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Bildverstehen
Vorlesung an der TU ChemnitzSS 2012
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Johannes Steinmüller• 1/B309• Tel.: 531 35198• [email protected]• Seite zur Vorlesung:
– http://www.tu-chemnitz.de/informatik/KI/edu/biver/
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Buch zur Vorlesung
Steinmüller, J.: Bildanalyse – Von der Bildverarbeitungzur räumlichen Interpretation von BildernSpringer, 2008
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Übung• Di, 7.30 – 9.00 Uhr, 1/208• Beginn: 17.04.2012
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1. Einführung
2. Bildverarbeitung
3. Morphologische Operationen
4. Bildsegmentierung
5. Merkmale von Objekten
6. Klassifikation
7. Dreidimensionale Bildinterpretation
8. Bewegungsanalyse aus Bildfolgen
9. PCA (Hauptkomponentenanalyse)
10.ICA (Independent Component Analysis – Unabhängigkeitsanalyse)
Übersicht der Vorlesung
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1 Einführung
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1 Einführung
1.1 Einordnung des Fachgebietes
1.2 Was ist Bildanalyse
1.3 Einige Daten zur Entwicklung des Fachgebietes
1.4 Grundbegriffe und Vorgehensweise bei der Bildanalyse
1.5 Anwendungen
1.6 Literaturhinweise
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1.1 Einordnung des Fachgebietes
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Einordnung des Fachgebietes• Analyse und Interpretation von visueller Information• Bilder oder Bildfolgen • eines der schwierigsten Teilgebiete der Informatik
(Künstliche Intelligenz)• neben der Bearbeitung von Bildern geht es bei der
Bildanalyse (Bildverstehen) auch darum, auf den Bildern etwas zu erkennen (Objekte)
• noch viele Fragen offen
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Einordnung des Fachgebietes
• Es existieren noch keine maschinellen Sehsysteme, die auch nur annähernd die Leistungsfähigkeit des menschlichen Sehsystems erreichen.
• Gründe:– Die Konzepte wandelten sich in der Vergangenheit
mehrfach grundlegend und sind auch heute noch im Fluss.
– Hohe Ansprüche an das formale Rüstzeug der Wissenschaftler.
– Die Funktionsweise biologischer Sehsysteme ist erst wenig verstanden.
– Oft benötigt man Systeme, die in kurzer Zeit viele Bilder auswerten müssen.
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Beispiel• ein kleines Kind kann aus 100 Bildern verschiedener
Frauen problemlos das mit seiner Mutter herausfinden• ein Computerprogramm, das 10 geometrische Figuren
unterscheiden soll, ist schon aufwendig
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Verschiedene Herangehensweisen
• Informatik
– Künstliche Intelligenz
– Digitale Bildverarbeitung
– Mustererkennung
• Neurokognition (Verhalten und Erleben der Menschen)– Vorlesungen von Prof. Hamker
• Neurophysiologie (Lebensvorgänge und Funktionen des menschlichen Nervensystems)
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Einordnung des FachgebietesInnerhalb der graphischen Datenverarbeitung ordnen wir uns wie folgt ein:
Bild(er) Beschreibung
Bild(er) Bildverarbeitung Computergrafik
Beschreibung BildanalyseBildverstehen Alles Andere
Eingabe
Ausgabe
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1.2 Was ist Bildanalyse?
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Bildverstehen
Rekonstruktion und Deutung einer Szene anhand von BildernRekonstruktion und Deutung einer Szene anhand von Bildern
BildBildfolge
FragestellungAufgabe
Anwendung
BildBildfolge
FragestellungAufgabe
Anwendung
Szenen-beschreibung
Szenen-beschreibung
Bildverstehen
Computergrafik
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Wie versteht man dieses Bild?
• ein Binärbild• eine Kreislinie, und 25 Strecken• 1 Kreis, 4 Rechtecke und 10
einzelne Linien• Sonne und Haus• es ist schönes Wetter, die Sonne
scheint
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Einige mögliche und schon anspruchsvollere Fragestellungen – Anwendungen
• kollisionsfreies Navigieren eines Roboters in der Szene
• planmäßiges Greifen und Manipulieren von Objekten in der Szene durch einen Industrieroboter
• Ausgabe von Warnsignalen bei gefährlichen Situationen
• inhaltsbasierte Bildsuche im Internet• Ausgabe einer sprachlichen Szenenbeschreibung• Beantworten sprachlicher Anfragen bezüglich der
Szene
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1.3 Entwicklung des Fachgebietes
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Entwicklung des Fachgebietes• 1955: Aufbereitung von Luftbildern• 1960: Zeichenerkennung, Mustererkennung (Klassifikation)• 1965: Analyse von Polyederszenen (Blockswelt)• 1975: Rekonstruktion dreidimensionaler Informationen aus
zweidimensionalen Bildern, Klassifizierung von Knoten und Kanten in Blocksweltszenen
• 1979: Analyse von Straßenverkehrsszenen• 1982: Untersuchung biologischer Systeme, Einbeziehung von
Forschungsergebnissen aus der Neurophysiologie und Psychophysik für das Bildverstehen, Orientierung an kognitiven Zielen (Modell von Marr)
• 1990: Modellierung eines Sehsystems als aktiv handelnder Agent
• 1990: Anwendung neuronaler Netze• 1992: automatische Fahrzeugsteuerung
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1.4 Grundbegriffe und Vorgehensweise bei der
Bildanalyse
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Grundbegriffe und Vorgehensweise
• Wir betrachten 2 Modelle, um wesentliche Begriffe und die prinzipielle Vorgehensweise der Bildanalyse zu demonstrieren.
1. Modell nach Marr
2. Modell der Bildanalyse
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Modell nach Marr
Bild
primäre Skizze
2½D-Skizze
3D-Modellrepräsentation
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Modell nach Marr• Bild: digitales Rasterbild mit radiometrischen
Eigenschaften jedes Bildpunktes, wie:– Grauwert– Farbe
• primäre Skizze: erster Eindruck, die sehr große Datenmenge des Bildes soll sinnvoll reduziert werden, ohne wesentliche Informationen für die nachfolgenden Verarbeitungsschritte zu verlieren, z.B.:– Grauwertänderungen, Kanten– lokale 2D-Geometrie einfacher Bildelemente– Gruppierung einfacher Elemente
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Modell nach Marr• 2½D-Skizze: geometrische und photometrische
Eigenschaften der sichtbaren Oberflächen:– partielle Form- und Geometriekonstruktion– Tiefeninformation– Orientierung der sichtbaren Oberflächen (Normalvektoren)– Konturen von Oberflächendiskontinuitäten
(Orientierungssprünge, Entfernungsänderungen)
• 3D-Repräsentation:– Integration mehrerer 2½D-Skizzen– Aussagen über verdeckte Teile– Szenenbeschreibung (Objekte und deren Relationen
zueinander)
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Modell zum Bildverstehen
Szenen-beschreibung
Szenen-beschreibung
Bild-beschreibung
Bild-beschreibung
Welt-beschreibung
Welt-beschreibung
SzeneSzene
BildBildWeltWelt
Computer
RealitätBildverarbeitungSegmentierung
BildanalyseObjekterkennung
Interaktion
HöhereBilddeutung
AufnahmeSzenenauswahl
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Repräsentationsebenen• Welt:
– physikalische Objekte mit Attributen– Objektkonfigurationen– Bewegung der Objekte
• Szene:– 3D-Ausschnitt der Welt– bestimmter Zeitpunkt
• Bild:– 2D-Abbild einer Szene
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Repräsentationsebenen• Bildbeschreibung:
– vom Bild ausgehend (Bottom – up)– 2D-Bildelemente (Kanten, Segmente)– ohne Vorerwartungen
• Szenenbeschreibung:– Interpretation der Bildelemente als Szenenelemente, z.B.:– Bildkante — Hauskante oder Schattengrenze– rotes Segment — Hauswand– grünes Segment — Gras
• Weltbeschreibung:– von einer Fragestellung ausgehend (Top – down)– es wird Vorwissen (Hintergrundwissen) benötigt
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Szenenauswahl
• Was soll betrachtet werden ?• Wann wird betrachtet ?
Welt Szene
Szenenauswahl
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Bildaufnahme
• Wie soll die Szene betrachtet werden ?• Sensorauswahl• Probleme der Bildaufnahme siehe Kapitel 7
Szene Bild
Bildaufnahme
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Bildverarbeitung – Bildsegmentierung
• Bildverbesserung• Bild zu Bild Transformationen• Finden von Kanten• Finden von homogenen Bildbereichen (Bildsegmentierung)• Kapitel 2, 3 und 4
Bild Bildbeschreibung
Bildverarbeitung, Bildsegmentierung
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Bildanalyse – Objekterkennung
• Gruppierung einfacher geometrischer Objekte (parallele Linien, Punkte auf gegebenen Kurven)
• Berechnung von Objektmerkmalen• Klassifikation von Objekten• Shape from X (die Form wird aufgrund einer bestimmten
Methode X errechnet)• 2½D – Rekonstruktion der Szene• Kapitel 5, 6 und 7
Bildbeschreibung Szenenbeschreibung
Bildanalyse, Objekterkennung
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Höhere Bilddeutung
• Repräsentation und Prozesse oberhalb der Ebene erkannter Objekte
• Objektkonfigurationen• Situationen• Bewegungsabläufe• Episoden
Szenenbeschreibung Weltbeschreibung
Höhere Bilddeutung
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Interaktion
• direkte Interaktion mit der Umwelt• Umwelt verändern• Richtigkeit des bildverstehenden Systems verifizieren• aktiver Roboter
Weltbeschreibung Welt
Interaktion
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1.5 Anwendungen
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Spezielle Anwendungen
• Zeichenerkennung• Qualitätsprüfung in der industriellen Produktion• Medizinische Bildanalyse• Luftbildauswertung• Fahrzeugsteuerung• Gesichtserkennung• Robotik• Inhaltsbasierte Bildsuche im Internet (Suche nach
vermissten Kindern, Suche nach staatsfeindlichen Symbolen)
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Zeichen- und Texterkennung
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Schrifterkennung
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Schrifterkennung
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Schrifterkennung
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Schrifterkennung
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Maßprüfung - Gewindetiefe
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Maßprüfung - Gewindetiefe
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Anwesenheitskontrolle
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Anwesenheitskontrolle
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Inhaltsbasierte Bildsuche im Internet
• Texterkennung in Bildern• Gesichtserkennung (Personensuche)• Symbolerkennung
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Inhaltsbasierte Bildsuche im Internet
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1.6 Literaturhinweise
siehe Buch