Computer Vision: Einführung in die Verarbeitung und Analyse digitaler Bilder

341 Pages·2015·9.16 MB·German

by  Lutz Priese (auth.)

LUTZ PRIESE
Computer Vision
Einführung in die Verarbeitung und
Analyse digitaler Bilder
eXXamen.press
eXamen.pressisteineReihe,dieTheorieundPraxisausallenBereichenderInformatik
fürdieHochschulausbildungvermittelt.
Lutz Priese
Computer Vision
Einführung in die Verarbeitung und
Analyse digitaler Bilder
LutzPriese
UniversitätKoblenz
Koblenz,Deutschland
ISSN1614-5216
ISBN978-3-662-45128-1 ISBN978-3-662-45129-8(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-45129-8
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Vorwort
Dieses Buch ist eine relativ einfache Einführung in das Gebiet der Computer Vision.
ComputerVision,auchmaschinellesSehengenannt,umfasstverschiedeneMethodenzur
Erfassung,Verarbeitung,AnalyseundInterpretationvonBildern.EsisteinTeilgebietder
Computervisualistik, die darüber hinaus Computergrafik und Visualisierung komplexer
Daten beinhaltet. Wir beschränken uns in diesem Buch auf Bildverarbeitung und erste
Schritte in eine Bildanalyse. Das Buch ist für Anfänger in diesem Gebiet geeignet. Für
fortgeschrittenereLesersollteeswegenseinerSystematikunddurchgehendkonsistenten
DefinitionenalsalternativerZugangzurComputerVisioninteressantsein.
Es existieren in der Computer Vision verschiedene Modelle eines Bildes. So kann
mandenOrtsraumeineszweidimensionalenBildesalseineProjektioneineskontinuierli-
chenAusschnittsdesreellendreidimensionalenRaumesbetrachtenundseinenWerteraum
als einen Ausschnitt in einem k-dimensionalen reellen Raum. Die endlich vielen Pixel
einesgegebenendiskretenBildessindhierbeinurdiebekanntenStützpunktedeseigent-
lichen (aber unbekannten) kontinuierlichen Bildes. Alle mathematischen Techniken der
Differential- und Integralrechnung können damit zur Anwendung kommen und werden
auchintensivgenutzt.
IneinerinformatiknahenSchuleisteinBildeinfacheineendlicheMengediskreterPi-
xel, von der nicht unbedingt interessiert, wie sie gewonnen wurde. Damit dürfen auch
diverse kombinatorische Techniken verwendet werden, die keine kontinuierliche Deu-
tungbesitzen.NatürlichdarfmandasModelleinerendlichenStützpunktmengeauchhier
verwendenundTechnikenderkontinuierlichenMathematikeinsetzen;diesistabernicht
zwingenderforderlich.
DiesesBuchfolgtganzeindeutigderSchulederInformatik,wassichschondaranzeigt,
dass wir nirgends Tensoren benutzen werden. Die wissenschaftliche Sprache folgt der
bekannten mathematischen Mengenlehre,wie in der Logik, Mathematik und Informatik
üblich.EswirdkeineKenntnishöhererMathematik,Physik,StochastikoderSignalverar-
beitungvorausgesetzt.
VieleAlgorithmendiesesBucheskannmanleichtausdemInterneterhalten.Siesind
teilweise in einem webbasierten Bildverarbeitungswerkzeug integriert, dessen Nutzung
als Übung zu dem Buchinhalt empfohlen wird. Diese webbasierte Bildverarbeitung ist
über die Seiten meiner ehemaligen Arbeitsgruppeam Fachbereich 4, Computervisualis-
V
VI Vorwort
tik, der Universität Koblenz-Landau erreichbar. Unter den Download-Links auf meiner
Homepage (ebenda) sind diverse Bildverarbeitungsalgorithmen mit Quellcode frei ver-
fügbar. Mein Dank für Beiträgezu diesen Werkzeugenund zu diesem Buch gehtan die
HerrenDr.DirkBalthasar,MaxBraun,ThomasErdmann,ChristianFuchs,PatrickGeib,
Nils Hering, Florian Kathe, Dr. Raimund Lakmann,Gerrit Lochmann, Stephan Manthe,
Dr. Volker Rehrmann, Dr. Rainer Schian, Dr. Frank Schmitt, Dr. Patrick Sturm, Tobi-
as Tropper und Frau Dr. Haojun Wang. Ferner gilt mein Dank Frau Greta Rettler und
denHerrenMartinPrinzenundFlorianSattlerfürdasErstellenzahlreicherAbbildungen,
HerrnDr.DirkBalthasarundDetlevDroegefürwertvolleHilfeindertechnischenErstel-
lungdesBuchesundzuinhaltlichenDiskussionensowieHerrnProf.Dr.HeinzGiesenfür
wertvolleHinweise.
LutzPriese
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 EinordnungdesGebietes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 AufbaudesBuches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Philosophie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Inhalte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 EinigeLehrbücher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 AllgemeineBegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 EinigeGrundbegriffeausderPhysik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Maßeinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 ElektromagnetischeWellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 SehenundFotosensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1 MenschlichesSehen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.1 Auge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.2 Retina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.3 Nervenzellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.4 McCulloch-Pitts-Netzwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.5 BildvorverarbeitunginderRetina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.6 OptischeTäuschungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Farbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.1 Farbwahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.2 Colorimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.3 DerCIE-Farbraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.4 WeitereFarbräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.5 FarbeinKunstundPsychologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.3 TechnischeFotosensoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.1 Bildsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.2 Farbsensoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
4 DasdigitaleBild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1 Bilddefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.1 DiverseBildbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.2 FormaleBilddefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2 ElementareEigenschaftenvonBildern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.1 NachbarschaftundÄhnlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.2 Distanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.3 Koordinatensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2.4 Bildformate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3 Histogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.1 AbsoluteundrelativeHistogramme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.2 ProzentualeHistogramme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.3 AkkumulierteHistogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.4 RäumlicheHistogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3.5 MehrdimensionaleHistogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3.6 Log-Polar-Histogramme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.7 DynamischeHistogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.8 GraphentheoretischesHistogrammclustern . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4 EinfachestatistischeMerkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4.1 StatistischeMerkmaleimWerteraum. . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4.2 StatistischeMerkmaleimBildraum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5 DieGaußverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.5.1 DefinitionderGaußverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.5.2 Gauß’schesRauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5 TransformationenimWertebereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1 Gradationskurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1.1 DiverseGradationskurven. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.1.2 Lookup-Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2 Histogrammmanipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.2.1 Histogrammspreizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.2.2 Histogrammebnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2.3 SchwellwertbildungmittelsHistogrammen . . . . . . . . . . . . . . 102
5.2.4 Dynamisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6 ElementareFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.1 FensterundBildfortsetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.1.1 Fenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.1.2 Bildfortsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.2 LineareFilterI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.2.1 Kerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.2.2 Faltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Inhaltsverzeichnis IX
6.2.3 SeparableOperationen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.2.4 Mittelwertfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2.5 Binomialfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.2.6 Gaußfilter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.2.7 KontrastverstärkendeFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.3 NichtlineareFilterI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3.1 Minimum-undMaximumfilter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.3.2 Medianfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.3.3 Mid-range-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.3.4 k-nn-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.3.5 RandordnungsfilteraufFarbbildern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.3.6 Vektor-Median-Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.3.7 Nicht-Maximum-Unterdrückung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.4 LineareFilterII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.4.1 Gradientenoperatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.4.2 Kompassoperatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.4.3 Gradientenkarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.4.4 Laplace-Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.4.5 LoG-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.4.6 DoG-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.4.7 KontrastverstärkungmitLaplace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.5 NichtlineareFilterII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.5.1 SpezielledetailerhaltendeFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.5.2 snn-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.5.3 Kuwahara-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.5.4 Diffusionsfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.5.5 Bilateralfilter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.5.6 KurzerVergleichdieserFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7 Morphologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.1 ElementareOperationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.1.1 Erosion,Dilatation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7.1.2 Öffnen,Schließen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.2 MorphologischeGleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.3 KomplexeremorphologischeOperationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.3.1 Hit-and-Miss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.3.2 Ausdünnung,Verdickung,Skelette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.3.3 MorphologischeGradienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.4 MorphologieaufGrauwertbildern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168