的一个主要工作要从图像中获得目标特征的量值l这些量值的获取常借助于对图像分割后得到的分割结果，对目标特征的测量利用分割结果进一步从图像中获取有用信息l两个关键问题：1、选用什么特征来描述目标 2、如何精确的测量这些特征2目标的表达和描述图像分析的一个主要工作要从图像中获得目标3图像中的区域(目标)，可用其内部(如组成区域的象素集合)表示，也可用其外部(如组成区域边界的象素集合)表示关心区域的反射性质如灰度、颜色、纹理等关心区域的形状等选定了表达方法，还需要对目标进行描述，使计算机能充分利用所能获得的分割结果表达是直接具体的表示目标，好的表达方法应具有节省存储空间、易于特征计算等优点描述是较抽象的表示目标。好的描述应在尽可能区别不同目标的基础上对目标的尺度、平移、旋转等不敏感3图像中的区域(目标)，可用其内部(如组成区域的象素集合)表拓扑特性-像素的邻接和连通 相邻像素及编码定义定义 一个像素的4邻接像素包括它的上下左右四个像素，如上图中的编码为0,2,4,6的四个像素。而8邻接像素则为它的所有8个像素。邻接和连通：(a)4邻接；(b)8邻接；(c)八连通边界；(d)四连通边界 4拓扑特性-像素的邻接和连通 相邻像素及编码定义 一个像素的4l从象素i0,j0到象素in,jn的路径(path)是指一个象素序列(i0,j0,i1,j1 in,jn)其中象素ik,jk和象素ik+1,jk+1互为邻点，如果邻点关系是4连通的，则路径是4路径；如果是8连通的，则称为8路径拓扑特性-路径5从象素i0,j0到象素in,jn的路径(path)是l已知象素 p,q 属于S，如果存在一条从 p 到 q 的路径，且路径上的全部象素都包含在 S 中，则称 p 与q 是连通的l连通性(connectivity)是等价关系对属于S的任意三个象素p,q,r1.象素p与p本身连通(自反性)2.如果p与q连通，则q与p连通(互换性)3.如果p与q连通且q与r连通,则p与r连通(传递性)拓扑特性-连通性6已知象素 p,q 属于S，如果存在一条从 p 到 q 的路 设 二 值图像中物体点的集合为 S，则其它象素构成 S 的补集 Sc，设物体的边缘点包含在 Sc 中，则 Sc 的某个连通分量构成了背景。若存在 Sc 的其它连通分量，则一定处于 S 的某个连通分量之中，称为孔。S 中有孔的连通分量称为复连通，没有孔的称为单连通。拓扑特性-单连通和复连通7 设 二 值图像中物体点的集合为 S，则其它象对象和背景连通性的关系通常对 S 和 Sac 采用不同的连通性定义，即一个采用 4 连通，另一个采用 8 连通。8对象和背景连通性的关系通常对 S 和 Sac 采用不同的连通距离距离是象素间重要的几何特征，距离有三条基本性质必须保证：非负性：d(p,q)0对称性：d(p,q)d(q,p)三角不等式：d(p,q)d(p,r)+d(r,q)欧氏距离街区距离棋盘距离距离的定义9距离距离是象素间重要的几何特征，距离有三条基本性质必须保证：距离(a)棋盘距离 (b)街区距离 (c)欧氏距离 不同的距离定义，其描述的区域大小、形状不同如 p 为常数，满足 d(p,x)t 的 x 构成的区域 10距离(a)棋盘距离 (b)街区距离 轮廓的表达-链码链码是对边界点的一种编码表示方法，利用一系列具有特定长度和方向的相连的直线段表示目标的边界。4 方向链码8 方向链码01230123012345670123456711轮廓的表达-链码链码是对边界点的一种编码表示方法，利用一系列轮廓的表达-链码链码描述可能的问题：链码长度可能很长链码可能受噪声干扰链码的归一化处理：将按任一点开始的码链看成一个自然数，最小的一个为归一化码链03322101原链码1 0 1 0 3 3 2 2归一化链码0 1 0 3 3 2 2 1起点归一化012312轮廓的表达-链码链码描述可能的问题：链码长度可能很长链码可能链码的平移和旋转目标平移：链码不发生变化目标旋转：链码发生变化，为此用差分码(方向数之差)进行检测033221011 0 1 0 3 3 2 2左转90o，差分链码不变3 3 1 3 3 0 3 02 1 2 1 0 0 3 33 3 1 3 3 0 3 0差分链码03322101(2)(3)13链码的平移和旋转目标平移：链码不发生变化目标旋转：链码发生变多边形：一系列线段的封闭集合，若多边形的边数与边界的点数相等，可以精确表达边界基于收缩的最小周长多边形基于聚合(merge)的最小均方误差线段逼近基于分裂(split)的最小均方误差线段逼近多边形14多边形：一系列线段的封闭集合，若多边形的边数与边界的点数相基于收缩的最小周长多边形15基于收缩的最小周长多边形15基于聚合(merge)的最小均方误差线段逼近基于分裂(split)的最小均方误差线段逼近16基于聚合(merge)的最小均方误差线段逼近基于分裂(spl区域的表达骨架(Skeletal)应用形态学的腐蚀和开运算可以得到骨架，也可以由中轴变换(Medial Aixs Transform,MAT)得到骨架17区域的表达骨架(Skeletal)应用形态学的腐蚀和开运算MAT对具有边界 B 的区域 R 的MAT是：对每个R中的点 P，在B中搜寻与它最近的点：若能够在 B 中找到多于一个与 P 距离相等的点，则确定 P 属于 R 的中线或骨架。18MAT对具有边界 B 的区域 R 的MAT是：对每个R中的点19由骨架可以重建所描述的区域。19由骨架可以重建所描述的区域。边界的长度21l边界的长度是所包围区域的周长 l轮廓点P都应满足2个条件:(1)P 本身属于区域 R;(2)P 的邻域内存在不属于 R 的像素，21边界的长度21边界的长度是所包围区域的周长 21边界的长度22|B|=18|B|=16.822边界的长度22|B|=18|B|=16.82边界的直径l边界的直径是边界上相隔最远的两点之间的距离 23边界的直径边界的直径是边界上相隔最远的两点之间的距离 23边界的形状数形状数是取值最小的归一化差分链码，形状数序列的长度称为其对应的阶(order),对闭合曲线，阶总是偶数，对于凸形区域，阶也对应于边界外接矩形的周长。链码：1 1 0 1 0 0 3 0 0 0 3 3 2 2 3 2 2 2 1 2差分码：3 0 3 1 3 0 3 1 0 0 3 0 3 0 1 3 0 0 3 1形状数：0 0 3 0 3 0 1 3 0 0 3 1 3 0 3 1 3 0 3 124边界的形状数形状数是取值最小的归一化差分链码，形状数序列的长 形状数提供了一种有用的形状度量方法，它对每个阶是唯一的，不随边界的旋转、平移和尺度变化而改变。形状数还提供了一种使形状可以比较的度量，如:可以比较两个区域的形状。边界的形状数25 形状数提供了一种有用的形状度量方法，它对每个边界的标记标记是边界的一维函数表达方式，基本思想是把一个二维边界退化为一维函数表示l标记不受边界平移的影响，但与边界的尺度变化和旋转有关，可以通过幅度归一化来处理。l尺度变化造成的影响是标记的幅度值发生变化。l解决旋转影响有:1.选离重心点最远的点作为标记起始点。2.以主轴上离重心最远的点作为起始点。26边界的标记标记是边界的一维函数表达方式，基本思想是把一个二维傅立叶描述符X,UX,UY,VY,V(xk,yk)uk+jvks(k)=u(k)+jv(k);k=0,1,N-1其离散傅立叶变换：利用 s(w)的前 M 个系数，可以近似 s(k)由于傅立叶变换的高频分量对应一些细节，而低频分量对应大体形状，因此可以用少数低频系数来近似描述边界形状。利用傅立叶变换的性质，可以对平移、旋转、尺度等变化进行描述。k27傅立叶描述符X,UY,V(xk,yk)uk+jvks(傅立叶描述符28傅立叶描述符28付立叶描述符29付立叶描述符29区域的描述区域面积区域重心区域灰度象素计数最大值、最小值、中值、平均值、方差、高阶矩等简单描述幅值特征:1.平均幅值2.方差幅值统计特征:直方图特征幅值分布特征:l矩l投影30区域的描述区域面积区域重心区域灰度象素计数最大值、最小值、中l欧拉数就是一种区域的拓扑描述符，描述的是区域的连通性。对一个给定平面区域来说，区域内的连通组元的个数 C 和区域内孔的个数 H 都是常用的拓扑性质，它们可以进一步用来定义欧拉数E,l E=C-H区域的描述31欧拉数就是一种区域的拓扑描述符，描述的是区域的连通性。对一个形状参数形状参数(form factor)F是根据区域的周长和区域的面积计算出来的一个连续区域为圆形时，F=1,当区域为其它形状时，F大于1形状参数在一定程度上描述了区域的紧凑性，它没有量纲，所以对区域尺度的变化不敏感，除了由于离散区域旋转带来的误差，它对旋转也不敏感。32形状参数形状参数(form factor)F是根据区域的周长区域的形状和形状参数有一定的联系，但又不是一一对应的 形状参数33区域的形状和形状参数有一定的联系，但又不是一一对应的 形状参偏心率(eccentricity)E也称为伸长度(elongation),它在一定程度上描述了区域的紧凑性，一种常见的计算方法是计算区域的长轴(直径)的长度与短轴长度的比值，不过这样的计算方法受物体的形状和噪声的影响比较大。一种比较好的方法是利用整个区域的像素，这样的方法抗噪能力强。设目标区域在XY平面上，区域像素点绕X轴的转动惯量为A,绕Y轴的转动惯量为B,惯性积为C,目标区域长短主轴分别为p和q区域的偏心率E=p/q,这样定义的偏心率不受平移、旋转和尺度变换的影响 偏心率34偏心率(eccentricity)E也称为伸长度(elong球状性球状性(sphericity)S是一种描述二维目标形状的参数，定义为:球状性的值当区域为圆时达到最大(S=1),而当区域为其它形状时则有S1,它也不受区域平移、旋转和尺度变化的影响。35球状性球状性(sphericity)S是一种描述二维目标形状圆形性与前面的几个参数不一样，圆形性(circularity)C是一个用区域R的所有边界点定义的特征量为从区域重心到边界点的平均距离为从区域重心到边界点的距离的均方差特征量C当区域R趋向圆形时是单调递增趋向无穷的，它不受区域平移、旋转和尺度变化的影响。36圆形性与前面的几个参数不一样，圆形性(circularity物体形状参数球状性圆形性偏心率正方形(边长为1)4/p0.7079.1001正六边形 (边长为1)1.1030.86622.6001正八边形 (边长为1)1.0540.92441.6201长为2，宽为 1 的长方形1.4300.4503.9602长轴为2，短轴为 1 的椭圆1.1900.5004.4102特殊形状的区域描述符37物体形状参数球状性圆形性偏心率正方形(边长为1)4/p0.