Разница гауссианов - Difference of Gaussians

В визуализация науки, разница гауссиан (Собака) это особенность алгоритм улучшения, который включает вычитание одного Размытие по Гауссу версия исходного изображения из другой, менее размытой версии оригинала. В простом случае изображения в оттенках серого, размытые изображения получаются свертывание оригинал изображения в оттенках серого с Гауссовы ядра разной ширины (стандартные отклонения). Размытие изображения по Гауссу ядро подавляет только высокочастотный пространственный Информация. Вычитание одного изображения из другого сохраняет пространственную информацию, которая находится между диапазоном частот, которые сохраняются в двух размытых изображениях. Таким образом, DoG - это пространственный полосовой фильтр который ослабляет частоты исходного изображения в градациях серого, которые находятся далеко от центра полосы.^[1]

Математика разности гауссианов

Сравнение разности гауссиана с Мексиканская шляпа вейвлет

Учитывая m-канальное, n-мерное изображение

${\displaystyle I:\{\mathbb {X} \subseteq \mathbb {R} ^{n}\}\rightarrow \{\mathbb {Y} \subseteq \mathbb {R} ^{m}\}}$

Различие гауссиан (DoG) изображения ${\displaystyle I}$ это функция

${\displaystyle \Gamma _{\sigma _{1},\sigma _{2}}:\{\mathbb {X} \subseteq \mathbb {R} ^{n}\}\rightarrow \{\mathbb {Z} \subseteq \mathbb {R} \}}$

полученный вычитанием изображения ${\displaystyle I}$ свернутый с гауссовой дисперсией ${\displaystyle \sigma _{2}^{2}}$ с изображения ${\displaystyle I}$ свернутый с гауссианом более узкой дисперсии ${\displaystyle \sigma _{1}^{2}}$, с участием ${\displaystyle \sigma _{2}>\sigma _{1}}$. В одном измерении ${\displaystyle \Gamma }$ определяется как:

${\displaystyle \Gamma _{\sigma _{1},\sigma _{2}}(x)=I*{\frac {1}{\sigma _{1}{\sqrt {2\pi }}}}\,e^{-{\frac {x^{2}}{2\sigma _{1}^{2}}}}-I*{\frac {1}{\sigma _{2}{\sqrt {2\pi }}}}\,e^{-{\frac {x^{2}}{2\sigma _{2}^{2}}}}.}$

а для центрированного двумерного случая:

${\displaystyle \Gamma _{\sigma ,K\sigma }(x,y)=I*{\frac {1}{2\pi \sigma ^{2}}}e^{-{\frac {x^{2}+y^{2}}{2\sigma ^{2}}}}-I*{\frac {1}{2\pi K^{2}\sigma ^{2}}}e^{-{\frac {x^{2}+y^{2}}{2K^{2}\sigma ^{2}}}}}$

что формально эквивалентно:

${\displaystyle \Gamma _{\sigma ,K\sigma }(x,y)=I*\left({\frac {1}{2\pi \sigma ^{2}}}e^{-{\frac {x^{2}+y^{2}}{2\sigma ^{2}}}}-{\frac {1}{2\pi K^{2}\sigma ^{2}}}e^{-{\frac {x^{2}+y^{2}}{2K^{2}\sigma ^{2}}}}\right)}$

который представляет собой изображение, свернутое в разность двух гауссианов, что приблизительно соответствует Мексиканская шляпа функция.

Связь между разностью оператора Гаусса и лапласианом оператора Гаусса ( Мексиканская шляпа вейвлет ) объясняется в приложении A в Lindeberg (2015).^[2]

Детали и приложения

Пример перед разностью гауссианов

После разности фильтров Гауссиана в черном и белом

Как особенность алгоритма улучшения, разность гауссиан может быть использована для увеличения видимости краев и других деталей, присутствующих в цифровом изображении. Широкий выбор альтернатив фильтры для повышения резкости краев работают, улучшая детализацию высоких частот, но поскольку случайный шум также имеет высокую пространственную частоту, многие из этих фильтров повышения резкости имеют тенденцию усиливать шум, который может быть нежелательным артефактом. Отличие алгоритма Гауссиана устраняет высокочастотные детали, которые часто включают случайный шум, что делает этот подход одним из наиболее подходящих для обработки изображений с высокой степенью шума. Основным недостатком применения алгоритма является снижение общей контрастности изображения в результате операции.^[1]

При использовании для улучшения изображения алгоритм разности гауссианов обычно применяется, когда соотношение размеров ядра (2) и ядра (1) составляет 4: 1 или 5: 1. На изображениях-примерах справа размеры гауссова ядра нанят на гладкий; плавный Образец изображения составлял 10 пикселей и 5 пикселей.

Алгоритм также можно использовать для получения приближения Лапласиан Гаусса когда отношение размера 2 к размеру 1 примерно равно 1,6.^[3] Лапласиан Гаусса полезен для обнаружения краев, которые появляются при различных масштабах изображения или степени фокусировки изображения. Точные значения размеров двух ядер, которые используются для аппроксимации лапласиана гауссиана, будут определять масштаб разностного изображения, которое в результате может выглядеть размытым.

Различия гауссианов также использовались для обнаружение капли в масштабно-инвариантное преобразование признаков. Фактически, DoG как разница двух Многомерное нормальное распределение всегда имеет общую нулевую сумму, и свертка ее с помощью однородного сигнала не вызывает никакого ответа. Он хорошо аппроксимирует вторую производную гауссовского (Лапласиан Гаусса ) с K ~ 1,6 и рецептивными полями ганглиозных клеток в сетчатка с K ~ 5. Его можно легко использовать в рекурсивных схемах и в качестве оператора в алгоритмах реального времени для обнаружения больших двоичных объектов и автоматического выбора масштаба.

Больше информации

Считается, что в своей работе алгоритм различия гауссианов имитирует то, как нейронная обработка в сетчатке глаза извлекает детали из изображений, предназначенных для передачи в мозг.^[4][5][6]

Смотрите также

• Алгоритм Марра – Хилдрета
• Лечение различие гауссианского подхода в обнаружении blob.
• Обнаружение капли
• Пирамида Гаусса
• Масштабировать пространство
• Масштабно-инвариантное преобразование признаков

Рекомендации

1. "Учебник по микроскопии молекулярных выражений: обработка цифровых изображений - разница в алгоритме улучшения гауссианского края", Olympus America Inc. и Государственный университет Флориды Майкл В. Дэвидсон, Мортимер Абрамовиц
2. Линдеберг (2015) `` Сопоставление изображений с использованием общих точек интереса в масштабном пространстве '', Journal of Mathematical Imaging and Vision, том 52, номер 1, страницы 3-36, 2015.
3. Д. Марр; Э. Хилдрет (29 февраля 1980 г.). «Теория обнаружения границ». Труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки. 207 (1167): 215–217. Bibcode:1980RSPSB.207..187M. Дои:10.1098 / rspb.1980.0020. JSTOR  35407. PMID  6102765. - Разница гауссианов любого масштаба - это приближение к лапласиану гауссиана (см. Запись о разнице гауссианов под Обнаружение капли ). Однако Марр и Хилдрет рекомендуют коэффициент 1,6 из-за конструктивных соображений, уравновешивающих полосу пропускания и чувствительность. URL-адрес для этой ссылки может сделать доступными только первую страницу и аннотацию статьи в зависимости от того, подключаетесь ли вы через академическое учреждение или нет.
4. К. Энрот-Кугель; Дж. Г. Робсон (1966). «Контрастная чувствительность ганглиозных клеток сетчатки кошки». Журнал физиологии. 187 (3): 517–23. Дои:10.1113 / jphysiol.1966.sp008107. ЧВК  1395960. PMID  16783910.
5. Мэтью Дж. Макмэхон; Орин С. Пакер; Деннис М. Дейси (14 апреля 2004 г.). «Классическое рецептивное поле вокруг ганглиозных клеток приматов, в первую очередь, опосредуется не ГАМКергическим путем» (PDF). Журнал неврологии. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.5252-03.2004. ЧВК  6729348. PMID  15084653.
6. Янг, Ричард (1987). «Модель производной Гаусса для пространственного зрения: I. Механизмы сетчатки». Пространственное видение. 2 (4): 273–293(21). Дои:10.1163 / 156856887X00222.

дальнейшее чтение

• Заметки Брайана С. Морса о Обнаружение краев и математика, связанная с Гауссом из Эдинбургского университета.