Сегментация изображения

9
Кибернетика, системный анализ, приложения 56 A. A. Novosyolov PARAMETRIZATION OF MODELS OF CONTROLLED SYSTEMS The paper describes application of orthogonal series method for construction of controlled systems models under non-parametric uncertainty. A key element of the method is draw of orthogonal expansion length based on observa- tions, in other words, defining parametric structure of the model. The method is demonstrated for estimation of distribu- tion density and regression function. Directions for generalizing onto multi-dimensional case are also presented. Keywords: distribution density, regression function, orthogonal series, non-parametric estimate. © Новоселов А. А., 2010 УДК 004.932.2 И. А. Пестунов, В. Б. Бериков, Ю. Н. Синявский СЕГМЕНТАЦИЯ МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ АНСАМБЛЯ НЕПАРАМЕТРИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ КЛАСТЕРИЗАЦИИ* Предложен метод сегментации многоспектральных изображений на основе ансамбля непараметрических алгоритмов; дано теоретическое обоснование метода. Результаты статистического моделирования на мо- дельных данных и реальных изображениях подтверждают эффективность предложенного метода. Ключевые слова: сегментация многоспектральных изображений, непараметрические алгоритмы кластери- зации, ансамблевый подход. Сегментация является одним из важнейших этапов анализа цифровых изображений [1]. Она заключается в разбиении изображения на сегменты на основе по- добия спектральных, текстурных и других характери- стик пикселов. Методы сегментации нашли широкое применение во многих прикладных областях, в том числе в дистанционном зондировании Земли (ДЗЗ) [2; 3], интерес к которому в последние годы непре- рывно возрастает. Один из наиболее распространенных подходов к сегментации многоспектральных изображений осно- ван на статистических методах кластеризации [4; 5]. В этом случае задачу кластеризации, как правило, при- ходится решать при отсутствии каких-либо априор- ных сведений о числе классов и их вероятностных ха- рактеристиках. Для этого наиболее подходящими яв- ляются непараметрические алгоритмы, позволяющие получить хорошие результаты при минимальной ап- риорной информации. Их общим недостатком являет- ся высокая чувствительность к входным параметрам, что существенно усложняет процесс настройки алго- ритма для решения конкретной задачи. Известно [6–8], что устойчивость решений в зада- чах кластеризации может быть повышена благодаря формированию ансамбля алгоритмов и построению на его основе коллективного решения. При этом используются результаты, полученные различными алгоритмами либо одним алгоритмом с различными значениями параметров, по разным подсистемам пе- ременных и т. д. В настоящее время ансамблевый подход является одним из наиболее перспективных направлений в кластерном анализе [9]. В данной работе предложен алгоритм сегментации многоспектральных изображений с использованием ансамбля непараметрических алгоритмов кластериза- ции, основанных на оценках плотности Розенблатта– Парзена [10; 11]. Для формирования ансамбля ис- пользуются результаты выполнения непараметриче- ского алгоритма MeanSC (представляющего собой оптимизацию предложенного ранее алгоритма [12]) с различными значениями параметра сглаживания . h Итоговое коллективное решение строится на основе попарной классификации объектов. Дано теоретиче- ское обоснование предложенного алгоритма, приве- дены результаты статистического моделирования на модельных данных и реальных изображениях, под- тверждающие его эффективность. Непараметрический подход к задаче кластери- зации данных ДЗЗ. Предположим, что произведена k-спектральная съемка участка местности, содержа- щего N элементов разрешения, тогда результат съем- ки можно представить в виде множества () () () 1 { ( , ..., ) , 1, }, i i i k k X x x x R i N где () i j x – зна- чение яркости i-го элемента разрешения в j-м диапа- зоне спектра ( 1, ). j k * Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 09-07- 12087-офи_м).

Upload: madi-seitzhapbar

Post on 06-Nov-2015

41 views

Category:

Documents


7 download

DESCRIPTION

Сегментация изображения

TRANSCRIPT

  • , ,

    56

    A. A. Novosyolov

    PARAMETRIZATION OF MODELS OF CONTROLLED SYSTEMS The paper describes application of orthogonal series method for construction of controlled systems models under

    non-parametric uncertainty. A key element of the method is draw of orthogonal expansion length based on observa-tions, in other words, defining parametric structure of the model. The method is demonstrated for estimation of distribu-tion density and regression function. Directions for generalizing onto multi-dimensional case are also presented.

    Keywords: distribution density, regression function, orthogonal series, non-parametric estimate.

    . ., 2010

    004.932.2 . . , . . , . .

    *

    ; . - .

    : , -

    , .

    [1]. - , - . , () [2; 3], - .

    - [4; 5]. , , - - - -. - , - . - , - .

    [68], - . ,

    , - . . [9].

    -, [10; 11]. - - MeanSC ( [12]) .h . - , - , - .

    - . , k- , - N , -

    ( ) ( ) ( )1{ ( , ..., ) , 1, },

    i i i kkX x x x R i N

    ( )ijx -

    i- j- -

    ( 1, ).j k

    * ( 09-07-

    12087-_).

  • . .

    57

    ( )ix k- x, - ( ),f x 1, , kkx x x R -- - . - ( )f x kx R - ( ),Nf x

    ( )

    1

    1 ( ) ,iN

    N ki

    x xf x

    hNh

    h ; ( )x - (), - [10; 13].

    , , - ,

    2( ) || || ,kx c x

    0;kc : [0; ) R , :

    ( ) 0;t 1 2( ) ( ),t t 1 2 ;t t 0

    ( ) .t dt

    , , - [13]:

    21

    E

    1( 2)(1 ), 1,

    20, ,

    kV k x x

    kV k- - ;

    2|| ||/ 2 2

    N ( ) (2 .)x

    kx e

    - ,

    ( )f x ( )f x ([14])

    2

    1

    ( ) ;N

    k iN k

    i

    c x xf x

    hNh

    2

    21

    2 ( ) ( ) ( ) .N

    k iN ik

    i

    c x xf x f x x x

    hNh

    ( ) ( ) ( ) / ,t t d t dt ,

    ( )t [0; )t .

    , [15; 16]

    2

    1

    2

    1

    ( )

    Ni

    ii

    hN

    i

    i

    x xx

    hm x x

    x xh

    .

    , - ( )f x x.

    , - 0

    kx R 10 0 0( ),hx x m x 10x

    2 1 10 0 0( )hx x m x . . 0 ,x

    0( ) 0,hm x .

    [14], - ()

    ( ).f x , 0x 0 ,x

    -

    0 0, , .x x

    - X : ix jx ,

    , , - . , . [17; 18] , - .

    - MeanSC ( - [12]), , -. ( )hm x -

    ( )Nf x - .

    MeanSC. - . - ( 0 1,K K , 256), - . - - , - , - - . MeanSC h, , T -.

    1. kx R

    ( ).Nf x

    kx R ,x

    , x, .x -

    a , -

  • , ,

    58

    , - a.

    2. , - x ( ( ) ),Nf x

    -

    ( ) ,Q x X

    .x x X ,

    0:x

    0 ( ) .Nf x

    0 . 3. -

    ,C X , - :

    1) x C ( ) ;Q x 2) 1 2,x x

    , 1 2( ), ( )Q x Q x

    ,kP R 1x

    2 ,x

    1 2 ( )

    . min ( ), ( )

    N

    N N

    f xT

    f x f x

    1T , - .

    , - MeanSC .

    1. - . - - 1[0; 1] [0; 1]kK K 2h (h ). ( ) - X.

    2. - X. x x X. - - ( ) - -.

    3. () S . , X, , . S.

    4. s S s

    ( ),Nf x s.

    0 | , ( ) .NZ s s S f s 0 , , i

    s S

    S s s s

    1 1( ), , ,i h is m s s ,

    .

    5. x X ,S . X - 2.

    6. . ,P

    1( )Q x 2( )Q x

    ( 3), , , ,

    1( )Q x 2( ).Q x

    -

    1 1( )x Q x 2 2( ),x Q x

    , - 3

    1 1 1 2 2 2, , , , , .P x x x x x x 1 2,x x , 1x 2 .x , x P - 1 2;x x . h.

    , - , - , -, x. .

    . - , - MeanSC, - h. [68], - -. . , [7] - , - . - , - ( -) . ; - L , - MeanSC h.

    .

    - ( ), ( ), - (1) ( ) ( ){ , , , , },l LG G G ( )lG l- - , ( )lM .

  • . .

    59

    ( )lH

    ,( ) ( )l i j lH H ,N N - l- , :

    ,

    0, ,

    1, , )

    (

    i j lH

    , 1, , ,i j N .i j

    L

    , ,i jH H , ,1

    1( ),

    L

    i j i j ll

    HL

    H

    , 1, ,i j N . ,i jH -

    ix jx -

    . -, - . - , .

    -, - , [9]. , . . , . - , .dT , , - .

    .

    , ( ) U , 2M . - - ( | ) ( ),rp x U r f x 1, , .r M -. , , ( ),rP U r 1, , ,r M

    1

    1.M

    rr

    P

    ( )rf x x. .

    - - X M . - , - , . . ,

    . a b :

    ,

    0, ,

    1, , ( )

    a b

    H

    , ,a b X .a b a b -

    . ( ( ) ( ))UP U a U b -

    . , 2M

    22

    1

    1 ( ( ) 1 | ) ( ( ) 1 | ) ( ( )

    ( ) ( )2 | ) ( ( ) 2 | ) 1 ,

    ( ) ( )r

    r

    r r

    UP U a a U b b U a

    f a f b Pa U b b

    p a p b

    2

    1

    ( ) ( ) ,rr

    rp f P

    , .a b

    , a b

    er ( ),P

    ,er

    ,

    , ( ) 0,( )

    1 , ( ) 1.U a b

    U a b

    PP

    P

    H

    H

    ,

    er , ,

    ,

    ( ) (1 ( )) ( )(1 )

    (1 2 ) ( ).a b U a b U

    U U a b

    P P P

    P P

    H H

    H

    - : ( ). - , - , ,( ( )) ( ),a b a b H H

    er er( ( )) ( ).P P L- -

    - 1, , L

    1( ), , ( ).LH H , , L . () - -

    1 1

    1 10, ( ) ,

    ( ( ), , ( )) 2

    1, .

    L

    lL l

    HH H L

    H

    - [6].

    1. -

    ( ) :

    er ( ( ) ,) 1 2U U HP P P P 2

    erVar ( ) (1 2 ) (1 ),U H HP P P P

    ( ( ) 1).HP H

  • , ,

    60

    er 1( , , )LP -, , , - - a b. 1, , L - . .

    2. - - :

    1 , , er 1 ,( , , ) (1 2 ,)

    L L U U LP P P P H

    1

    2, , er 1 , ,Var ( , , ) (1 2 ) (1 ),L L U L LP P P P H H

    ,1

    12

    1 1( ) (1 ,)

    2

    L Ll l L l

    L l L H HLl

    l

    P H C P PL

    H

    . -

    . -, - er ( ) 1/ 2,P . . , - -, . 1 , : 1/ 2HP 1/ 2;UP

    1/ 2HP 1/ 2.UP , -, .

    3. er ( ) 1/ 2P 1/ 2HP 1/ 2,UP

    - , 1 ,UP .

    , - .

    -. , - C++

    1EMeanSC { , , }, , , .L dh h h T T 1, , Lh h ; ; T , dT .

    - -. 1 2 - . 3 -. 4 - . 5 dT . 1. , 400 , - (. 1), (. 1, ). - PRTools (PRTools: the Matlab Toolbox for Pattern Recognition http://www.prtools.org). , - , - . 1, . 2 , - 200 .

    2. - (. 2), 200 , - 100 (. 2, ). , - . . 2, - MeanSC - . , . -, -, , (. 2, ).

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 24020

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    180

    200

    220

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 2402040

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    180

    200

    220

    . 1. , 400 : ; EMeanSC

    {10;10,5;11;11,5;12;12,5},h 0 , 4,T Td = 0,99 (2 )

  • . .

    61

    20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 22020

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    180

    200

    220

    20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 22020

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    180

    200

    220

    20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 22020

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    180

    200

    220

    20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 22020

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    180

    200

    220

    20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 22020

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    180

    200

    220

    . 2. , 200 : ; MeanSC (12, 14 12 )

    {8; 8,5; 9},h 0, 5,5;T EMeanSC

    {8; 8,5; 9},h 0, 5,5,T 0,999dT (2 )

    3. -

    , 3 000 (. 3), - 3 (. 3, ). , - , ( ) (. 3, ). - (. 3, ) .

    4. (- 500 450), ALOS/ANVIR-2 17 2007 . (. 4). - 5552'14.8'' 5555'2.13'' - 8350'45.41'' 8354'51.6'' . . 4, . -. - 2,4 ( 2 ). - - 18 . - (. 4, ).

    5. - (. 5, ) 510 604 . -

    .R G B -

    . , EMeanSC, , ,dT . 5, . , - -.

    - - , - . . EMeanSC, -. , - - -.

    , - , - .

  • , ,

    62

    0 50 100 150 200 2500

    50

    100

    150

    200

    250

    0 50 100 150 200 2500

    50

    100

    150

    200

    250

    0 50 100 150 200 2500

    50

    100

    150

    200

    250

    0 50 100 150 200 2500

    50

    100

    150

    200

    250

    0 50 100 150 200 2500

    50

    100

    150

    200

    250

    . 3. , 3 000 : ; 3 5 (19, 8 5 , {10; 15; 20}h );

    EMeanSC {5; 10; 15; 20; 25},h 0, 2,5,T 0,75dT (3 )

    . 4. : ALOS; EMeanSC {5; 10; 15},h 0, 1,3,T 0,5.dT

    6 : 1 ; 2 - ; 3 ; 4 - ; 5

  • . .

    63

    . 5. : ; , , EMeanSC {5; 7; 9},h 0,

    1,5,T 0, 4dT (18 ), 0,6 (12 ) 0,95 (6 )

    1. ., . -. . : , 2006. . 812.

    2. Dey V., Zhang Y., Zhong M. A review on image segmentation techniques with remote sensing perspective // ISPRS TC VII Symposium 100 Years ISPRS, Vienna. Austria. July 57 2010. IAPRS. Vol. XXXVIII. Part 7A. P. 3142.

    3. Rekik A., Zribi M., Hamida A., Benjelloun1 M. Review of satellite image segmentation for an optimal fu-sion system based on the edge and region approaches // IJCSNS International Journal of Computer Science and Network 242 Security. 2007. Vol. 7. 10. P. 242250.

    4. Jain A. K., Duin R. P. W., Mao J. Statistical Pattern Recognition: A Review // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2000. Vol. 22. 1. P. 437.

    5. Clausi D. A. K-means Iterative Fisher (KIF) unsu-pervised clustering algorithm applied to image texture segmentation // Pattern Recognition. 2002. Vol. 35. 9. P. 19591972.

    6. . . // . 2010. . 15. 1. . 4052.

    7. Strehl A., Ghosh J. Clustering ensembles a knowledge reuse framework for combining multiple parti-tions // The Journal of Machine Learning Research. 2002. Vol. 38. P. 583617.

    8. Hong Y., Kwong S. To combine steady-state genetic algorithm and ensemble learning for data cluster-ing // Pattern Recognition Letters. 2008. Vol. 29(9). P. 14161423.

    9. Jain A. K. Data clustering: 50 years beyond K-means // Pattern Recognition Letters. 2010. Vol. 31, Is. 8. P. 651666.

    10. Parzen E. On the estimation of a probability den-sity function and the mode // The Annals of Mathematical Statistics. 1962. Vol. 33. P. 10651076.

    11. Rosenblatt M. Remarks on some nonparametric estimates of a density function // The Annals of Mathe-matical Statistics. 1956. Vol. 27. P. 832837.

    12. . ., . . - -

  • , ,

    64

    grid- // -. 2006. . 42. 2. . 9099.

    13. . . // - . 1969. . 14. 1. . 156160.

    14. Comaniciu D., Meer P. Mean shift: A Robust Ap-proach toward Feature Space Analysis // IEEE Transac-tions on Pattern Analysis Machine Intelligence. 2002. Vol. 24. 5. P. 603619.

    15. Fukunaga K., Hosteeler L. D. The estimation of the gradient of a density function, with applications in

    patter recognition // IEEE Trasactions on Informational Theory. 1975. Vol. 21. P. 3240.

    16. Cheng Y. Mean shift, mode seeking, and cluster-ing // IEEE Tans. Pattern Analysis and Machine Intelli-gence. 1995. Vol. 17. P. 790799.

    17. Comaniciu D., Meer P. Distribution Free Decom-position of Multivariate Data // Pattern Analysis and Ap-plications. 1999. Vol. 2. P. 2230.

    18. Freedman D., Kisilev P. Fast Mean Shift by Com-pact Density Representation // IEEE Conference on Com-puter Vision and Pattern Recognition. 2009. P. 18181825.

    I. A. Pestunov, V. B. Berikov, Yu. N. Sinyavskiy

    ALGORITHM FOR MULTISPECTRAL IMAGE SEGMENTATION BASED

    ON ENSEMBLE OF NONPARAMETRIC CLUSTERING ALGORITHMS

    The method for constructing an ensemble of nonparametric clustering algorithms is proposed. Its theoretical sub-stantiation is resulted. Results of the model data and real images confirm the efficiency of the proposed method.

    Keywords: multispectral image segmentation, nonparametric clustering algorithms, ensemble approach.

    . ., . ., . ., 2010

    519.24

    . .

    , , . - .

    : , , , , -

    , , . -

    : - .

    [1]. , - -. - - .

    , , . , , .

    - . . [1] : - , , 6 :

    - ;

    ;

    , - ;

    , - , - ;

    - -;

    , - - .

    --: -.

    , [1]. ,