PROBLEMY WSPӣCZESNEJ NAUKI TEORIA I ZASTOSOWANIA INFORMATYKA Ryszard S. Chora� KOMPUTEROWA WIZJA Metody interpretacji i identyfikacji obiekt�w M�ZG' NERW OPTYCZNY KOMPUTER KAMERA Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT Warszawa 2005 KOMPUTEROWA WIZJA METODY INTERPRETACJI I IDENTYFIKACJI OBIEKT�W Przetwarzanie obraz�w i rozpoznawanie obraz�w s� wzgl�dnie zamkni�tymi obszarami zastosowania komputer�w, kt�re wsp�lnie definiuj� pole komputerowej wizji. Jest pewna analogia pomi�dzy systemem komputerowej wizji i systemem wzrokowym cz�owieka. Komputerowe przetwarzanie obrazu jest analogiem procesu, kt�ry ma miejsce w ludzkim oku i nerwie optycznym. Rozpoznawanie obrazu reprezentuje w wi�kszym stopniu percepcj� wizualn�, kt�ra ma miejsce w ludzkim m�zgu. Zadania komputerowej wizji przekraczaj� zadania rozpoznawania obraz�w. Tylko niewielka ich cz�� mo�e by� opisana przez klasyczny uk�ad rozpoznawania, kiedy zadany jest sko�czony alfabet klasyfikacji, wystarczaj�co prosty model opisu klasyfikowanego obiektu (obrazu) i znaleziono regu�� decyzyjn�, odnosz�c� obraz do jednej z wcze�niej zadanych klas. Tworzone przez cz�owieka modele system�w analizy i interpretacji informacji obrazowej oparte sana tym co wiadomo o systemie wzrokowym ludzi (HVS). W ksi��ce przedstawiono nast�puj�ce zagadnienia: � Otrzymywanie (akwizycj�) obrazu, � Przetwarzanie wst�pne obrazu cyfrowego, � Analiz� obrazu, � Rozpoznawanie obrazu. KOMPUTEROWA WIZJA Metody interpretacji i identyfikacji obiekt�w PROBLEMY WSPӣCZESNEJ NAUKI TEORIA I ZASTOSOWANIA INFORMATYKA Edytor serii: Leonard Bole Pami�ci Ojca Po�wi�cam II Przedmowa ..Lecz wy si� uczcie patrze�, a nie gapi�.. Bertold Brecht Kariera Artura Ui Vere scire est per causas scire - Prawdziwa wiedza jest wiedz� przyczynow� Zainteresowanie zagadnieniami komputerowej wizji wynika z rozwoju szeroko poj�tych zagadnie� obejmuj�cych informatyk� i teori� sterowania i ich wymaga� dotycz�cych dok�adno�ci przetwarzanych informacji. Komputerowa wizja (lub jak sugerowa�o to kilka os�b komputerowe widzenie albo komputerowe postrzeganie rozwija si� bardzo intensywnie przez ostatnie dziesi�ciolecia. Jednak wiele fundamentalnych pyta� ci�gle wymaga odpowiedzi i opracowania sposob�w reprezentacji informacji przestrzennej. Ksi��ka jest wynikiem lat pracy w dziedzinie przetwarzania obraz�w. Nie jest przegl�dem prac opublikowanych przez innych Autor�w, ale raczej wyborem metod i zagadnie� rozwijanych przez Autora. Ka�dy kto podejmuje trud przedstawienia i dotarcia do Czytelnik�w za po�rednictwem ksi��ki zdaje sobie spraw� jak wa�n� rol� III odgrywa wsparcie ze strony Rodziny. Dzi�kuj� �onie za wyrozumia�o�� i cierpliwo��, C�rce kt�ra mobilizowa�a mnie do zako�czenia prac nad ksi��k� oraz Synowi kt�ry by� pierwszym czytelnikiem i krytykiem ksi��ki. Podzi�kowania nale�� si� �yczliwym krytykom ksi��ki spo�r�d moich koleg�w oraz Recenzentowi kt�rego uwagi przyczyni�y si� usuni�cia wielu usterek maszynopisu. Bydgoszcz, maj, 2005 Ryszard S. Chora� Spis tre�ci 1 Wprowadzenie w problematyk� komputerowej wizji 1 1.1 Cyfrowe przetwarzanie obraz�w 1 1.2 Og�lna charakterystyka system�w komputerowej wizji 1 1.3 Systemy komputerowej wizji w robotyce 5 2 System wzrokowy cz�owieka 11 2.1 Wprowadzenie 11 2.2 Model systemu wzrokowego 20 3 Akwizycja obrazu 25 3.1 Wprowadzenie 25 3.2 Przetworniki obrazowe optyczno-elektryczne .... 25 3.3 Geometria systemu przetwornika obrazu 31 3.4 Cyfrowa reprezentacja obraz�w 34 3.4.1 Pr�bkowanie obrazu 35 3.4.2 Kwantowanie obrazu 39 3.4.3 Matematyczna reprezentacja obrazu cyfrowego 42 4 Przetwarzanie wst�pne obrazu cyfrowego 47 4.1 Histogram obrazu i jego modyfikacje 47 4.2 Transformacja skali jaskrawo�ci obrazu 54 4.2.1 Metoda liniowego dopasowania jaskrawo�ci 57 4.2.2 Metoda transformacji logarytmicznej . 58 4.2.3 Metoda transformacji wyk�adniczej . . 59 4.2.4 Metoda modyfikacji histogramu .... 59 4.2.5 Zmodyfikowane transformacje: logarytmiczna i wyk�adnicza 60 4.3 Filtracja obrazu 61 VI Spis tre�ci 4.3.1 Filtry adaptacyjne 65 4.3.2 Filtry wyg�adzaj�ce 68 4.4 Wykrywanie zmian jaskrawo�ci 73 4.5 Segmentacja obrazu 85 4.5.1 Matematyczne sformu�owanie zadania segmentacji 86 4.5.2 Segmentacja metod� wydzielania granic obszar�w 88 4.5.3 Segmentacja metod� rozmieszczenia punkt�w obrazu 89 5 Analiza obrazu 95 5.1 Reprezentacja obrazu na podstawie jaskrawo�ci -cechy histogramu 95 5.2 W�a�ciwo�ci topologiczne obraz�w 98 5.3 Reprezentacja linii konturowych i granic obiekt�w 104 5.3.1 Lokalne elementy krzywej 104 5.3.2 Krzywa a - s 110 5.3.3 Reprezentacja konturu obiektu za pomoc� wsp�czynnik�w Fouriera .... 112 5.3.4 Interpolacja i aproksymacja krzywej konturu 113 5.3.5 Transformacja Houg�ra � � � 117 5.4 Detekcja punkt�w charakterystycznych obiektu . . 124 5.5 Reprezentacja obszar�w obiekt�w 128 5.5.1 Reprezentacja obszaru za pomoc� d�ugo�ci serii element�w 128 5.5.2 Projekcje 129 5.5.3 Reprezentacja hierarchiczna za pomoc� drzew czw�rkowych i piramidy obraz�w 130 5.6 Tekstury i parametry opisu tekstur 133 5.7 Momenty geometryczne 140 5.8 Morfologiczne operacje przetwarzania obraz�w . . 147 5.8.1 Morfologiczne operacje przetwarzania obraz�w binarnych 147 5.8.2 Morfologiczne operacje przetwarzania obraz�w o wielu poziomach jaskrawo�ci 159 5.8.1 6 Rozpoznawanie obraz�w163 Spis tre�ci VII � � 163 6.1 Wprowadzenie g 6.2 Klasyfikatory odleg�o�ciowe ? � 6.2.1 Klasyfikator najmniejszej odleg�o�ci . . HU 6.2.2 K-najbli�szych s�siad�w 6.3 Klasyfikatory statystyczne 6.3.1 Klasteryzacja 6.4 Selekcja cech ' n 197 6.4.1 Wyb�r nx cech z n pocz�tkowych cech i"u 6.4.2 Wyb�r nx cech poprzez liniow� kombinacj� n cech oryginalnych 6.4.3 Metoda PCA j�J 6.4.4 LDA 6.4.1 Rozdzia� 1 Wprowadzenie w problematyk� komputerowej wizji 1.1 Cyfrowe przetwarzanie obraz�w Cyfrowe przetwarzanie obraz�w charakteryzuje si� obecnie intensywnym rozwojem r�nych metod i zastosowa�, co ma bezpo�redni zwi�zek ze zwi�kszeniem szybko�ci i efektywno�ci maszyn cyfrowych i ulepszeniem technologii przetwarzania sygna��w. Przetwarzanie obraz�w odgrywa istotn� rol� w wielu dziedzinach nauki i techniki (10], [80], [41], [42]. Jest stosowane przy cyfrowej transmisji obraz�w satelitarnych i wideotelefonii, przy uzyskiwaniu obraz�w o wysokiej rozdzielczo�ci oraz jako�ci za pomoc� mikroskop�w elektronowych, przy automatycznej klasyfikacji i teledetekcji, przy automatycznym wykre�laniu map na podstawie zdj�� lotniczych, przy wykrywaniu wad i uszkodze� cz�ci maszynowych na podstawie rentgenogram�w przemys�owych itd.. Tworzone s� systemy przetwarzania obraz�w realizuj�ce analiz� scen widzianych przez "oko" robota przemys�owego i umo�liwiaj�ce kontrol� jego operacji. Przedstawiona lista zastosowa� jest oczywi�cie niepe�na i daje tylko pewne wyobra�enie o mo�liwo�ciach wykorzystania cyfrowego przetwarzania obraz�w. Przetwarzanie obraz�w wyst�puje w ka�dym z przedstawionych w Tablicy 1.1 zagadnie�. 1.2 Og�lna charakterystyka system�w komputerowej wizji Przetwarzanie obraz�w i rozpoznawanie obraz�w s� wzgl�dnie zamkni�tymi obszarami zastosowania komputer�w, kt�re wsp�lnie definiuj� pole komputerowej wizji. Jest pewna analogia pomi�dzy systemem 2 Rozdzia� 1. Wprowadzenie w problematyk� komputerowej wizji Tablica 1.1: Przetwarzanie obraz�w i zagadnienia pokrewne Obraz Opis Obraz Przetwarzanie obraz�w Komputerowa wizja Rozpoznawanie obraz�w Komputerowa wizja Opis Grafika komputerowa Transformacja opisu komputerowej wizji i systemem wzrokowym cz�owieka. Komputerowe przetwarzanie obrazu jest analogiem procesu, kt�ry ma miejsce w ludzkim oku i nerwie optycznym. Rozpoznawanie obrazu reprezentuje w wi�kszym stopniu percepcj� wizualn�, kt�ra ma miejsce w ludzkim m�zgu. Proces ten mo�na przedstawi�: Oko -? Nerw optyczny -? M�zg Kamera -? Przetwornik A/C -> Komputer Otrzymywanie -? Transmisja -? Interpretacja obrazu Komputerowa wizja obejmuje zagadnienia i metody rozwi�zania ca�ego szeregu problem�w naukowych takich jak np. psychologiczne problemy percepcji wzrokowej, cyfrowe przetwarzanie i analiza obrazu, architektura system�w ekspertowych i technologia ich opracowania, in�ynieria wiedzy. Ka�dy z wymienionych problem�w przedstawia samodzielny obszar bada�, wykorzystuj�cy swoj� metodologi� rozwi�zywania zada� a tak�e swoje klasy metod i algorytm�w. Jakie s� zadania komputerowej wizji? Praktycznie wszystkie zadania komputerowej wizji sprowadzaj� si� do rozwi�zania nast�puj�cych problem�w: - okre�lenia jakie obiekty znajduj� si� w polu widzenia u�ytkownika, 1,2. Og�lna charakterystyka system�w komputerowej wizji 3 gdzie te obiekty s� po�o�one, dlaczego dane obiekty znajduj� si� w polu widzenia tj. jaka jest ogl�dana sytuacja w ca�o�ci. Zadania komputerowej wizji przekraczaj� zadania rozpoznawania obraz�w. Tylko niewielka ich cz�� mo�e by� opisana przez klasyczny uk�ad rozpoznawania, kiedy zadany jest sko�czony alfabet klasyfikacji, wystarczaj�co prosty model opisu klasyfikowanego obiektu (obrazu) i eziono regu�� decyzyjn�, odnosz�c� obraz do jednej z wcze�niej Hlanych klas. Cz�ciej spotykamy sytuacj�, kiedy wyznaczenie sko�czonego alfabetu klasyfikacji jest trudne a ustalenie zadanego modelu opisu obrazu co najmniej problematyczne czyli, �e dokonanie syntezy regu�y decyzyjnej w przytoczonym wy�ej rozumieniu jest niemo�liwe. Cz�� autor�w, poprzestaje na przekonaniu, �e rozpoznawanie obiektu sprowadza si� do identyfikacji jego obrazu z zakodowanym wzorcem. Jednak rozpoznawanie (z funkcjonalnego punktu widzenia) to proces bardziej z�o�ony. Aby rozpozna� obiekt (w pe�ni), czyli zrozumie� jego znaczenie dla sw...
annamaria6696