图像分析与理解
计算机图像处理与分析
计算机图像处理与分析计算机图像处理与分析是指利用计算机技术对图像进行处理、分析和理解的过程。
它涉及到数字图像处理、计算机视觉、图像识别等多个领域，是计算机科学和工程领域的一个重要研究方向。
以下是计算机图像处理与分析的一些基本知识点：1.数字图像处理：将模拟图像转换为数字图像，并进行各种处理，如图像增强、滤波、边缘检测、图像分割、图像配准等。
2.图像分析：对图像进行量化、描述和解释，包括特征提取、目标检测、形状分析、纹理分析等。
3.计算机视觉：通过模拟人类的视觉系统，使计算机能够理解和解释图像和视频。
包括图像识别、场景重建、视觉伺服等。
4.图像识别：识别图像中的对象、场景和个体，是计算机视觉的一个重要任务。
包括监督学习、非监督学习、深度学习等方法。
5.图像编码和压缩：为了节省存储空间和带宽，需要对图像进行编码和压缩。
包括JPEG、PNG、H.264等编码标准。
6.图像重建：从多个图像中重建三维模型或场景，应用于医学、工业等领域。
7.图像处理与分析的应用：包括图像处理软件、计算机辅助设计、机器人视觉、遥感图像处理、医学图像分析等。
8.数学基础：包括线性代数、概率论和数理统计、微积分等，这些数学工具在图像处理与分析中起到重要作用。
9.编程语言和工具：熟悉常用的编程语言，如Python、MATLAB、C++等，以及图像处理库，如OpenCV、MATLAB的Image Processing Toolbox等。
10.硬件设备：图像处理与分析需要高性能的计算机和专业的图像采集设备，如摄像头、扫描仪等。
计算机图像处理与分析是一门综合性的学科，需要掌握多个领域的知识和技能。
通过学习和实践，可以更好地理解和应用图像处理与分析的技术。
习题及方法：1.习题：图像增强的目的是什么？解题方法：回顾图像增强的定义和目的，增强图像的视觉效果，提高图像的质量和清晰度，以便更好地进行图像分析和识别。
答案：图像增强的目的是提高图像的质量和清晰度，以便更好地进行图像分析和识别。
使用计算机视觉技术进行图像分析的步骤
使用计算机视觉技术进行图像分析的步骤图像分析是利用计算机视觉技术对图像进行解析、提取信息和获取有用知识的过程。
通过图像分析，我们可以理解图像中的内容、结构、特征，并为后续的处理和决策提供参考。
图像分析的步骤可以分为以下几个方面：1. 图像获取和预处理在进行图像分析之前，首先需要获取图像数据。
图像可以通过不同的传感器设备或者采集系统获得，比如数字相机、摄像机、扫描仪等。
获取到的图像数据可能会受到噪声、光照和畸变等因素的干扰，因此要进行预处理，包括去除噪声、颜色校正、几何校正等，以便得到质量更好的图像数据。
2. 特征提取和表示特征提取是图像分析中的核心步骤之一。
通过特征提取，可以从图像中提取出表达图像特点的数学描述，用于后续的分析和处理。
常见的特征包括颜色、纹理、形状、边缘等。
特征提取可以采用传统的算法，如高斯滤波、边缘检测、纹理分析等；也可以使用深度学习技术，如卷积神经网络（CNN）进行端到端的特征提取。
3. 图像分割图像分割是将图像划分成不同的区域或对象的过程。
图像分割可以通过基于像素的方法，如阈值分割、边缘分割等，或者基于特征的方法，如基于区域生长、区域分裂合并等。
图像分割可以提取出感兴趣的区域，并为后续的目标检测、识别等任务提供准确的输入。
4. 目标检测与识别目标检测与识别是图像分析的重要应用之一。
通过目标检测与识别，可以自动地识别图像中的目标物体，并进行分类、定位和跟踪等操作。
目标检测与识别可以使用传统的机器学习方法，如支持向量机（SVM）、决策树等；也可以使用深度学习方法，如卷积神经网络、循环神经网络等。
目标检测与识别可以应用于人脸识别、车辆检测、物体识别等多个领域。
5. 图像理解和分析图像理解和分析是对图像中语义信息的理解和提取。
通过图像理解和分析，可以从图像中获取更高级别的信息，如场景理解、情感分析等。
图像理解和分析可以使用传统的图像处理方法，如特征匹配、图像拼接等；也可以使用深度学习方法，如图像标注、图像生成等。
遥感图像分析的基本原理与方法
遥感图像分析的基本原理与方法遥感图像分析是一种通过获取和解释地球表面的图像数据来研究地理现象和环境变化的方法。
它利用遥感技术获取的图像数据进行数据处理和分析，以揭示地球的表面特征、变化和趋势。
本文将介绍遥感图像分析的基本原理和方法，并探讨其在地质、环境和农业等领域的应用。
一、遥感图像分析的基本原理遥感图像分析依赖于传感器获取的电磁辐射数据。
电磁辐射是能量在电磁波形式下传播的过程，其波长范围从长波到短波，包括可见光、红外线和微波等。
传感器可以通过不同波段的响应来获取不同的辐射数据，从而得到不同频谱范围内的图像数据。
在遥感图像中，每个像素代表一块地表区域的平均辐射量。
图像数据可以由数字矩阵表示，其中每个像素的灰度值或颜色值表示该区域的辐射强度或反射率。
通过对这些数据进行处理和分析，可以获得地表特征的信息。
二、遥感图像分析的方法1. 预处理遥感图像预处理是为了去除图像中的噪声、增强特征和调整图像的对比度等。
常见的预处理步骤包括去噪、辐射校正、大气校正和几何校正等。
这些步骤可以提高图像质量并准确反映地表特征。
2. 特征提取特征提取是指从遥感图像中提取有用的地物信息。
可以根据图像的灰度、色彩、纹理和形状等特征来区分不同的地物类型。
常用的特征提取方法包括直方图均衡化、主成分分析、变化检测和物体识别等。
3. 分类与识别遥感图像分类是将图像中的像素按照其地物类型划分为不同的类别。
分类可以基于监督或无监督方法进行。
其中，监督分类依赖于训练样本和分类器，而无监督分类则是通过数据的统计分布和聚类分析进行分类。
4. 变化检测变化检测是利用多期遥感图像比较分析同一地区在不同时间的变化情况。
通过对像素之间的差异进行检测和分析，可以揭示地表的变化趋势和时空模式。
变化检测在环境监测、城市规划和资源管理等领域具有重要应用价值。
三、遥感图像分析的应用1. 地质勘探遥感图像分析可以帮助地质学家在不同尺度上研究地球表面的地质结构和岩矿成分。
图像语义分析与理解综述
*国家自然科学基金资助项目(N o .60875012,60905005)收稿日期:2009-12-21;修回日期:2010-01-27作者简介 高隽,男,1963年生,教授,博士生导师,主要研究方向为图像理解、智能信息处理、光电信息处理等.E-m a i:l gao j un @hfut .edu .cn .谢昭,男,1980年生,博士,讲师,主要研究方向为计算机视觉、智能信息处理、模式识别.张骏,女,1984年生,博士研究生,主要研究方向为图像理解、认知视觉、机器学习.吴克伟,男,1984年生,博士研究生,主要研究方向为图像理解、人工智能.图像语义分析与理解综述*高 隽 谢 昭 张 骏 吴克伟(合肥工业大学计算机与信息学院合肥 230009)摘 要 语义分析是图像理解中高层认知的重点和难点,存在图像文本之间的语义鸿沟和文本描述多义性两大关键问题.以图像本体的语义化为核心,在归纳图像语义特征及上下文表示的基础上,全面阐述生成法、判别法和句法描述法3种图像语义处理策略.总结语义词汇的客观基准和评价方法.最后指出图像语义理解的发展方向.关键词 图像理解,语义鸿沟,语义一致性,语义评价中图法分类号 T P 391.4I m age Se m antic Anal ysis and Understandi ng :A R eviewGAO Jun ,XI E Zhao ,Z HANG Jun ,WU Ke -W ei(S chool of C o m puter and Infor m ation,H e fei University o f T echnology,H efei 230009)ABSTRACTSe m antic ana l y sis is the i m portance and diffi c u lty of high -level i n terpretati o n i n i m age understandi n g ,i n wh ich there are t w o key issues of tex-t i m age se m an tic gap and tex t descri p ti o n po lyse m y .Concentrating on se m antizati o n o f i m ages onto logy ,three soph i s tica ted m et h odolog ies are round l y rev ie w ed as generati v e ,d iscri m ina ti v e and descriptive gra mm ar on the basis of conc l u d i n g i m ages se m antic fea t u res and context expression .The ob jective benchm ark and eva l u ation for se m an tic vocabu lary are i n duced as w e l.l F i n ally ,the summ arized directions fo r furt h er researches on se m antics i n i m age understand i n g are discussed i n tensively .K ey W ords I m age Understanding ,Se m antic G ap ,Se m an tic Consistency ,Se m an tic Evalua ti o n1 引 言图像理解(I m age Understandi n g ,I U )就是对图像的语义解释.它是以图像为对象,知识为核心,研究图像中何位置有何目标(what is w here)、目标场景之间的相互关系、图像是何场景以及如何应用场景的一门科学.图像理解输入的是数据,输出的是知识,属于图像研究领域的高层内容[1-3].语义(Se -第23卷 第2期 模式识别与人工智能 V o.l 23 N o .2 2010年4月 PR &A I A pr 2010m antics)作为知识信息的基本描述载体,能将完整的图像内容转换成可直观理解的类文本语言表达,在图像理解中起着至关重要的作用.图像理解中的语义分析在应用领域的潜力是巨大的.图像中丰富的语义知识可提供较精确的图像搜索引擎(Searching Eng i n e),生成智能的数字图像相册和虚拟世界中的视觉场景描述.同时,在图像理解本体的研究中,可有效形成/数据-知识0的相互驱动体系,包含有意义的上下文(Context)信息和层状结构(H ierarchica-l S truct u red)信息,能更快速、更准确地识别和检测出场景中的特定目标(如,识别出场景中的/显示器0,根据场景语义知识可自动识别附近的/键盘0).尽管语义分析在图像理解中处于非常重要的位置,但传统的图像分析方法基本上全部回避了语义问题,仅针对纯粹的图像数据进行分析.究其原因主要集中于两方面:1)图像的视觉表达和语义之间很难建立合理关联,描述实体间产生巨大的语义鸿沟(Se m antic Gap);2)语义本身具有表达的多义性和不确定性(Am bigu ity).目前,越来越多的研究已开始关注上述/瓶颈0,并致力于有效模型和方法以实现图像理解中的语义表达.解决图像理解中的语义鸿沟需要建立图像和文本之间的对应关系,解决的思路可大致分为三类.第一条思路侧重于图像本身的研究,通过构建和图像内容相一致的模型或方法,将语义隐式地(I m p lici-t l y)融入其中,建立/文本y图像0的有向联系,核心在于如何将语义融于模型和方法中.采用此策略形成的研究成果多集中于生成(Generati v e)方式和判别(D iscri m inati v e)方式中.第二条思路从语义本身的句法(G ra mm ar)表达和结构关系入手,分析其组成及相互关系,通过建立与之类似的图像视觉元素结构表达,将语义描述和分析方法显式地(Exp lici-t l y)植入包含句法关系的视觉图中,建立/图像y文本0的有向联系.核心在于如何构建符合语义规则的视觉关系图.第三条思路面向应用,以基于内容的图像检索(I m age Retrieval)为核心,增加语义词汇规模,构建多语义多用户多进程的图像检索查询系统.解决语义本身的多义性问题需要建立合理的描述规范和结构体系.Princeton大学的认知学者和语言学家早在20世纪80年代就研究构建了较合理统一的类树状结构.如今已被视为视觉图像研究领域公认的语义关系参考标准,用于大规模图像数据集的设计和标记中,有效归类统一了多义性词语.此外,一些客观的语义检索评价标准也在积极的探索过程中.本文将对上述两个图像语义理解中的问题进行方法提炼和总结.针对语义鸿沟问题,介绍已有模型和方法的处理策略.还采用较完备的图像语义/标尺0(B ench m ark)解决语义的主观多义性.2图像内容的语义分析图像内容描述具有/像素-区域-目标-场景0的层次包含关系,而语义描述的本质就是采用合理的构词方式进行词汇编码(Encodi n g)和注解(Annota-tion)的过程.这种过程与图像内容的各层描述密切相关,图像像素和区域信息源于中低层数据驱动,根据结构型数据的相似特性对像素(区域)进行/标记0(Labeli n g),可为高层语义编码提供有效的低层实体对应关系.目标和场景的中层/分类0(C ategor-i zati o n)特性也具有明显的编码特性,每一类别均可视为简单的语义描述,为多语义分析的拓展提供较好的原型描述.本节将针对前述的语义鸿沟问题介绍常用的图像语义表示方法和分析策略.2.1语义化的图像特征图像内容的语义分析借鉴文本分析策略.首先需要构建与之相对应的对象,整幅图像(I m age)对应整篇文档(Docum ent),而文档中的词汇(Lex icon)也需要对应相应的视觉词汇(V isua lW ord).视觉词汇的获取一般通过对图像信息的显著性分析提取图像的低层特征,低层特征大多从图像数据获取,包括简单的点线面特征和一些特殊的复杂特征,再由鲁棒的特征表达方式生成合适的视觉词汇,视觉词汇一般具有高重用性和若干不变特性.点特征提取以图像中周围灰度变化剧烈的特征点或图像边界上高曲率的点为检测对象,根据灰度或滤波函数确定区域极值点(如H arris角点[4]等),并拓展至不同掩膜下的尺度空间中(如高斯-拉普拉斯、高斯差分等),分析极值点的稳定特性,得到仿射不变的H arris二阶矩描述符[5].线特征描述图像中目标区域的外表形状和轮廓特性,这类轮廓线特征以C anny算子等经典边缘检测算法为基础,集中解决边缘曲线的描述、编组以及组合表达等问题.边缘上的双切线点和高曲率点可连接形成有效的边缘链或圆弧,根据聚类策略或某些规则完成线片段编组,形成线特征的视觉词汇[6-8].区域是图像上具有灰度强相关性的像素集合,包含某种相似属性(如灰度值、纹理等),相对于点线特征,面特征有更丰富的结构信息.区域特征以点特征为中心,采用拉普192模式识别与人工智能23卷拉斯尺度下的H arris或H essian仿射区域描述,对特征尺度上的椭圆仿射区域内的初始点集进行参数迭代估计,根据二阶矩矩阵的特征值测量点邻的仿射形状[4,9].另一种策略分析视觉显著区域对象(如直方图、二值分割图等)的熵值统计特性,得到最佳尺度下的最稳定区域,满足视觉词汇的高重用性[10-11].鲁棒特征表达对提取的特征进行量化表示.点特征一般仅具有图像坐标.线特征则充分考虑邻域边缘点的上下文形状特性,以边缘上采样点为圆心,在极坐标下计算落入等距等角间隔区域的边缘像素直方图.椭圆形面特征描述主要以尺度不变特征变换(Sca le I nvariant Fea t u re Transfor m,SI FT)[12-13]为主,SI FT特征对每个高斯窗口区域估计方向直方图,选择峰值作为参考方向基准,计算4@4网格区域内8个方向的梯度直方图,任何区域均可转换为4@4@8 =128维特征向量.该特征对图像尺度、旋转具有不变性,对亮度和视角改变也保持一定稳定性.通过对特征向量的聚类,得到最原始的特征词汇,形成的语义化图像特征也称为/码书0(Codebook)[14].2.2图像语义的上下文表达图像的语义信息描述主要包含外观位置信息和上下文信息,前者如2.1节所述,可表示成/码书0.上下文信息不是从感兴趣的目标外观中直接产生,而来源于图像邻域及其标签注解,与其他目标的外观位置信息密切相关.当场景中目标外观的可视程度较低时,上下文信息就显得尤为重要.B ieder m an将场景中不相关目标关系分为5种,即支撑(Support)、插入(I nterpositi o n)、概率(Proba-b ility)、位置(Positi o n)和大小(Size)[15-16].五类关系均包含/知识0,不需要知道目标信息就可确定支撑和插入关系,而后三类关系对应于场景中目标之间的语义交互关系,可缩短语义分析时间并消除目标歧义,通常称为/上下文特征0(C ontex t Features),譬如一些相对复杂的特征描述(如全局G ist特征[17-18]、语义掩码特征等)融入场景上下文信息,本身就包含语义(关联)信息,是语义分析的基础.如今有很多研究开始挖掘B ieder m an提出的三类语义关系,可分为语义上下文、空间上下文和尺度上下文[19].语义上下文表示目标出现在一些场景中,而没有出现在其他场景中的似然性,表示为与其他目标的共生(Co-O ccurrence)关系,可采用语义编码方式[20-21],也可由共生矩阵判断两类目标是否相关[22-23],此类上下文对应B ieder m an关系中的/概率0关系.空间上下文表示目标相对于场景中其他目标出现在某个位置上的似然性,对应于/位置0关系.空间上下文隐式地对场景中目标的/共生0进行编码,为场景结构提供更加具体的信息,只需确定很少的目标,就可通过合理的目标空间关系降低目标识别的误差,消除图像中的语义歧义[24-25].尺度上下文表示目标在场景中可能的相对尺度范围,对应于/大小0关系.尺度上下文需处理目标之间的特定空间和深度关系,可缩小多尺度搜索空间,仅关注目标可能出现的尺度.尺度上下文在二维图像中较为复杂,目前仅用于简单的视觉分析系统中[26-27].目前大多数上下文方法主要分析图像中的语义上下文和空间上下文.语义上下文可从其他两种上下文中推理获取,与场景中的目标共生相比.尺度和空间上下文的变化范围较大,而共生关系的知识更易获取,处理计算速度更快.融入上下文特征的图像语义形成了全局和局部两种分析策略,即基于场景的上下文分析和基于目标的上下文分析.前者从场景出发[15,27],将图像统计量看作整体,分析目标和场景之间的高频统计特性,获取全局上下文信息,如马路预示着汽车的出现.后者从目标出发[25,28],分析目标间的高频统计特性,获取局部上下文信息,如电脑预示着键盘的出现.总之,上下文特征包含了更丰富的知识,有助于为图像理解提供更准确的语义信息.2.3语义分析的生成方法生成方法基于模型驱动,以概率统计模型和随机场理论为核心,遵循经典的贝叶斯理论,定义模型集合M,观察数据集合D,通过贝叶斯公式,其模型后验概率p(M|D)可以转换为先验概率p(M)和似然概率p(D|M)的乘积.生成方法一般假设模型遵循固定的概率先验分布(如高斯分布等),其核心从已训练的模型中/生成0观察数据,测试过程通过最大似然概率(M ax i m ize L i k e lihood)得到最符合观察数据分布的模型预测似然(Pred icti v e Like li h ood).图像语义分析的生成方法直接借用文本语义分析的图模型结构(G raph ica lM ode ls),每个节点定义某种概念,节点之间的边表示概念间的条件依赖关系,在隐空间(Latent Space)或随机场(Rando m Field)中建立文本词组和视觉描述之间的关联,生成方法无监督性明显,具有较强的语义延展性.2.3.1层状贝叶斯模型图模型的节点之间由有(无)向边连接,建立视觉词汇和语义词语之间的对应关系.朴素贝叶斯理论形成的经典Bags-o-f W ords模型是层状贝叶斯模1932期高隽等:图像语义分析与理解综述型的雏形,该模型将同属某类语义的视觉词汇视为/包0,其图结构模型和对应的视觉关系描述如图1(a)所示,其中灰色节点为观察变量,白色节点为隐变量,N 为视觉词汇的个数,通过训练建立类别语义描述c 和特征词汇w 之间的概率关系,选取最大后验概率p (c |w )对应的类别作为最终识别结果.(a)朴素贝叶斯(b)概率隐语义分析(c)隐狄利克雷分配(a)N a Çve bay es(b)P robab ili stic latent se m antic ana l y si s (c)L atent D irich let a llocati on图1 有向图语义描述F i g .1 Se m antic i nterpre tati on of directed g raphs朴素贝叶斯模型试图直接建立图像和语义之间的联系,但由于视觉目标和场景的多样性导致这种稀疏的离散分布很难捕捉有效的概率分布规律,因此H o f m ann 借鉴文本分析中的概率隐语义分析(Probab ilistic Latent Se m antic Ana l y sis ,pLSA )模型[29-30],将/语义0描述放入隐空间Z 中,生成相应的/话题0(Top ic)节点,其基本描述如图1(b )所示.D 为M 个图像d 组成的集合,z 表示目标的概念类别(称为/Top ics 0),每幅图像由K 个Topics 向量凸组合而成,通过最大似然估计进行参数迭代,似然函数为p (w |d )的指数形式,与语义词汇和图像的频率相关.模型由期望最大化(E xpec ta tion M ax i m ization,E M )算法交替执行E 过程(计算隐变量后验概率期望)和M 过程(参数迭代最大化似然).决策过程的隐变量语义归属满足z*=arg m ax z P (z |d ),pLSA 模型通过隐变量建立特征与图像间的对应关系,每个文本单元由若干个语义概念按比例组合,本质上隐空间内的语义分布仍然是稀疏的离散分布,很难满足统计的充分条件.隐狄利克雷分配(LatentD ir ich let A llocation ,LDA )模型[31-32]在此基础上引入参数H ,建立隐变量z 的概率分布.在图像语义分析中,变量z 反映词汇集合在隐空间的聚类信息,即隐语义概念,参数H (通常标记为P )则描述隐语义概念在图像空间中的分布,超参A (通常标记为c)一般视为图像集合D 中已知的场景语义描述.如图1(c )所示,由参数估计和变分(V aria tiona l)推理,选取c =arg m ax c P (w |c ,P ,B )作为最终结果.LDA 中不同图像场景以不同的比例P 重用并组合隐话题空间全局聚类(G l o ba lC l u ster),形成/场景-目标-部分0的语义表达关系.LDA 中的隐话题聚类满足De Finetti 可交换原理,其后验分布不受参数次序影响,不同隐话题聚类相互独立,无明显的结构特性.一种显而易见的策略就是在此模型基础上融入几何或空间关系,即同时采用话题对应的语义化特征的外观描述和位置信息,这样不同话题的分布大体被限定于图像场景的某个区域,如天空总是出现在场景的上方等,减小模型决策干扰.如L i 等人[14,33]在LDA 模型中融入词汇的外观和位置信息,并将语义词汇描述c 划分为视觉描述词汇(如sky )和非视觉描述词汇(如w i n d)两类,由词汇类别转换标签自动筛选合适的词汇描述.模型采用取样(Sa mp li n g)策略对从超参先验中生成的视觉词汇和语义标签进行后验概率学习,模型中包含位置信息的语义特征显式地体现了空间约束关系,具有更好的分析效果.(a)无结构(b)全互连结构(c)星状结构(a)U nstructured(b)Fu ll structure (c)Sta r struct u re图2 Part -based 模型表示图F i g.2 R epresen tati on for Part -based m ode lsLDA 模型已明确地将隐空间的/话题0语义进行合理聚类,建立与视觉词汇聚类的对应关系.隐话题聚类隐式地对应场景或目标的某些部分(parts),是一种较原始的par-t based 模型.真正的par-t based模型侧重/目标-部分0之间的语义关联表达,不仅具有较强的结构特性,而且直接概念化隐空间的语义聚类,每个part 直接显式对应语义描述(如人脸可分为眼睛、鼻子、嘴等不同部分).如图2所示,一般通过人工设定或交叉验证的方式固定重要参数(如隐聚类个数、part 个数等)并混合其概率密度,其中固定参数的D ir i c h let 生成过程是一种有限混合./星群0(Conste llati o n)模型[34-35]是其中的典型,根据不194模式识别与人工智能 23卷同区域的外观位置信息描述,确定P 个部分的归属及其概率分布,将目标和背景似然比分解为外观项、形状项、尺度项以及杂项的乘积,依次计算概率密度值(一般是高斯分布或均匀分布),并E M 迭代更新参数,最后通过似然比值判断目标的语义属性.部分间的约束关系体现于形状项中,可以假设为全互连结构(Fu ll Str ucture)或星状结构(S tar S tructure),其结构信息体现于高斯分布的协方差矩阵中(满秩或稀疏矩阵),有助于提高语义分析的准确性.固定参数的D irichlet 生成过程是无限混合模型的一种特例,可通过合适的随机过程,很好表达无限混合(I nfi n ite M i x t u re)模型,自动确定混合个数.这种/非参0(Non -Para m etric)模型可捕捉到概率空间的隐性分布,不受特定的概率密度函数形式表达限制.整个D irich let 过程可拓展至层次结构(H ierar -ch ical D irichlet Process ,HDP).H DP 具有明显的结构特性,可以很容易对应于图像中的/场景-目标-部分0层次结构,其混合组成很显式地表达了不同目标实体间的语义包含关系.Sudderth 在HDP 的基础上,引入转换函数(Transfor m ed Function),生成转换D irichlet 过程(T ransfor m ed D irichlet Process ,TDP),每组的局部聚类不再直接/复制0全局聚类参数,而是通过不同转换函数生成变化多样的局部变参,更符合目标多变特性[36-37].层状贝叶斯模型是当前处理图像语义问题的关注热点,其模型特有的参数化层次结构信息参照文本处理直接对应图像中的语义实体,通过图模型的参数估计和概率推理得到合适的语义描述.模型本身的发展也具有一定的递进关系,即/Bags -o-f W ord模型y pLSA 模型y LDA 模型y par-t based 模型y HDP 模型y TDP 模型0等,分析得到的结果具有层次语义包含关系.2.3.2 随机场模型随机场模型以均值场(M ean F ield)理论为基础,图中节点变量集合{x i |i I V }通常呈4-邻域网格状分布,节点之间的边{(x i ,x j )|i ,j I V;(x i ,x j )I E }体现隐性关联,由势函数W ij (x i ,x j )表示,一般具有含参数H 的近高斯指数分布形式,每个隐节点x i 一般对应一个观察变量节点y i ,由势函数W i (x i ,y i )表示.如图3所示,观察节点可对应图像的像素点,也可对应图像中的某个区域或目标语义化特征描述(如2.1节所述),隐变量则对应语义/标记0或/标签0l .随机场模型具有丰富的结构场信息,节点间上下文关联很强,通常分析像素标记解决图像分割问题.近年来,其特定的约束关系(如桌子和椅子经常关联出现)也被用于图像区域化语义分析中,隐节点集的语义标签对应不同的语义化特征和势函数取值,最大化随机场的能量函数得到的标记赋值,就是最终的区域语义标记属性.随机场模型具有较成熟的计算框架,融合其上下文关联信息的层次贝叶斯/生成0模型是分析图像语义的主流趋势[14,33-35,38-40].图3 随机场模型及其图像语义描述F ig .3 R andom field m ode l and its se m antic descr i pti on2.4 语义分析的判别方法判别方法基于数据驱动,根据已知观察样本直接学习后验概率p (M |D ),主要通过对训练样本的(弱)监督学习,在样本空间产生合适的区分函数,采用形成的分类器或结构参数,完成对特定的特征空间中点的划分(或闭包),形成某些具有相似特性的点的集合.这些共性可直接显式对应图像理解中的若干语义信息,如目标和场景的属性、类别信息等,通常以主观形式体现于观察样本中,其本质就在于学习并获取区分不同语义信息的知识规则(如分类器等).由于语义信息主观设定(如判别几种指定类别),因此判别方法主要侧重观察样本(语义)的处理分析,而非观察样本(语义)的获取.判别方法是包含经典的机器学习方法,精确度较高且易于实现,常用于目标检测识别识别.其策略主要包括最近邻分析、集成学习和核方法.2.4.1 最近邻方法最近邻(k -N earestN e ighbo r ,kNN )方法是基于样本间距离的一种分类方法.其基本思想是在任意空间中、某种距离测度下,寻找和观测点距离最接近的集合,赋予和集合元素相似的属性集合.在图像理解中,就是在图像特征空间寻找和近似的特征描述集,将已知的语义作为分析图像的最终结果.最近邻方法非常简单,但对样本要求较高,需要很多先验知1952期 高 隽 等:图像语义分析与理解综述识,随着大规模语义标记图像库的出现(如后 3.2节所述),最近邻方法有了广阔的应用前景,Torra l b a 等人[41]建立80万幅低分辨率彩色图像集合和相应的语义标记,图像集涵盖所有的视觉目标类别,以W ord N et语义结构树(如后3.1节所述)的最短距离为度量,采用最近邻方法分别对其枝干进行投票,选取最多票数对应最终的语义标签输出.也可直接在图像空间中计算像素点的欧式距离,得到与分析图像相类似的语义空间布局(Con fi g uration).Russe ll 等人[42]利用最近邻方法找出与输入图像相似的检索集,通过含有标记信息的检索图像知识转化到输入图像中,完成场景到目标的对齐任务.语义聚类法还被用于视频数据库中[43],具有较好的结果.2.4.2集成学习集成学习将各种方法获得的模型在累加模型下形成一个对自然模型的近似[44-45],将单一学习器解决问题的思想转换为用多个学习器来共同解决问题.Boosti n g是集成学习方法的典型.其基本思想是每次迭代t生成一个带权重A t的弱分类器(W eaker C lassifier)h t,加大误分样本的权重,保证后续学习对此类样本的持续关注,权重A t表示该弱分类器h t 的重要性,分类效果好的权重大,效果差的权重小.其集成学习的结果就是弱分类器的加权组合E T t=1Ex i I DA t h t(x i)构成一个分类能力很强的强分类器(Strong C lassif-i er),完成简单的二值或复杂的多值分类[46-47].集成学习方法经常用于图像理解的语义分类中,其样本数据集既可以是区域块也可以是滤波后的基元乃至包括上下文和空间布局信息.其分类结果具有很明显的语义区分度.多语义分类中经常出现多类共享的情况,因此,联合Boosti n g的提出极大地减少了分类器的最佳参数搜索时间,使单一弱学习器具有多类判别能力[48-51].同时,近年来多标签多实例(M ult-i Instance M u lt-i Labe l Learn i n g,M I M L)的集成学习策略[52]也倍受学者关注,图像理解中的语义划分问题可通过M I M L转化为单纯数据下的机器学习问题,其输出的分类结果就是对既定语义的编码结果.2.4.3核方法核方法(Kernel)是在数据集中寻找合适的共性/基0,由/基0的混合组成共性空间,与图像理解中的低层基元表示异曲同工.使用核方法可将低维输入空间R n样本特征映射到高维空间中H,即5B R n y H,将非线性问题转换为线性问题.其关键是找到合适的核函数K保持样本在不同空间下的区分关系,即K(x i,x j)=5(x i)#5(x j).它能够在学习框架和特定知识之间建立一种自然的分离来完成图像有意义的表达[53-54].支持向量机(S VM)是常用的核方法之一.它以训练误差作为优化问题的约束条件,以置信范围值最小化作为优化目标,在核函数特征空间中有效训练线性学习分类器,通过确定最优超平面(H yper Plane)及判别函数完成高维空间点的分类.SVM方法在解决小样本、非线性及高维模式识别问题中表现出许多特有的优势,在图像理解中,能有效解决不同环境、姿态以及视角下的广义目标识别分类问题,是目前最为通用的分类模型[55-58].针对多语义分类问题,Farhad i等人[59]将目标的语义属性细分为部分、形状及材质等,相同或相似的语义对应的样本集表明了某种特有的共性关系,采用L1测度对数回归和线性SVM方法学习不同语义类别的判别属性,其多语义属性的不同划分决定了指定目标的唯一描述,具有很强的语义可拓展性.判别模型是通过模型推理学习得出的后验概率,对应不同类别目标的后验概率或对应图像前景和背景的不同后验概率来划定判决边界,进而完成目标识别,指导图像理解.判别模型在特征选取方面灵活度很高,可较快得出判别边界.2.5图像句法描述与分析人对图像场景理解的本质就是对图像本身内在句法(G ra mm ar)的分析.句法源于对语句结构研究,通过一系列的产生式规则将语句划分为相互关联的若干词汇(组)组合,体现句法内词汇之间的约束关系.图像句法分析直接研究图像语义,随着20世纪70年代句法模式识别的提出,Otha就试图构建统一的基于视觉描述的知识库系统,利用人工智能相关策略进行场景语义推理.但由于视觉模型千变万化,方法针对性很强,句法分析方法曾一度没落.当前图像语义分析的一部分研究重心又重新转向图像句法.由于句法分析本身已较为成熟,因此如何建立和句法描述相对应的图像视觉描述非常关键.2.5.1图像与或图表达图像I内的实体具有一定的层次结构,可用与或图(And-O r G raph)的树状结构表示,即解析树pg.如图4所示,同属一个语义概念的实体尽管在外观上具有很大差异,但与或图表达相似,与节点表示实体的分解(D ecom position),如/场景y目标0, /目标y部分0等,遵循A y BCD,的句法规则,或节点表示可供选择的结构组成,遵循A y B|C|D,196模式识别与人工智能23卷。
图像处理方法有哪些
图像处理方法有哪些图像处理方法是指对数字图像进行处理和分析的技术和方法。
它可以通过一系列算法和技术对图像进行增强、滤波、分割、特征提取、识别等操作，以改善图像质量、提取有用信息和实现自动化处理。
常见的图像处理方法有以下几种：1. 图像增强：图像增强是通过改善图像的对比度、亮度、锐度和颜色等属性来改善图像质量的方法。
常见的图像增强方法包括直方图均衡化、灰度拉伸、对比度拉伸、锐化和平滑等。
2. 图像滤波：图像滤波是在频域或空域对图像进行滤波操作，以达到图像去噪、边缘检测、平滑、锐化等目的。
常见的图像滤波方法包括均值滤波、中值滤波、高斯滤波、边缘增强滤波等。
3. 图像分割：图像分割是将图像划分为具有独立语义的一组区域的过程，旨在提取图像中的目标或感兴趣的区域。
常见的图像分割方法包括阈值分割、区域生长、边缘检测、基于图割的分割等。
4. 特征提取：特征提取是从图像中提取出携带有目标信息的低维度表示的过程，常用于图像分类、目标识别和图像检索等任务。
常见的特征提取方法包括局部二值模式（LBP）、方向梯度直方图（HOG）、尺度不变特征变换（SIFT）、速度骨架特征描述子（SURF）等。
5. 图像配准：图像配准是将不同视角或不同时间拍摄的图像进行准确对齐的过程，常用于图像拼接、目标跟踪和立体视觉等应用。
常见的图像配准方法包括基于特征点匹配的配准、基于相似变换的配准、基于标定模型的配准等。
6. 特征匹配：特征匹配是将两个或多个图像中的特征点进行匹配，以实现图像拼接、目标跟踪和立体视觉等任务。
常见的特征匹配方法包括基于相似度的特征匹配、基于距离度量的特征匹配、基于深度学习的特征匹配等。
7. 目标检测与识别：目标检测与识别是指在图像中自动检测和识别出感兴趣的目标或物体的任务。
常见的目标检测与识别方法包括基于滑动窗口的检测、基于特征的分类器（如支持向量机、卷积神经网络）的识别、基于深度学习的目标检测与识别等。
8. 图像分析与理解：图像分析与理解是对图像进行高层次的语义理解和推理的过程，常用于人脸识别、行为分析和场景理解等应用。
图像相关问题分析与解法总结
图像相关问题分析与解法总结随着科技的不断发展，图像处理技术在各个领域中扮演着越来越重要的角色。
无论是在医学影像诊断、人脸识别还是虚拟现实等方面，图像相关问题都是我们需要面对和解决的挑战。
本文将就图像相关问题进行分析，并总结一些解决方法。
一、图像噪声问题在图像处理过程中，噪声是一个常见的问题。
噪声会导致图像细节模糊、失真等问题，影响最终的图像质量。
针对图像噪声问题，我们可以采用以下解决方法：1.滤波器：通过应用滤波器来消除噪声。
常见的滤波器包括均值滤波器、中值滤波器和高斯滤波器等。
不同的滤波器适用于不同类型的噪声，选择合适的滤波器可以有效地降低噪声。
2.小波变换：小波变换是一种多尺度分析方法，可以将信号分解成不同频率的子信号。
通过对图像进行小波变换，可以将噪声和信号分离开来，并对噪声进行去除。
3.深度学习方法：近年来，深度学习在图像处理领域取得了显著的成果。
通过训练深度神经网络，可以学习到噪声的模式，并对图像进行去噪处理。
深度学习方法在图像去噪方面表现出了很大的潜力。
二、图像分割问题图像分割是将图像分成不同的区域或对象的过程。
图像分割在计算机视觉和图像处理中具有广泛的应用，例如目标检测、图像识别等。
以下是一些常用的图像分割方法：1.阈值分割：阈值分割是一种简单而常用的图像分割方法。
通过选择一个适当的阈值，将图像中的像素分为不同的类别。
对于灰度图像，可以根据像素的灰度值来确定阈值；对于彩色图像，可以根据像素的颜色值来确定阈值。
2.边缘检测：边缘是图像中灰度或颜色变化明显的地方。
通过检测图像中的边缘，可以将图像分割成不同的区域。
常用的边缘检测算法包括Sobel算子、Canny 算子等。
3.区域生长：区域生长是一种基于像素相似性的图像分割方法。
该方法从一个或多个种子点开始，根据像素的相似性逐渐扩展区域，直到达到某个停止条件。
三、图像增强问题图像增强是改善图像质量的过程，使图像更加清晰、明亮、对比度更强等。
对图像的分析方法
对图像的分析方法
图像分析是指利用计算机视觉和图像处理技术对图像进行特征提取、对象检测、图像分割、目标跟踪等操作的过程。
以下是一些常用的图像分析方法：
1. 图像预处理：包括灰度化、去噪、图像增强等操作，用于减少噪声、提升图像质量。
2. 特征提取：提取图像的局部特征或全局特征，如颜色特征、纹理特征、形状特征等，用于描述图像的特点。
3. 对象检测与识别：通过训练分类器或使用深度学习模型，检测和识别图像中的特定对象，如人脸、车辆、动物等。
4. 图像分割：将图像分割成不同的区域或对象，常见的方法有阈值分割、边缘检测、区域生长等。
5. 目标跟踪：在时间序列图像中，通过连续帧之间的关联，对特定对象进行追踪，包括基于颜色、纹理、运动等的跟踪方法。
6. 图像配准：将多个图像进行对齐，使得它们在同一坐标系下可比较或融合，
常见的方法有基于特征点、基于区域的配准方法。
7. 图像分析与理解：基于机器学习和深度学习技术，对大规模图像数据进行分析和理解，如图像分类、图像生成、图像描述等。
这些方法可以单独使用或结合起来，用于解决各种图像分析任务，包括图像识别、图像检索、目标跟踪、图像分析等。
函数图像分析：分析函数图像
函数图像分析：分析函数图像函数图像是数学中一个重要的概念，通过分析函数图像，我们可以深入理解函数的性质和特点。
本文将从图像的对称性、增减性、极值点、拐点以及特殊函数的图像等角度，进行函数图像的详细分析。
一、图像的对称性函数图像的对称性可以帮助我们更好地理解函数的性质。
主要有以下几种对称性：1. 奇对称：函数图像关于坐标原点对称。
例如，y = sin(x)函数的图像就是奇对称的，即在原点处对称。
2. 偶对称：函数图像关于y轴对称。
例如，y = x^2函数的图像是偶对称的，即在y轴上对称。
3. 平移对称：函数图像在某一平移变换下保持不变。
例如，y = 2^x 中的图像在平移变换2单位向上后保持不变。
二、图像的增减性通过观察函数图像的增减性，我们可以了解函数在不同区间内的增减趋势。
主要有以下几种情况：1. 递增：函数图像在某一区间上单调递增。
例如，y = x函数在整个定义域上都是递增的。
2. 递减：函数图像在某一区间上单调递减。
例如，y = -x函数在整个定义域上都是递减的。
3. 局部极值点：函数图像在某一区间上有极大值或极小值。
通过求导可确定函数图像的极值点。
三、图像的极值点函数图像的极值点反映了函数的最值情况。
可以通过求导数的方式来确定函数图像的极值点。
1. 极大值点：函数图像在该点附近局部最大。
求导数后，导数为0，且由正变负。
2. 极小值点：函数图像在该点附近局部最小。
求导数后，导数为0，且由负变正。
四、图像的拐点函数图像的拐点是指函数曲线的凹凸性发生改变的点。
可以通过求导数的二阶导数来确定函数图像的拐点。
1. 凹点：函数图像在该点附近向下凹陷。
求二阶导数后，导数大于0。
2. 凸点：函数图像在该点附近向上凸起。
求二阶导数后，导数小于0。
五、特殊函数的图像1. 幂函数：幂函数的图像可以分为几种情况。
当指数n为正数时，幂函数图像随着自变量的增大而增大；当指数n为负数时，幂函数图像随着自变量的增大而减小。
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一名词解释
1仿射变换
几何中，一个向量空间进行一次线性变换并接上一个平移，变换为另一个向量空间，这个过程被称为仿射变换或者仿射映射。
一个对向量平移，与旋转放大缩小的仿射映射为：
上式在齐次坐标上，等价于下面的式子
2腐蚀运算，膨胀运算
腐蚀运算是一种消除边界点，使边界向内部收缩的过程，可以用来消除小且无意义的物体。
膨胀运算是将与物体接触的所有背景点合并到该物体中，使边界向外部扩张的过程，可以用来填补物体中的空洞。
3图像分割
在计算机视觉领域，图像分割（Segmentation）指的是将数字图像细分为多个图像子区域（像素的集合）（也被称作超像素）的过程。
图像分割的目的是简化或改变图像的表示形式，使得图像更容易理解和分析。
图像分割通常用于定位图像中的物体和边界（线，曲线等）。
更精确的，图像分割是对图像中的每个像素加标签的一个过程，这一过程使得具有相同标签的像素具有某种共同视觉特性。
4全局门限
全局门限算法:根据输入图象的灰度直方图的分布,确定目标与背景的分离界线(即门限)
f，则二值化算法的表达式为:
为T,设x, y点的灰度值为(x,y)
ff(x,y)=255
i(x,y)>T
f
5像素的邻接关系
两个像素接触，则它们是邻接的。
一个像素和它的邻域中的像素是接触的。
邻接仅考虑像素的空间关系。
二、简答题
1．简述图像几何变换与图像变换的区别。
答：①图像的几何变换：改变图像的大小或形状。
比如图像的平移、旋转、放大、缩小等，这些方法在图像配准中使用较多。
②图像变换：通过数学映射的方法，将空域的图像信息转换到频域、时频域等空间上进行分析。
比如傅里叶变换、小波变换等。
2．图像量化时，如果量化级比较小会出现什么现象？为什么？
答：如果量化级数过小会出现伪轮廓现象。
量化过程是将连续变化的颜色划分到有限个级别中必然会导致颜色信息损失。
当量化级别达到一定数量时人眼感觉不到颜色信息的丢 失。
当量化级数过小时图像灰度分辨率就会降低颜色层次就会欠丰富不同的颜色之间过度就会变得突然可能会导致伪轮廓现象。
3．举例说明使用均值插值法进行空穴填充的过程
答：均值插值法就是将判断为空穴位置上的像素值用其上、下、左、右像素值的均值来填充。
例如对于下图中的空穴点23f 进行填充时，使用相邻行的像素值来填充。
即：2322241333()/4f f f f f =+++。
4 中值滤波器对椒盐噪声的滤波效果如何？试分析其中的原因。
答：中值滤波是图像处理中的一个常用步骤。
它对于椒盐噪声来说尤其有用。
中值滤波方法以牺牲图像清晰度为代价消除图像中的椒盐噪声。
椒盐噪声是复制近似相等但随机分布在不同的位置上，图像中又干净点也有污染点。
中值滤波是选择适当的点来代替污染点的值，所以处理效果好。
但是中值滤波不能保证把噪声去除只能在有限的范围内减弱噪声对图像的影响。
同时中值滤波不能多次使用 因为这样会使图像各个像素间趋于相同整个图像就会变得越来越模糊。
另外通过查阅资料发现中值滤波器的效果不仅仅和观察窗的大小有关还和观察窗的形状有关。
5为什么YUV 表色系适用于彩色电视的颜色表示？
答：YUV 表色系适用于彩色电视的颜色表示主要原因有以下3点：（1）YUV 表色系具有亮度与色度相分离的特点，黑白电视接收彩色电视节目信号时，只需要将Y 、U 、V 三路信号中的Y 信号介入电视机信号即可；（2）YUV 表色系具有亮度与色度相分离的特点，彩色电视机接收黑白电视节目信号时，只要将U 、V 两路信号置为0即可。
（3）YUV 表色系与RGB 表色系
的转换运算比较简单，便于实时进行色系之间的转换。
三、应用题
1．给出通过图象相减实现变化的检测算法？
答：设1t 时刻的图像1(,)f x y ,2t 时刻的图像2(,)f x y ，(,)Out x y 为结果图像，T 为阈值 1）
对于图像中的每一个像素点，如果2(,)f x y -1(,)f x y ≥T,则(,)Out x y =1，否则为0； 2）
计算(,)Out x y 的连通区域，并去除当中较小的连通区域； 3）
用一个小的圆模板对相邻连通域进行闭运算的融合； 4）
提取融合后的连通域的边界 5） 输出(,)Out x y 和边界
2．试利用直方图实现视频序列的分割？
答：1）首先需要采取一定的策略在视频图像当中选取一个视频序列，因为一段视频当中的
帧数是比较多的，所以需要从中选取某些关键帧组成一个视频序列；
2）计算序列当中每一幅图像的直方图；
3）通过比较相邻图像的直方图差别来分割视频，如果前后两帧的直方图完全不同的话，
可以推断出现了完全新的场景；如果前后两帧的直方图存在着部分的不相同，则说明场景中出现了新的物体或者是场景在缓慢的变化。
3．试模拟矩阵设计一个模拟视频监控系统？
答：可以通过对n 个摄像头，m 个监视器来进行验证，一个视频由此构成，其基础架构为图1、图2所示：
图1以32⨯8视频矩阵切换器为核心组成的视频监控应用系统。