Функционал Мамфорда – Шаха - Mumford–Shah functional - Wikipedia

В Функционал Мамфорда – Шаха это функциональный который используется для установления критерия оптимальности для сегментации изображения на подобласти. Изображение моделируется как кусочно-гладкая функция. Функционал наказывает расстояние между моделью и входным изображением, недостаточную гладкость модели внутри подобластей и длину границ подобластей. Минимизируя функционал, можно вычислить лучшую сегментацию изображения. Функционал предложили математики Дэвид Мамфорд и Джаянт Шах в 1989 году.^[1]

Определение функционала Мамфорда – Шаха.

Рассмотрим изображение я с областью определения D, вызов J модель изображения и вызовите B границы, которые связаны с моделью: функционал Мамфорда – Шаха E[ J,B ] определяется как

${\displaystyle E[J,B]=C\int _{D}(I({\vec {x}})-J({\vec {x}}))^{2}\,\mathrm {d} {\vec {x}}+A\int _{D/B}{\vec {\nabla }}J({\vec {x}})\cdot {\vec {\nabla }}J({\vec {x}})\,\mathrm {d} {\vec {x}}+B\int _{B}ds}$

Оптимизация функционала может быть достигнута путем приближения его к другому функционалу, как было предложено Амброзио и Торторелли.^[2]

Минимизация функционала

Предел Амброзио – Торторелли

Амбросио и Торторелли^[2] показали, что функционал Мамфорда – Шаха E[ J,B ] можно получить как предел семейства функционалов энергии E[ J,z, ε], где граница B заменяется непрерывной функцией z величина которого указывает на наличие границы. Их анализ показывает, что функционал Мамфорда – Шаха имеет четко определенный минимум. Он также дает алгоритм для оценки минимума.

Определяемые ими функционалы имеют следующий вид:

${\displaystyle E[J,z;\varepsilon ]=C\int (I({\vec {x}})-J({\vec {x}}))^{2}\,\mathrm {d} {\vec {x}}+A\int z({\vec {x}})|{\vec {\nabla }}J({\vec {x}})|^{2}\,\mathrm {d} {\vec {x}}+B\int \{\varepsilon |{\vec {\nabla }}z({\vec {x}})|^{2}+\varepsilon ^{-1}\phi ^{2}(z({\vec {x}}))\}\,\mathrm {d} {\vec {x}}}$

где ε> 0 - (малый) параметр и ϕ(z) - потенциальная функция. Два типичных варианта для ϕ(z) находятся

• ${\displaystyle \phi _{1}(z)=(1-z)/2\quad z\in [0,1].}$ Этот выбор связывает набор ребер B с набором точек z такой, что ϕ₁(z) ≈ 0
• ${\displaystyle \phi _{2}(z)=3z(1-z)\quad z\in [0,1].}$ Этот выбор связывает набор ребер B с набором точек z такой, что ϕ₁(z) ≈ ½

Нетривиальным шагом в их выводе является доказательство того, что при ${\displaystyle \epsilon \to 0}$, последние два члена энергетической функции (т. е. последние интеграл член функционала энергии) сходятся к интегралу по множеству ребер ∫_Bds.

Энергетический функционал E[ J,z, ε] можно минимизировать с помощью методы градиентного спуска, гарантируя сходимость к локальному минимуму.

Амбросио, Фуско, и Hutchinson, установил результат, чтобы дать оптимальную оценку Хаусдорфово измерение сингулярного множества минимизаторов энергии Мамфорд-Шаха.^[3]

Смотрите также

• Ограниченная вариация
• Набор Caccioppoli
• Цифровая обработка изображений
• Луиджи Амбросио

Примечания

1. Мамфорд и Шах (1989).
2. Видеть Амбросио и Торторелли (1990).
3. Амбросио, Фуско и Хатчинсон (2003)

Рекомендации

• Камилло, Де Леллис; Фокарди, Маттео; Руффини, Берардо (октябрь 2013 г.), «Заметка о размерности Хаусдорфа сингулярного множества для минимизаторов энергии Мамфорда – Шаха», Успехи в вариационном исчислении, 7 (4): 539–545, arXiv:1403.3388, Дои:10.1515 / acv-2013-0107, ISSN  1864-8258, Zbl  1304.49091
• Амбросио, Луиджи; Фуско, Никола; Хатчинсон, Джон Э. (2003), "Повышенная интегрируемость градиента и размерности сингулярного множества для минимизаторов функционала Мамфорда-Шаха", Вариационное исчисление и уравнения с частными производными, 16 (2): 187–215, Дои:10.1007 / s005260100148, Zbl  1047.49015
• Амбросио, Луиджи; Торторелли, Винченцо Мария (1990), "Аппроксимация функционалов, зависящих от скачков, эллиптическими функционалами посредством Γ-сходимости", Сообщения по чистой и прикладной математике, 43 (8): 999–1036, Дои:10.1002 / cpa.3160430805, МИСТЕР  1075076, Zbl  0722.49020
• Амбросио, Луиджи; Фуско, Никола; Паллара, Диего (2000). Функции ограниченной вариации и задачи со свободным разрывом. Оксфордские математические монографии. Нью-Йорк: The Clarendon Press, Oxford University Press. стр.434. ISBN  9780198502456. Zbl  0957.49001.
• Мамфорд, Дэвид; Шах, Джаянт (1989), «Оптимальные приближения кусочно-гладкими функциями и связанные с ними вариационные задачи» (PDF), Сообщения по чистой и прикладной математике, XLII (5): 577–685, Дои:10.1002 / cpa.3160420503, МИСТЕР  0997568, Zbl  0691.49036