Robotik 3 - Digitale Bildverarbeitung

Filter, Features, Merkmalsextraktion

Filter, Features, Merkmalsextraktion


T. C.
Diese Lernkarten behandeln fortgeschrittene Techniken der digitalen Bildverarbeitung in der Robotik auf Universitätsniveau. Sie konzentrieren sich auf Keypoints, Gradienten, Deskriptoren und Bildfunktionen, die für die Erkennung und Beschreibung von Merkmalen in Bildern essenziell sind. Die Karteikarten decken Detektoren wie SIFT, Moravec-Operator und Laplacefilter ab, die für die Identifikation von Punktmerkmalen und Kanten verwendet werden. Studierende der Robotik profitieren von diesen Karten, da sie die Grundlagen und Anwendungen digitaler Bildverarbeitung verstehen, die für die Entwicklung intelligenter Roboter und autonomer Systeme entscheidend sind.
Karten
30
Lernende
2
Sprache
Deutsch
Kategorie
Informatik
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
04.08.2014 / 09.03.2021

Lernkarten

Descriptor (Merkmalsdeskriptor)

Beschreibt einen Bildpunkt mit seiner lokalen Umgebung

Der Begriff wird manchmal auch nicht nur für das Verfahren, sonder auch für die erstellte Repräsentation selbst verwendet

Detektor (Merkmalsdetektor)

findet charakterisierende Keypoints:

Punktmerkmale (engl.
Interest Points)

Punkt, von dem
aus sich die Intensität in alle Richtungen stark verändert

Der Begriff wird manchmal auch nicht nur für das Verfahren/Methode, sonder auch für die erstellte Repräsentation selbst verwendet

Hochpassfilter: Kantendetektion

Prewitt
Sobel
Laplace, Laplacian of Gaussian

Kante

Kanten entsprechen Diskontinuitäten in der Bildfunktion.
Extrema der ersten Ableitung der Bildfunktion.
Nullstellen der zweiten Ableitung der Bildfunktion.

Laplacefilter

Laplaceoperator: Summe der Quadrate der partiellen Ableitungen (hier der Bildfunktion g(x, y))
∂² g(x, y)
/ ∂² x 
+ ∂² g(x, y)
   / ∂² y

Angenähert durch die Faltungsmatrix 
0  1  0
1 -4  1
0  1  0

LoG

Laplacian of Gaussian (Erst Gaussfilter dann Laplacefilter)

Blob Detektor

erkennt Blob nur bei passender Skalierung

Medianfilter

Elimination von Ausreissern (-robust)

1. Sortiere die Werte

2. Nimm den Wert in der Mitte der Liste

Merkmal
Feature

charakteristischer Bildausschnitt

Beschreibung eines Punktes mit seiner lokalen Umgebung (durch einen Deskriptor)

Mittelwertfilter

bildet Durchschnittswert

Glättung von Rauschen aber Ausreisser werden nicht erkannt

Verwischte Kanten

Moravec-Operator

detektiert Punktmerkmale (Interest Points)

Ein Punktmerkmal wird als ein Punkt definiert, von dem
aus sich die Intensität in alle Richtungen stark veränder

1977 von Hans P. Moravec

Moravec-Operator Vorgehensweise

Betrachtung eines kleinen, quadratischen Fensters (z.B. 3×3 oder
5×5) mit dem Punkt (u, v) als Zentrum

Verschieben vom Fenster mit anschließendem Vergleich in vier
vordefinierte Richtungen (horizontal, vertikal, entlang Diagonalen).

Als Maß für den Unterschied zwischen Ursprungsfenster und Verschobenem
wird SSD (Sum of Squared Differences) verwendet:

Previtt x/y/Operator 

1. Ableitung nach x- und y-Richtung approximiert durch
Differenzenquotient

Filtermatrix entspricht Faltung von
Mittelwertfilter und Differenzenquotient: 
-1 0 1
-1 0 1
-1 0 1

Previtt-Operator: sqrt( Px2 + Py2 )

SIFT Deskriptor

Bestimmung der Orientierung jedes Keypoints mittels Gradientenhistogramm liefert Koordinaten-System für Winkel der Gradienten (für Invarianz der Features von der Orientierung des Bildes)

16x16 Umgebung eines Keypoints zerlegen in 4x4 Fenster (zu 4x4 Pixel) mit jeweils einem 8 Klassen(Richtungen, Winkel)-Hisstogramm = 128 dimensional feature vector

Gaussian weighting around center( is 0.5 times that of the scale of 
a keypoint)

128-dimensionaler Merkmalsvektor wird normalisiert

SIFT Deskriptor Gradientenhistogramm für Ausrichtung

Gradientenhistogramms mit 10°
Diskretisierung (36 Bins) über Winkel θ der Gradienten der Keypoint-Umgebungspixel mit Betrag m als Gewichtung

globales Maximum: Ausgabe dessen
und aller Einträge mit Werten 85% des Maximums sind
Richtungen

ermöglicht relative Orientierungsangaben durch Winkel Phi

 

SIFT Deskriptor Gradient berechnen

Berechnung des x- und y-Gradienten für ein Pixels bezogen auf quadratisches (16x16)
Fenster

Berechnung des Betrags 
m = sqrt(gx² + gy²) 

und der Richtung
θ =arctan( gy / gx )

SIFT Detektor Auslese der Merkmalspunkte

  1. Herstellung der Octaven und der DoG Zwischenbilder
  2. Extrema ihrer 3x3-Umgebung und der des vorhergehenden und nachfolgenden Gauß Verarbeitungsschritt;   Verfeinerung der Extrema auf die Subpixelebene durch Extrapolation mit quadratischer Funktion (Taylor-Reihe)
  3. Schwellwert (magischer Parameter)
     

SIFT Detektor Bewertung der Eignung als Keypoint

Skalenraum wird aufgebaut durch Faltung mit der Gauß-Funktion

Zwischen je zwei Ebenen der Verarbeitung DoG(Difference of Gaussians), DoG erkennt Blob nur bei passender Skalierung:

Jedem Bildpunkt wird so eine Bewertung der Eignung als Keypoint zugewiesen

SIFT DoG-Funktion

effiziente Approximation des

skalennormalisierten

LoG-Operators

Innerhalb einer Octave angewandt

SIFT Invarianz

Skalierung:
Der Merkmalsdetektor skaliert und passt die Auflösung (mit der Gaußfunktion) sowieso so an, dass die Features gefunden werden. Auf dieser Basis arbeitet dann auch der Deskriptor.

Rotation, Verzerrung:
Mittels Histogramm über die Gradienten um einen Keypoint wird für jeden Keypoint die richtige Orientierung bestimmt

Helligkeit:
Nur Gradienten werden verwendet und Normalisierung des Merkmalsvektors fürt zu relativierung

SIFT octaves

Zwischen aufeinanderfolgenden octaves werden die
Bilder auf halbe Breite und halbe Höhe verkleinert

Gauss-Glättung innerhalb einer octave

SIFT Scale Invariant Feature Transform ist

Verfahren, das Detektor und Deskriptor zu Verfügung stellt um Punktmerkmale zu generieren

heute sehr beliebt, 1999 von David G. Lowe

Invarianz bzgl. Rotation,
Skalierung, in einem kleinen Bereich bzgl. Verzerrung (bzgl. Affiner Abbildung), Helligkeit

SIFT steht für

Scale Invariant Feature Transform

Sobel

Filtermatrix entspricht Faltung von
Gaußfilter und Differenzenquotient:
-1 0 1
-2 0 2
-1 0 1

1. Ableitung nach x- und y-Richtung approximiert durch
Differenzenquotient

Sobel-Operator: sqrt( Px2 + Py2 )

 

SSD (Sum of Squared Differences)

Korrelationverfahren

Tiefpassfilter: Glättung, Rauschelimination

Medianfilter
Mittelwertfilter
Gauß-Filter

 SIFT Descriptor Kurzerklärung

Der SIFT Descriptor erstellt Repräsentationen von Histogrammen von Gradienten in der Umgebung der Keypoints

Keypoint-Feature: Zusammenhang
Keypoint-Merkmal

Der Keypoint ist der Ort des Features (z.B. der Mittelpunkt)

Kalman-Filter

Dient dazu, von den aktuellen und vergangenen Sensordaten auf den tatsächlichen inneren
Systemzustand zu schließen

Systemwissen/Verständniss: Modell zur Schätzung des nächsten Systemzustands basierend auf
dem aktuellen (geschätzten) Systemzustand (und den Sensordaten)

Zustand(-Schätzung) - Messung - Messvorhersage

Kalman-Filter Ablauf

A-priori Zustandsschätzung, basierend auf vorherigem
Zustand

A-posteriori Zustandsschätzung, unter Einbeziehung der
Messung

Berechnung aus a-priori Schätzung und gewichteter
Differenz zwischen Messung und Messvorhersage

Kalman-Filter Detail

Kalman-Gain: Gewichtung

 

 

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