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Mesures Objectives de comparaison d'images: Application à la comparaison d'images couleurs

D. COQUIN

Laboratoire d’Informatique, Systèmes, Traitement de l’Information et de la ConnaissanceLISTIC - Domaine Universitaire, BP 80439, F. 74944 Annecy le Vieux Cedex.

(CNRS - GdR - ISIS)Email: Didier.Coquin@univ-savoie.fr

D. Coquin ETASM

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Plan de l'exposé

1) Introduction- intérêt des mesures objectives

2) Mesures de dissimilarité entre images à niveau de gris- description de 5 mesures de dissimilarité

3) Résultats expérimentaux - comparaisons entre ces mesures de dissimilarité- reconnaissance de gestes dynamiques

4) Extension au domaine de la Couleur- dissimilarité entre 2 images couleurs

5) Conclusion

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Une mesure quantitative de la dissimilarité D(A,B) entre 2 images, Aand B, est nécessaire pour un grand nombre d'applications pratiques,comme par exemple:

- pour l'évaluation des méthodes de restauration d'images- pour l'évaluation des méthodes de segmentation d'images- pour comparer le résultat de 2 détecteurs de contours à partir

des images de contours.- pour comparer les distorsions d'une image par rapport à une

référence.- .......

Question: Dans quelle mesure une image B est-elle similaire à une image A?

1. Introduction

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Question: L’image1 est-elle meilleure que l’image2 en terme de per-formance de filtrage?

adaptatif directionel 5x5 médian 7x7

1 2

référence

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Des choix basés sur un critère quantitatif ne doit pas être trop sensi-ble aux petites variations de forme

Il est nécessaire de trouver un critère quantitatif performant et d'étu-dier son comportement par rapport aux configurations que l'on peut ren-contrer dans les images, à savoir:

- son comportement vis à vis du bruit- son comportement vis à vis de la forme

savoise.gdr (CNRS - GDR- ISIS)

forme simple

forme complexe: objet fractal

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Les mesures de dissimilarité sont basées sur 2 approches classiques quitiennent compte de la modélisation des images:

- image considérée comme une Fonction

- image considérée comme un Ensemble de points

2. Mesures de dissimilarité pour des images en niveaux de gris

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2.1 Image en tant que fonction

fB

G(niveau de gris)

fA

S(support)

gB

gA

s(x,y)

image A

image B

fA: S ------> G(x,y)------> gA

avec gA = fA(x,y)

fA(x,y)

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Les opérateurs de comparaison peuvent être définis par:

avec: ϕ: fonction positive, de préférence paireΨ: fonction croissante, avec Ψ(0) = 0

la dissimilarité entre 2 images A and B s’obtient par accumulation d’in-formations locales.

exemple: * RMS:

ϕ: la fonction: élévation au carréΨ: la racine carrée de la moyenne

D A B,( ) Ψ ϕ fA s( ) fB s( )–( )s S∈∑⎝ ⎠

⎛ ⎞=

D A B,( ) 1card S( )-------------------- fA s( ) fB s( )–( )2

s S∈∑⎝ ⎠

⎛ ⎞=

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2.2 Image en tant qu'ensemble

Soit avec XA S G×⊂ XA s g,( ) SxG∈ g, fA s( )={ }=

G(niveau de gris)

XA

s

g

Mesure de dissimilarité entre 2 ensemblesXA and XB.

D(A,B) = d(XA,XB)

( S: support)

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- distance de Hausdorff

H XA XB,( ) maxsup d a XB,( ){ }a XA∈

sup d b XA,( ){ }b XB∈,

⎩ ⎭⎨ ⎬⎧ ⎫

=

XBXA

sup{d(b,XA)}H(XA,XB)

d a XB,( ) minb XB∈ d a b,( )[ ]=b

a

sup{d(a,XB)}

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- distance de Baddeley:

est définie pour 2 ensembles binaires XA et XB (==> images binaires)

Nous proposons d’adapter cette définition aux images à niveau de gris: Image A est associée à l’ensemble:

,

B XA XB,( ) 1card S( )-------------------- d s XA,( ) d s XB,( )– E

s S∈∑

1E---

=

XA S G×⊂ XA s g,( ) SxG∈ g, fA s( )={ }=

D XA XB,( ) 1G card S( )⋅----------------------------- d v XA,( ) d v XB,( )– E

v G S×∈∑

1E---

=

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Wilson-Baddeley-Owen ont proposé de caractériser la dissimilaritéentre les images A et B par:

G

Image A: ensemble XA dA(v)

v

XB

G

(x,y)

XAdA(v)

dB(v)

v(x,y,g)

SS

Δg A B,( ) 1G card S( )⋅----------------------------- d∗ s g,( ) ΓA,( ) d∗ s g,( ) ΓB,( )– E

g G∈∑

s S∈∑

1E---

=

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Image A est représentée par le volume défini par l'ensemble ΓA tel que:le sous-graphe de fA ,

et d*: la distance tronquée définie par:

ΓA s g,( ) S G g,×∈ fA s( )≤{ }=

d∗ s g,( ) ΓA,( ) infg′ g g′– c≤( ), max d s Xg′ A( ),( ) g g′–,[ ]{ } c,( )=

sous-graphe ΓB

GΓA

S

d[(s,Xg'(A)]

g

v(s,g')

ΓB

s

g'

Image BImage A

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2.3 Combinaison de l’information locale et globale

- Distance de Hausdorff Modifiée (MHD) proposée par Dubuisson et Jain [1994]

avec

et

MHD A B,( ) max d XA XB,( ) d XB XA,( ),[ ]=

d XA XB,( ) 1card XA( )------------------------ d a XB,( )

a XA∈∑=

d a XB,( ) minb XB∈ d a b,( )=

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- Zamperoni and Starovoitov: Dz

dcity : city block distance, WA= WB = 21x21 pixels

DZ A B,( ) 12G card S( )⋅-------------------------------- minb′ WB∈ dcity a b′,( ){ } mina′ WA∈ dcity a′ b,( ){ }+

E

s S∈∑⎩ ⎭

⎨ ⎬⎧ ⎫

1E---

=

fA

G

s

fB

S

Inte

nsité

W

WB

WA

b

ab' a'

Dissimilarité calculée à l’intérieur de la fenêtre W

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Comparaison de ces différentes dissimilarités:

- vis à vis d'une variation d'intensité - vis à vis du bruit - d'une variation de forme

3.1 ImplémentationLes distances Euclidiennes dA(v) et dB(v) sont approximées au moyend'un opérateur local de distance 3D.

3. Résultats expérimentaux

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Les distances globales sont calculées par propagation d'informations loca-les.

image originale image de distance 2D

G

S2D

coupe d'une image de distance 3D

Volume image Bimage A

dA(v)

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3.2 Effet d'une augmentation d'intensité

image originale +10 +30 +50

0

2

4

6

8

10

12

14

0/1 1/2 2/3 3/4 4/5

DMHDRMS

DzΔg

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

10 20 30 40 50

DMHDRMS

DzΔg

niveau de gris

RMS

DΔg Dz

MHD

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3.2 Sensibilité à une variation de la forme

séquence de 78 images d'un même objet. La caméra tourne autour decet objet et fait l'acquisition d'une image à intervalle régulier.

im47

im1 im12 im33 im47 im68

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20

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80

DMHDRMS

DzΔg

12 47

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3.3 Application à la reconnaissance de gestes dynamiques

On souhaite reconnaître 10 gestes de la main.

le principe de reconnaissance est basé sur:- signature statique (histogramme des orientations du gradient)- signature dynamique (superposition des squelettes)

début du geste milieu du geste fin du geste

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- signature statique (histogramme des orientations du gradient)

la signature statique sert à repérer le début et la fin de la séquence.

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- signature dynamique (superposition des squelettes)

On applique la distance de Baddeley entre les signatures dynamiques. Ladistance la plus petite est associée au geste.

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Première conclusion:

- le nouveau critère D (extension de la distance de Baddeley) est - stable vis à vis d'une variation moyenne de l'intensité- discriminant vis à vis de la forme- robuste vis à vis du bruit (acivs´99)

- les meilleurs opérateurs sont ceux basés sur une modélisationensembliste de l'image.

- de tels opérateurs peuvent être utilisés pour faire du contrôleautomatique en minimisant un critère basé sur le calcul d'une dis-similarité.

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L'opérateur de dissimilarité choisi est l'extension de la distance deBaddeley, noté D, que nous avons adapté aux images couleurs.- première approche:

utiliser un opérateur local de distance 5D.==> (difficultés: temps de traitement, et taille de mémoire gi-gantesque)

- deuxième approche:passer du domaine (x,y,R,V,B) à un domaine 3D (x,y,g)==> faire une indexation des couleurs:

4. Mesure de dissimilarité pour des images Couleurs

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4.1 indexation des couleursOn utilise un réseau de neurones de Kohonen qui a la particularitéde conserver les propriétés de voisinage. l'algorithme SOM (SelfOrganizing Map).

==> difficulté: l'indexation nous donne des couches successives detaille différentes.

SOM

Un ensemble d'images indexéessur 256 niveaux de couleurs{imd1, imd2, ....., imdk}

OutputInput

Un ensemble d'images couleurreprésenté dans l'espace LAB{im1, im2 ,...., imk}

réseau unidimensionnel circulaire

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images originales images indexées

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Nous avons développé un opérateur local de distance 3D non sta-tionnaire dont les coefficients s'adaptent à la hauteur de chaquecouche.

Z

XxY

Pr+1

Pr

Pr-1Cr

Cr+1

Pr-2

masque avant

(D001)r

(D101)r(D111)r

(D111)r (D111)r

(D111)r

(D011)r

(D101)r

(D011)r

Z = Pr-1 Z = Pr

(D010)r

(D100)r(D110)r (D110)r

0

(D001)r

(D101)r(D111)r

(D111)r (D111)r

(D111)r

(D011)r

(D101)r

(D011)r

(D100)r(D110)r (D110)r

0 ( D010)r

Z = Pr+1Z = Prmasque arrière

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Résultats expérimentaux:a) influence de la Luminance

D. Coquin ETASM

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Dechant

D

D. Coquin ETASM

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b) Influence de la saturation

Dechant

D

D. Coquin ETASM

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c) Influence du déplacement géométrique

0

20

40

60

80

0 5 10 15 20 25

D

RMS

Dechant

Translation

déplacement horizontal de 20 pixels

originale

D. Coquin ETASM

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- comparaison de 5 opérateurs de dissimilarité- extension de la distance de Baddeley appliquée aux images

en niveaux de gris. ==> nouveau critère D- proposé une méthode qui permet d'appliquer cette dissimi-

larité aux images de couleur.- étudié les propriétés de cette dissimilarité pour quelques dé-

formations connues.- ce critère peut être utilisé comme critère de qualité entre 2

images.

5. CONCLUSION

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