Bildanalyse: von der Bildverarbeitung zur räumlichen Interpretation von Bildern
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| Published: |
Berlin [u.a.]
Springer
2008
|
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|---|---|
| adam_text | Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
1.1 Einordnung des Fachgebietes.................................. 3
1.2 Was ¡st Bildanalyse?............................................ 4
1.3 Einige Daten zur Entwicklung des Fachgebietes........... 5
1.4 Grundbegriffe und Vorgehensweise bei der Bildanalyse...
б
1.4.1 Modell nach Marr................................................ 6
1.4.2 Modell der Bildanalyse.......................................... 8
1.5 Anwendungen..................................................... 11
1.6 Ausgewählte allgemeine Literaturhinweise.................. 12
2 Bildverarbeitung
2.1 Einführung........................................................ 15
2.2 Punktoperationen................................................ 18
2.2.1 Kontrast und Helligkeit......................................... 18
2.2.2 Dehnung der Grauskala......................................... 19
2.2.3 Histogrammebnung.............................................. 19
2.2.4 Schwellwertbildung - Binarisierung........................... 20
2.2.5 Weitere Beispiele für Punktoperationen..................... 21
2.2.6 Aufgaben.......................................................... 22
2.3 Lokale Operationen.............................................. 23
2.3.1 Lineare Faltung................................................... 24
2.3.2 Lineare Faltung und Tiefpassfilter............................ 25
2.3.3 Lineare Faltung mit der Gaußverteilung..................... 27
2.3.4 Lineare Faltung und Kanten................................... 28
2.3.5 Separierbarkeit der linearen Faltung.......................... 35
2.3.6 Gradient und Kanten............................................ 36
2.3.7 Rangfolgeoperationen........................................... 38
2.3.8 Auffinden von Eckpunkten..................................... 39
2.3.9 Aufgaben.......................................................... 41
2.4 Globale Operationen............................................ 46
2.4.1 Grundidee......................................................... 46
2.4.2 Diskrete zweidimensionale Fouriertransformation.......... 47
2.4.3 Anwendung der Fouriertransformation in der
Bildverarbeitung.................................................. 52
2.4.4 Faltungssatz...................................................... 54
2.4.5 Anwendung des Faltungssatzes................................ 54
2.4.6 Schnelle Fouriertransformation - FFT....................... 55
2.4.7 Aufgaben.......................................................... 60
VIII Inhaltsverzeichnis
3 Morphologische Operationen
3.1
Dilation
............................................................ 67
3.2 Erosion............................................................. 70
3.3
Opening
und
Closing
............................................ 76
3.4 Anwendungen..................................................... 81
3.4.1 Detektion von Bildanteilen mit bekannter Form........... 81
3.4.2 Füllen von Löchern.............................................. 81
3.4.3 Extraktion von zusammenhängenden Komponenten...... 83
3.4.4 Alles oder Nichts-Transformation............................. 83
3.4.5 Abmagerung, Skelettierung.................................... 84
3.5 Morphologische Operationen für Grauwertbilder........... 85
3.6 Aufgaben.......................................................... 86
4 Bildsegmentierung
4.1 Einführung........................................................ 93
4.2 Punktorientierte Segmentierung.............................. 94
4.3 Mathematische Grundlagen.................................... 96
4.3.1 Nachbarschaft.................................................... 96
4.3.2 Weg und Zusammenhang...................................... 99
4.3.3 Komponentenzerlegung......................................... 101
4.3.4 Aufgaben.......................................................... 104
4.4 Bestimmung von Komponenten............................... 105
4.4.1 Ein allgemeiner Algorithmus - Region
Growing
............ 105
4.4.2 Zeilenkoinzidenzverfahren...................................... 106
4.4.3 Aufgaben.......................................................... 111
4.5 Regionenorientierte Segmentierung........................... 112
4.5.1 Allgemeine Definition der Segmentierung................... 112
4.5.2 Algorithmen zur Segmentierung............................... 115
4.5.3 Aufgaben.......................................................... 118
4.6 Kantenorientierte Segmentierung............................. 119
4.6.1 Überblick.......................................................... 119
4.6.2 Kantendetektion................................................. 121
4.6.3 Kantenverdünnung............................................... 121
4.6.4 Skelettierung...................................................... 122
4.6.5 Aufgaben.......................................................... 124
4.? Kantenverfolgung................................................ 125
4.T.1 Freemancode...................................................... 126
4.7.2 Kantenverfolgung - Suchen von Wegen..................... 128
4.T.3 Aufbau einer Kostenfunktion und Anwendung von
Suchverfahren.................................................... 130
4.7.4 Aufgaben.......................................................... 130
Inhaltsverzeichnis
IX
4.8 Gebietsnachbarschaftsgraph ................................... 131
4.9 Modellabhängige Verfahren zur Segmentierung............ 134
4.9.1 Matchen........................................................... 135
4.9.2 Hough-Transformation.......................................... 136
4.9.3 Aufgaben.......................................................... 142
5 Merkmale von Objekten
5.1 Einführung........................................................ 145
5.2 Geometrische Merkmale........................................ 146
5.2.1 Fläche eines Segmentes......................................... 146
5.2.2 Umfang eines Segmentes....................................... 146
5.2.3 Kompaktheit eines Segmentes................................. 147
5.2.4 Umschreibende Rechtecke...................................... 148
5.2.5 Konvexe Hülle eines Segmentes............................... 149
5.2.6 Weitere geometrische Merkmale.............................. 149
5.3 Momente.......................................................... 149
5.4 Lauflängen kodierung............................................ 152
5.5 Eulerzahl........................................................... 154
5.6 Fourierdarstellung von Segmentkonturen.................... 157
5.7 Relationalstrukturen............................................. 158
5.8 Statistische Merkmale- Textur............................... 159
5.9 Aufgaben.......................................................... 160
6 Klassifikation
6.1 Prinzipielle Vorgehensweise bei der Klassifikation......... 165
6.2 Numerische Klassifikation...................................... 166
6.2.1 Lineare Klassifikation............................................ 168
6.2.2 Abstandsklassifikatoren......................................... 169
6.3 Statistische Klassifikation...................................... 170
6.4 Syntaktische Klassifikation..................................... 172
6.5 Kontextabhängige Klassifikation.............................. 175
6.5.1 Graphmatching................................................... 176
6.5.2 Diskrete Relaxation.............................................. 177
6.5.3 Kontinuierliche Relaxation..................................... 179
6.6 Hauptkomponentenanalyse (PCA)........................... 180
6.6.1 Zweck der Hauptkomponentenanalyse....................... 180
6.6.2 Hauptkomponententransformation........................... 181
6.6.3 Formalisierung als Maximierung der Datenvarianz........ 182
6.6.4 Formalisierung als Minimierung der Datenredundanz..... 184
6.6.5 Hauptkomponentenbestimmung durch Lösung des
Eigenwertproblems............................................... 185
6.6.6 Hauptkomponentenanalyse: Schritt für Schritt............ 186
Inhaltsverzeichnis
6.6.7 Hauptkomponentenanalyse für höherdimensionale Daten 186
6.6.8 Anwendung in der Bildverarbeitung.......................... 188
6.7 Aufgaben.......................................................... 191
7 Dreidimensionale Bildinterpretation
7.1 Einführung........................................................ 199
7.2 Generierung der 2%O-S dzze................................... 200
7.3 Formale Präzisierung der Gestaltsrekonstruktion.......... 201
7.4 Naheliegende Grenzen der Gestaltsrekonstruktion......... 202
7.5 Zentralprojektion................................................. 204
7.5.1 Definition.......................................................... 204
7.5.2 Zentralprojektion von Geraden................................ 205
7.5.3 Zentralprojektion im Koordinatensystem.................... 208
7.5.4 Homogene Koordinaten......................................... 212
7.5.5 Rekonstruktion von SD-Informationen aus der
Zentralprojektion................................................. 215
7.5.6 Doppelverhältnis................................................. 217
7.5.7 Aufgaben.......................................................... 220
7.6
Shape from
Stereo............................................... 222
7.6.1 Grundlagen........................................................ 222
7.6.2 Korrespondenzproblem.......................................... 224
7.6.3 Epipolarlinien..................................................... 225
7.6.4 Korrespondierende Punkte auf Grund von
Bildeigenschaften................................................ 228
7.6.5 Disparitätslimit................................................... 228
7.6.6 Kontinuität von Disparitäten.................................. 229
7.6.7 Disparitätsgradientenlimit...................................... 230
7.6.8 Reihenfolge der Punkte......................................... 230
7.6.9 Aufgaben.......................................................... 230
7.7
Shape from shading
............................................. 231
7.7.1 Einführung........................................................ 231
7.7.2
Lambertsche
Oberfläche........................................ 232
7.7.3 Problemstellung.................................................. 235
7.7.4 Refiektivitätskarte................................................ 236
7.7.5 Reflektivitätsgleichung.......................................... 237
7.7.6 Lösung der Reflektivitätsgleichung........................... 238
7.7.7 Aufgaben.......................................................... 240
7.8
Shape from contour
............................................. 240
7.8.1 Einführung........................................................ 240
7.8.2
Kantenmarken
.................................................... 242
7.8.3 Knotentypen.................................................... 242
Inhaltsverzeichnis
XI
7.8.4 Knotenmarken.................................................... 242
7.8.5 Waltz-Algorithmus............................................... 244
7.8.6 Erweiterungen.................................................... 245
7.8.7 Aufgaben.......................................................... 246
7.9 Weitere Möglichkeiten für
Shape from
Χ
................... 247
7.9.1
Shape from motion
.............................................. 247
7.9.2
Shape from texture
.............................................. 247
7.9.3
Shape from focus
................................................ 247
7.9.4
Shape from structured light
................................... 247
8 Bewegungsanalyse aus Bildfolgen
8.1 Einleitung.......................................................... 251
8.2 Lokale Verschiebungsvektoren................................. 252
8.3 Optischer Fluss................................................... 255
8.3.1 Vorbemerkungen................................................. 255
8.3.2 Horn-Schunck-Verfahren ....................................... 257
8.3.3 Lösung mit Hilfe der Variationsrechnung.................... 259
8.3.4 Lösung mit diskreter Iteration................................. 260
8.3.5 Algorithmus zur Berechnung des optischen Flusses....... 264
8.3.6 Aufgaben.......................................................... 265
Literaturverzeichnis................................. 267
Index................................................ 271
|
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
1.1 Einordnung des Fachgebietes. 3
1.2 Was ¡st Bildanalyse?. 4
1.3 Einige Daten zur Entwicklung des Fachgebietes. 5
1.4 Grundbegriffe und Vorgehensweise bei der Bildanalyse.
б
1.4.1 Modell nach Marr. 6
1.4.2 Modell der Bildanalyse. 8
1.5 Anwendungen. 11
1.6 Ausgewählte allgemeine Literaturhinweise. 12
2 Bildverarbeitung
2.1 Einführung. 15
2.2 Punktoperationen. 18
2.2.1 Kontrast und Helligkeit. 18
2.2.2 Dehnung der Grauskala. 19
2.2.3 Histogrammebnung. 19
2.2.4 Schwellwertbildung - Binarisierung. 20
2.2.5 Weitere Beispiele für Punktoperationen. 21
2.2.6 Aufgaben. 22
2.3 Lokale Operationen. 23
2.3.1 Lineare Faltung. 24
2.3.2 Lineare Faltung und Tiefpassfilter. 25
2.3.3 Lineare Faltung mit der Gaußverteilung. 27
2.3.4 Lineare Faltung und Kanten. 28
2.3.5 Separierbarkeit der linearen Faltung. 35
2.3.6 Gradient und Kanten. 36
2.3.7 Rangfolgeoperationen. 38
2.3.8 Auffinden von Eckpunkten. 39
2.3.9 Aufgaben. 41
2.4 Globale Operationen. 46
2.4.1 Grundidee. 46
2.4.2 Diskrete zweidimensionale Fouriertransformation. 47
2.4.3 Anwendung der Fouriertransformation in der
Bildverarbeitung. 52
2.4.4 Faltungssatz. 54
2.4.5 Anwendung des Faltungssatzes. 54
2.4.6 Schnelle Fouriertransformation - FFT. 55
2.4.7 Aufgaben. 60
VIII Inhaltsverzeichnis
3 Morphologische Operationen
3.1
Dilation
. 67
3.2 Erosion. 70
3.3
Opening
und
Closing
. 76
3.4 Anwendungen. 81
3.4.1 Detektion von Bildanteilen mit bekannter Form. 81
3.4.2 Füllen von Löchern. 81
3.4.3 Extraktion von zusammenhängenden Komponenten. 83
3.4.4 Alles oder Nichts-Transformation. 83
3.4.5 Abmagerung, Skelettierung. 84
3.5 Morphologische Operationen für Grauwertbilder. 85
3.6 Aufgaben. 86
4 Bildsegmentierung
4.1 Einführung. 93
4.2 Punktorientierte Segmentierung. 94
4.3 Mathematische Grundlagen. 96
4.3.1 Nachbarschaft. 96
4.3.2 Weg und Zusammenhang. 99
4.3.3 Komponentenzerlegung. 101
4.3.4 Aufgaben. 104
4.4 Bestimmung von Komponenten. 105
4.4.1 Ein allgemeiner Algorithmus - Region
Growing
. 105
4.4.2 Zeilenkoinzidenzverfahren. 106
4.4.3 Aufgaben. 111
4.5 Regionenorientierte Segmentierung. 112
4.5.1 Allgemeine Definition der Segmentierung. 112
4.5.2 Algorithmen zur Segmentierung. 115
4.5.3 Aufgaben. 118
4.6 Kantenorientierte Segmentierung. 119
4.6.1 Überblick. 119
4.6.2 Kantendetektion. 121
4.6.3 Kantenverdünnung. 121
4.6.4 Skelettierung. 122
4.6.5 Aufgaben. 124
4.? Kantenverfolgung. 125
4.T.1 Freemancode. 126
4.7.2 Kantenverfolgung - Suchen von Wegen. 128
4.T.3 Aufbau einer Kostenfunktion und Anwendung von
Suchverfahren. 130
4.7.4 Aufgaben. 130
Inhaltsverzeichnis
IX
4.8 Gebietsnachbarschaftsgraph . 131
4.9 Modellabhängige Verfahren zur Segmentierung. 134
4.9.1 Matchen. 135
4.9.2 Hough-Transformation. 136
4.9.3 Aufgaben. 142
5 Merkmale von Objekten
5.1 Einführung. 145
5.2 Geometrische Merkmale. 146
5.2.1 Fläche eines Segmentes. 146
5.2.2 Umfang eines Segmentes. 146
5.2.3 Kompaktheit eines Segmentes. 147
5.2.4 Umschreibende Rechtecke. 148
5.2.5 Konvexe Hülle eines Segmentes. 149
5.2.6 Weitere geometrische Merkmale. 149
5.3 Momente. 149
5.4 Lauflängen kodierung. 152
5.5 Eulerzahl. 154
5.6 Fourierdarstellung von Segmentkonturen. 157
5.7 Relationalstrukturen. 158
5.8 Statistische Merkmale- Textur. 159
5.9 Aufgaben. 160
6 Klassifikation
6.1 Prinzipielle Vorgehensweise bei der Klassifikation. 165
6.2 Numerische Klassifikation. 166
6.2.1 Lineare Klassifikation. 168
6.2.2 Abstandsklassifikatoren. 169
6.3 Statistische Klassifikation. 170
6.4 Syntaktische Klassifikation. 172
6.5 Kontextabhängige Klassifikation. 175
6.5.1 Graphmatching. 176
6.5.2 Diskrete Relaxation. 177
6.5.3 Kontinuierliche Relaxation. 179
6.6 Hauptkomponentenanalyse (PCA). 180
6.6.1 Zweck der Hauptkomponentenanalyse. 180
6.6.2 Hauptkomponententransformation. 181
6.6.3 Formalisierung als Maximierung der Datenvarianz. 182
6.6.4 Formalisierung als Minimierung der Datenredundanz. 184
6.6.5 Hauptkomponentenbestimmung durch Lösung des
Eigenwertproblems. 185
6.6.6 Hauptkomponentenanalyse: Schritt für Schritt. 186
Inhaltsverzeichnis
6.6.7 Hauptkomponentenanalyse für höherdimensionale Daten 186
6.6.8 Anwendung in der Bildverarbeitung. 188
6.7 Aufgaben. 191
7 Dreidimensionale Bildinterpretation
7.1 Einführung. 199
7.2 Generierung der 2%O-S\dzze. 200
7.3 Formale Präzisierung der Gestaltsrekonstruktion. 201
7.4 Naheliegende Grenzen der Gestaltsrekonstruktion. 202
7.5 Zentralprojektion. 204
7.5.1 Definition. 204
7.5.2 Zentralprojektion von Geraden. 205
7.5.3 Zentralprojektion im Koordinatensystem. 208
7.5.4 Homogene Koordinaten. 212
7.5.5 Rekonstruktion von SD-Informationen aus der
Zentralprojektion. 215
7.5.6 Doppelverhältnis. 217
7.5.7 Aufgaben. 220
7.6
Shape from
Stereo. 222
7.6.1 Grundlagen. 222
7.6.2 Korrespondenzproblem. 224
7.6.3 Epipolarlinien. 225
7.6.4 Korrespondierende Punkte auf Grund von
Bildeigenschaften. 228
7.6.5 Disparitätslimit. 228
7.6.6 Kontinuität von Disparitäten. 229
7.6.7 Disparitätsgradientenlimit. 230
7.6.8 Reihenfolge der Punkte. 230
7.6.9 Aufgaben. 230
7.7
Shape from shading
. 231
7.7.1 Einführung. 231
7.7.2
Lambertsche
Oberfläche. 232
7.7.3 Problemstellung. 235
7.7.4 Refiektivitätskarte. 236
7.7.5 Reflektivitätsgleichung. 237
7.7.6 Lösung der Reflektivitätsgleichung. 238
7.7.7 Aufgaben. 240
7.8
Shape from contour
. 240
7.8.1 Einführung. 240
7.8.2
Kantenmarken
. 242
7.8.3 Knotentypen. 242
Inhaltsverzeichnis
XI
7.8.4 Knotenmarken. 242
7.8.5 Waltz-Algorithmus. 244
7.8.6 Erweiterungen. 245
7.8.7 Aufgaben. 246
7.9 Weitere Möglichkeiten für
Shape from
Χ
. 247
7.9.1
Shape from motion
. 247
7.9.2
Shape from texture
. 247
7.9.3
Shape from focus
. 247
7.9.4
Shape from structured light
. 247
8 Bewegungsanalyse aus Bildfolgen
8.1 Einleitung. 251
8.2 Lokale Verschiebungsvektoren. 252
8.3 Optischer Fluss. 255
8.3.1 Vorbemerkungen. 255
8.3.2 Horn-Schunck-Verfahren . 257
8.3.3 Lösung mit Hilfe der Variationsrechnung. 259
8.3.4 Lösung mit diskreter Iteration. 260
8.3.5 Algorithmus zur Berechnung des optischen Flusses. 264
8.3.6 Aufgaben. 265
Literaturverzeichnis. 267
Index. 271 |
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