Image Binarization: Two Solutions for This Problem

Image Processing, Computer Vision · textbook

Voir tous les documents en intelligence artificielle et données

APPLICATIONS

Binarisation d'images

Deux solutions ce probl me

Image binarization : two solutions for this problem

Alain CHEHIKIAN

Laboratoire de Traitement d'images et Reconnaissance de Formes, LTIRF/INPG, 46, ave-

nue F lix-Viallet, 38031 GRENOBLE CEDEX .

Professeur l'Universit Joseph Fourier de Grenoble, directeur du laboratoire TIRF de l'ENSERG/INPG . Domaines de

recherches : Lecture Optique (Th se de Doctorat s Sciences, 1977), Traitement d'image, Vision par ordinateur,

Architectures de machines de Vision .

R SUM

Nous nous int ressons une classe d'images repr sentatives d'objets sombres dispos s sur un fond clair ou inversement .

L'image analogique d livr e par un capteur traduit g n ralement tr s mal cette propri t : d faut d' clairage, inhomog n it

de r ponse du capteur, nature m me de l'image, et un proc d classique de d cision par comparaison un seuil ne peut

convenir dans l'immense majorit des cas . Nous proposons deux algorithmes performants pour r soudre ce probl me . Le

premier proc de par une analyse multifr quence pour d finir si un pixel appartient ou non un objet . Le second proc de

par apprentissage d'un seuil local et classification des pixels sur la base de ce seuil .

Binarisation d'image, repr sentation multi chelle, repr sentation multifr quence, apprentissage du seuil .

MOTS CL S

SUMMARY

We are concerned with images representing dark objects located on a clear background or reciprocally . The analog image issued

from the scanning hardware does not exhibit such a property because of non uniform illumination, non ideal resolution

characteristics of the scanner and also because of the nature of the image itself . Simply thresholding such an image cannot solve

the problem . We propose two approaches to solve the image binarization problem . The first one uses a multispectral analysis to

define those pixels lying into a dark object . The second one uses a local threshold learning process to classify pixels belonging

or not to a dark object.

Image binarization, multiscale representation, multispectral representation, threshold learning .

KEY WORDS

Introduction

Nous nous int ressons dans ce qui suit une classe

d'images repr sentatives d'objets de faible r flectance

dispos s sur un fond de r flectance plus lev (ou

inversement) . Cette classe d'images se rencontre en

lecture optique o les caract res sont noirs et le

fond habituellement blanc . On la rencontre gale-

ment dans des sc nes industrielles o gr ce un

clairage artificiel, on cherche distinguer un objet

particulier parmi d'autres en exploitant ses caract ris-

tiques de r flectance . On notera cependant que ces

deux classes d'images diff rent par le fait que les

caract res alphanum riques sont des objets structure

de trait : une des dimensions est tr s inf rieure la

dimension dans une direction perpendiculaire, ce qui

n'est g n ralement pas le cas des objets industriels .

En outre, lorsqu'on traite des caract res alphanum ri-

ques, l' paisseur des traits ainsi que leur longueur

maximale est connue a priori, au moins approximati-

vement ; cette information peut tre utile, et est utili-

s e, dans certains algorithmes de binarisation qui ne

sont donc pas applicables aux images repr sentatives

de sc nes industrielles . Les solutions que nous propo-

serons par la suite au probl me de la binarisation

Traitement du Signal

volume 6 - n 1

  • 1989

59

BINARISATION D'IMAGES

n'utiliseront pas ce t pe d'information, leur applica-

tion sera donc a priori possible tant au

structure de trait : caract res alphanum riques, des-

. ., qu'au images d'objets de

sins, empreintes digitales .

forme quelconque,

la condition toutefois de respec-

ter des contraintes minimales concernant le contraste .

images

1. Le probl me de la binarisation

au fond

chantillonn

blanc

gal

objets l' tait

un seuil suppos

tous les pi els de niveau

ce seuil et

Binariser une image c'est convertir une image (signal)

et

analogique (le fait que le signal soit

ne modifie pas de mani re essentielle sa

num ris

nature vis- -vis du probl me qui nous concerne) non

id ale d livr e par un capteur en une image binaire

id ale. Le probl me serait simple si le niveau de gris

associ

tait uniforme, le niveau de gris

galement et si ces niveau

associ au

de gris taient suffisamment diff rents pour que, par

connu, on puisse

comparaison

de gris

tiqueter

tous les pi els

sup rieur ou

de niveau de gris inf rieur

ce m me seuil . Dans la

pratique, cette situation id ale ne se rencontre que

de gris associ s au fond

tr s rarement. Les niveau

l'autre de l'image

et au

soit de mani re inh rente au support du fond et des

objets, soit par d faut d' clairage, soit par la nature

m me du capteur dont la r ponse n'est pas homog ne.

A cela, il faut ajouter le bruit introduit par le capteur

d'une part, l' lectronique associ e d'autre part.

Consid rons la figure 1 o

d'ordonn e

repr sente le niveau de luminosit

du pel de coordonn e ( ,

on a repr sent ; une ligne

I

ou niveau de gris

o d'une image analogique 1( ,

objets diff rent d'un point

noir

), o

).

it ratif et donc difficilement impl mentables en temps

r el . Or, qu'il s'agisse d'application en lecture optique,

ou qu'il s'agisse de vision industrielle, le temps r el

s'av re une caract ristique indispensable .

Une fa on plus classique de r soudre ce probl me

calculer de mani re d namique un seuil

consiste

tant une mo enne du niveau de gris

local, comme

sur un environnement particulier autour de chaque

pi el. Sur la figure 1, la ligne pointill e repr sente un

seuil d namique ainsi calcul . On trouvera dans [2]

sur cette m thode . N anmoins,

un algorithme bas

ces m thodes supposent qu'on d finisse la taille de

l'environnement sur lequel le calcul de la mo enne

sera effectu ,

c'est- -dire que l'on dispose de

connaissances a priori sur la taille des objets noirs .

C'est la cas des caract res alphanum riques

la

condition toutefois qu'il e iste une certaine uniformit

dans les tailles, ce ne sera par e emple pas le cas des

documents commerciau ou m me de la page de titre

de cet article .

White et Rohrer [2] proposent une alternative qui

utiliser le signe d'un laplacien pour marquer

consiste

les points d'entr e et de sortie d'un objet noir au

de l'image. Un point

cours d'un bala age selon

d'entr e est reconnu par le passage du laplacien d'une

une valeur n gative, un point de

valeur positive

par la situation inverse . Sur

sortie sera caract ris

la figure 1, on a repr sent

l' volution du laplacien

o). L'algorithme est videmment tr s int ressant

L ( ,

il permet une impl mentation mat -

dans la mesure o

rielle en temps r el pour un co t mod r . Cependant,

les performances sont alt r es en pr sence de bruit

susceptible de perturber le laplacien qui comme toutes

bruits de

les op rations de d rivation est sensible au

haute fr quence . L'algorithme peut alors oublier une

s quence d'entr e dans un objet noir ou au contraire

une s quence de sortie d'un objet noir . On peut rem -

dier

ce d faut en prenant en compte l'information

a priori sur la dimension des objets rencontr s au

cours d'un bala age selon

de l'image . On perd alors

le caract re de g n ralit propre

solutions au

Nous proposons dans ce qui suit deu

probl me de la binarisation qui n'impliquent pas que

l'on fasse d'h poth se sur la taille des objets. Le

premier de ces algorithmes que nous appellerons Bina-

la caract ris-

risation par Anal se Multifr quence

tique de proc der sans comparaison

un seuil, le

second qui d rive du pr c dent proc dera par un

Apprentissage Local d'un Seuil .

cet algorithme.

F g . 1 . - Ligne d'image et laplacien.

on a consid r

Cette ligne traverse trois objets sombres par rapport

un environnement clair. Il est bien visible sur cet

e emple qui n'a rien d'acad mique (sauf que par

l'image e empte

soucis de simplicit

de bruit), qu'il n'e iste pas une valeur de seuil (au

sens habituel du terme : seuil constant) permettant de

s parer les objets noirs du fond blanc .

On notera que le probl me ainsi pos est un probl me

classique de vision et plus pr cis ment de segmenta-

tion d'images en r gion [1]. N anmoins les algo-

rithmes utilis s dans ces applications sont de t pe

2. Binarisation par anal se multifr quence

selon le sch ma-bloc de la figure 3 .

Consid rons la photo de la figure 2, elle repr sente

des caract res alphanum riques de bonne qualit . Int-

ssons-nous au laplacien-gaussien de cette image cal-

cul

Dans ce sch ma-bloc

  • I (j, k) est l'image d livr e par un capteur (ici

une cam ra vid o), repr sent e par un tableau n p

(64

256) de pi els cod s sur 256 niveau de gris .

  • Il (j, k) est l'image obtenue par convolution de

Traitement du Signal

60

volume 6 - n 1 - 1989

C est une constante qui d

le masque de convolution est une appro

+v

7

1 - 1989

7

APPLICATIONS

o

de la fonction

imation

g(j, k) =

1

2 n . 61

e-(i2+k2/2o2)

avec ai =0,5.

  • 12 (j, k) est l'image obtenue par convolution de

I1 (j, k) avec le masque GU, k) de taille 7

G(j, k)=ggg

est une appro imation de la fonction

G(j, k)=

1

21E . a2

e-(i2+k2/202)

avec 62 = 3 . cr =1, 5 .

  • L (j, k) est le laplacien-gaussien de I1 (j, k), calcul

sur un environnement 7

LU, k)=11G, k)-12(j, k) .

On notera que si fl est la fr quence ma imale conte-

nue dans l'image 1, :

2 =

fi= Jv

C

~2 X2 .(Y 1

o

pend de la fa on dont

on estime la fr quence ma imale d'un signal (C = 1 si

f1 est la fr quence de coupure du filtre passe-bas

gaussien d finie par une att nuation de 1 Np), la

fr quence ma imale contenue dans l'image 12 (j, k)

sera f2

J2=

C

fi

V 2 iuL (61 + 62) 2

Fig . 2. - Image de caract res alphanum riques

g

12(j,k)

G

,k)

Publicité

Fig. 3. - Calcul du laplacien .

k) avec un filtre de r ponse impulsionnelle

I (j,

gaussienne

11U, k)=Ig=I(j, k)

2

4

2

1

2

1

2

1

l/16

00 000

00011

00011

?000oco

1 0 + + +

00++0

+00+0

00!00

0+++1

0+000

00001

oI1 +0 o0

010+++++

+++c+

10110

I I I I

+0000

+++++

+ + + + +

+ + + + 1

+ + + + 0

+++++

+++++

0 + + + 0

o+++o

I + + + +

0 + + + +

0 + + + +

0+++0

+ + + + 0

+ + + + +

+ + + + O

O + + + I

+++++

0 + + + +

O + + + 0

+ + + + 0

0 + + + 1

0+++I

0 + + + +

0 + + + +

0 + + + 1

0 + + + I

0+++o

+0+++

++0++

+ 0000

0000+

000+ +

0000+

00000

00001

00000

I

tic

01!1000

+ + + + + + + + + 1 I

1 1 1 1 0 + + + + + +

+ + + + + + + + + + O 0 + I I 0

I

1

000++00110+++++00010++,lcc 000000+++0 o+00000011001II10110

Oc+++00000+c++00+010+ci +c0+000000 :0+01000111+01010+ :0+

+ c 0 o I ,i9+0 1 0 0++ 1 I+ O I++++ 0 c p 0++ O O++++ 010-0c 0 cil 1 1 100+0t0++100

00110++10+++00110110++++0110+c+cc+++1I 1000 0000110111++++0100++o0

+0100+111+++++0000100+01110+0c+ .o++01000000+0000++1c++000000++01

++000+110+000++++II10+I!100000+!I ;+++++++1000+000+++++011+110001

0+000+++0110010+c11ooco0o++clc+ +II!00010010000110++010+011100

10000+00011+01000000000010++O++III+C1000000!10000110+++++ CO+0000

10+000 ! 1 0 0 0 0 0 1 0++ C+ 0 00++ ,!CC 0+++ 1!+++++,+101 1 c 0 1 o c 0 1 1 0+++ 1 1 0+++ 1

100++01100000110+++co++c+0!!0O+++0+ +0I0C0+010+0+++!10+++011++01

0 0 0 o+ 0 0++ 0 0 0+ o I 1 0 0 0 1 0 1 I 1++ C+ C I C p I p!! I I O C O C 0++++ O I I+ 1 1 0+ I I++ 1 1

O+ 1 1 1 0 1++ 00++ + O C I o c+ C I !++++ 0 .++ C+ C I++ C 0 1 1+ l 1+++ 0+ C++ 1 1 1+ O I O I I

0+ 0 1 1+ 0 1 1 1 1 0 1 0 0+ 0 0+ 1++ I . i 0++++ O C++++ c+++++++ 1 1 ci[ I++++ 1 1 0++++ ;,O

1

0 + + I C + 0

Io++O0+++0++0++011+010+++001000011

oc

+ + + I I

~+01 + +

0`0!10+0+c .

0000000+0

10+

0+oo+++1001

100+++

++0+00+11+0

0 0 0+ 1 1 0 0 1+ t

oco+410+0++

000100

0001111coco

00+

0+ O 1 I I 1 1 0++

+++c0+01000

000Iol

++c+++00000

c+1-

! I I 1 0 0! 1 0 0 1

1111++00001

O+0++0

+ .10++++10++

0c0+01++ . . . . I I I o . . . . 0 0 0 I 0 0 ! I C + + 0 0 . . .

: I I

ii10+++++ .011100+++ICOO001ooc+olc++o

+ii+ li C O C+++++! 1 0000+0j I .00 +++ C

+1+0++i

0 I I O 1 1 1 1 0

++ 0 1 1 1 1+ I I I 1 I O I 1 I+++ 1 1 0 0++ I I I I

0+++ 0 I I 1 c

++++ 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1++ 1 1 0++ 0 1 0 . 1

1

I

+ + + + I I 1 I p

+ + + + + C

0000 O++0++110

++00 0+110+0++

+ + I 1

+ + + O 0 + + 1 0 . . . 1 I ! O O

+++++ C 0 1 1 1 0 C++

+ + + 0

++011 + + 1 1 + + 0 I 10

++++ 1 1 1 0+++

I I I

I I I I 1 I! I .+++ 0

00000 . . .

C O I I i 0 0 0++ 0 1 0+++ + ++ 0 1 1 1 1 1 0+

+++0000++t

1 1 1 1

. .++ . 0

.

! 1 1 1 1 .

1 C+' 1' 0 0 1 0++ 0+ +++ I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0 + . . . +

+++ 000+++ +

I I I

I+++ 0

I I I

!

I++0000 . . I OOC+~++++

1 1 1 1 1 1 1 ! I

t

1 1 1 1 1

++++ 0+++++

I

I

+++c

I

1 1 1

1

I I 0000 O 0 I I I I++++

++++ 00 +++ I

1 1 1

++++

I

1 1 1 1 1

;+++++++ + + + + + +

1 0 0 0 0 0 0 0+ 0 1 0+++ 1 1 1 1 1 1 1 1+ 1

1 + + + + + + c I

!

+ + + +

1 1++++++ 0 1

0 0 1 0 0 0 0++ c i++++

+ + 1

+ I I

! I I 1 e

I

1 + + + + + +

++++0 . .11001000++++I

1 + + + + + + + .+ O

0 1 1 ++++++++ 1 I I 1 c O 1

1 1 0 0 0 I

+++++++ 0 1

I

1 + + + + + 1

+~+~0000100coco +++1

+ + + + + + + + + +

0+0

+++ 0

1 0 0 0 0 I

+++++++

I

+ + + + + 1

0000+000000+++1

+ + + + + + + + + +

0 0 0

000000+000++++0

++++++++++

I I I I

I

+ + + +

I

+ + + + + + +

I

+ + + + + !

I I I I

I

+ + + + + I

+0+00 . . . . 000 . . .

1 + + + + + + + + 0

+ + + +

I

1 + + + + + +

I I

1 1 + 0

I

I

++++-i-

c+++++

++t

1 + + + + + + + 1

+ + + +

I

0+i

. . . . . . . . . . . . . . .

; + + +

+ +

I

+ + + + + 1

1 0+ 1

1!

1

1

+ + + + +

+ + + +

i

1

+

+ + + +

I

+ + +

+ + + +

+ + +

+++++++++++++++++

I

I

I

I

+ + + 0

I

1 + + +

+ + + +

+ + +

+ + +

+ + +

I

1

1

I

I

I

I

Publicité

I

+ + + !

I

1 ++0

I I

0 I

I I I 1++ O 1 I

I

+ + + I

+++

+ + +

I

1+++

1

1

1

I!

I

I

I

0 + +

1 1 1+++

1

1 + + + + + + + + 1

+ + + !

I

+ + +

+ + +

+ + +

1+++

1

1

1

1

!

1!

1

I

I

I

1

+ + + + + + + + +'+

+ + + !

0++

+ + +

I

+ + +

I

I++ 1

I

I

I

I

I

I

1

1

+ + + + + + + + + +

+ + + 1

+ C

0 + + +

+ + +

1 0++ I

I

I

I I

I

1I I

I

1

+ + + +

+ + + +

I I

0 + + +

1

+ ++0 1 + + + + +

O

. . . . . . . . . . .

+ + + +

I I

+ + + +

O + + +

. . . . . . . . . . . . . 1

I

1

. . . . . . . . . . .

+ + + +

I

+ + + +

O I

+ + +

+ + + + + + + + + + + + + I

+ + + +

O

+ + + +

I

+ + + +

I I

+ + O 0 + + + + + + + + + I

I

I

1

+ + + +

I

+ O

+ + + +

O

0 0 1 0+00+0 ++++ 1

I

11 1++++++ I I

+ + + +

I

+ + + + +

0 I

+ + + +

+00+000000 ++++ 1 1

I

I

I

+ + + +

I

+ + + + +

I I

+ + + +

.I

0 0 0 0+ 0 0 0 1 1+++++ 1 1

+ + + + +

+ + + + I

I I

I

I

I

I

+ + + 0

01001000000+++4+

.1

I

I

I I +++ + + 1

+++0

+ + + + +

100110+0000++++0

I

I

I

I I + + + + + o I

I

I

I

I

I

+ + + 0

+ + + + +

I

cool ,0010000+++++

. . . . 0

I 1 I

000 ! 1+ 0 0 0 0 0 0 0++++++++ 11111111+

0000+000011001 I + + + + + + +

0

+

0000000001000010++++++++++++++

0. 0

0 0 + +

0+++00001000+++++++10000++++++0000

00011000000000+0+0++++++++++++

00+0+0011100001100111+000110000100

0coooo00000000000000110++00+++

+000000000000001000100000000001110

011+++0000000000000+III+001++0

00000010+0000000000000000000000100

000+00000000000000000+00000001

1000011100000000000000000000000000

0+01100000000010000+00000000+I

110000100000000000++++100000000001

++1000000000110++++010000000+

100000000000000 .0+00001110000000000

0+0000+000+000+++++++0000000+

0 + + + + + + +

1 1 + + + + + +

+ + + +

+ + + +

0 + + +

1 + + +

++++++

+ + + +

I

1 + + + +

+ + +++0

I

I

+ + + + + + I

I + + + + + + + + I

0 . . . .

0000++

+++++ 1 1 0 0 0 0 1++

+++ 0+ 0 0 1 1 1 1 1 01

+010++001110+0

++000010010++0

0+000011000++0

1000++00+01000

10000+0+000110

0+00000i

++00001

++ ++

:00 00+

I + + + + + O

I +

+ + + 0

I

I

I

1!

I

I

0 0

1 1

I

I

1

I

+

+

++

I

I

I

I

1

1

I

1

1

I

I

I

1

I

I

1

I

I

I

I

I

I

I

I

I

i

1

I

1

I

I

I

I

I

Fig . 4. - Signe du laplacien de l'image de la figure 2 .

Traitement du Signal

volume 6 - n

6 1

BINARISATION D'IMAGES

-

Publicité

l'e

si le laplacien est positif,

sont caract ris s par un laplacien n gatif, ceu

Ainsi LU, k) repr sente la r ponse

l'image I l (j, k)

d'un filtre d'octave passe-bande . La figure 4 repr -

sente le signe du laplacien-gaussien de l'image de la

figure 2, cod

+

si le laplacien est n gatif, O sinon .

On peut constater sur cette figure que les pi els situ s

l'int rieur des caract res et au voisinage du contour

situ s

t rieur des caract res et au voisinage du contour

sont caract ris s par un laplacien positif, la notion de

l' tendue du domaine

voisinage est, ici, relative

le laplacien, dans notre cas un

sur lequel est calcul

sur chaque pi el . Inverse-

environnement 7

7 centr

par un laplacien nul peut

ment, un pi el caract ris

un caract re. On

appartenir aussi bien au fond qu'

l vera facilement cette ambiguit

tendant le

en

domaine sur lequel on calcule le laplacien, ou, ce qui

revient au m me dans notre cas, en utilisant un filtre

passe-bande de largeur sup rieure

une octave.

Cependant, en proc dant ainsi on r duit la r solution

sur les contours de l'image et, de plus, il devient

n cessaire d' mettre une h poth se sur la taille mini-

male des objets (largeur des traits) . Une repr senta-

tion multifr quence de l'image va nous permettre de

r soudre ce probl me .

ou

p ramide multir solution

la p ramide) jusqu'

base de la p ramide) . En proc dant

multi chelle

permet-

tant d'avoir d'une m me sc ne un ensemble de

vues , depuis la plus globale (image du sommet de

la plus d taill e (image de la

une remise

l' chelle n p de chacune de ces images par une

e pansion-interpolation, on transforme la p ramide

multir solution en une repr sentation multifr quence.

L'organigramme de la figure 5 e plicite le mode de

calcul de cette repr sentation : l'ensemble des lapla-

ciens

la p ramide multir solution,

l'ensemble des laplaciens Li constitue la repr sentation

multifr quence : r ponse d'un ensemble de filtres

d'octaves adjacents passe-bandes .

La photo de la figure 6 repr sente de haut en bas le

signe des laplaciens L 1 , L 2 , L 3 , L 4 relatifs

l'image

de la photo, fig 2, cod

blanc si L i > 0 ;

gris si L i =0 ;

noir si L i < 0 .

constitue

selon

li

2 .1 . LA REPR SENTATION MULTIFR QUENCE

Cette technique de repr sentation d'une image par

une p ramide de laplacien est emplo

e en vision

[4, 5] . Nous en rappelons bri vement le principe .

Comme nous l'avons vu pr c demment, une s quence

de convolution par un filtre gaussien permet de r ali-

ser de mani re contr l e une r duction de la fr quence

ma imale contenue dans une image . Lorsque cette

r duite dans un rapport 2,

fr quence ma imale a t

on peut proc der

une d cimation (sous- chantillon-

nage) tout en restant en accord avec le th or me de

l' chantillonnage . Une s quence de filtrage-d cima-

tion permet d'obtenir

p),

une suite d'images :

partir d'une image (n

(n/2

p/2),

(n/4

p/4),

(n/8

p/8),

et il est clair que cette suite est limit

images ainsi obtenues constitue une

e . L'ensemble des

repr sentation

Fig . 6. - Signe des laplaciens multifr quence.

tant

On constate que le niveau de gris du fond

affect de variations pourtant peu perceptibles

l'ceil,

les laplaciens traduisent cette situation par une varia-

g

1 2 ,

f i /2

I 3 ,

f l /4

I,,, f l /8

G

G

G

ri e

P

2

n p

L 2

-i

n p

L3

n p

E 2

E,

Fig. 5. - Organigramme de calcul de laplacien multifr quences.

Traitement du Signal

volume 6 - n 1 - 1989

62

1

APPLICATIONS

tion erratique de leur signe . On limitera cet effet, en

codant le signe par

blanc si L, > + s;

noir si L, < -s;

gris sinon .

E p rimentalement, une valeur de s = 2 s'est av r e

convenable . La photo de la figure 7 e plicite le codage

obtenu.

On notera que le laplacien haute fr quence L, rep re

par ses changements de signe les pi els fronti res des

objets, les points int rieurs trop loign s des contours

ne sont pas rep r s (cf. P, M, 6) . Le laplacien L 2

rep re les pi els int rieurs, L4 rep re un caract re ou

un groupe de caract re (cf. 86), les laplaciens de plus

basse fr quence rep reront de m me un mot, une

ligne de te te, une one de te te dans une page, etc .

2 .2 BINARISATION

A partir de la repr sentation multifr quence, chaque

pi el (j, k) sera

selon la

r gle

tiquett

blanc

noir

ou

Si L, (j, k) < - s alors noir

sinon si L, (j, k)> +s alors blanc

sinon si L (j, k) < -s alors noir

sinon si L2 (j, k) > + s alors blanc

sinon si

sinon si L, (j, k) < - s alors noir

sinon blanc

La fin de la r gle de d cision privil gie le label

blanc

en cas d'ambigu t .

Cette r gle de d cision, e aminant en premier le signe

du laplacien de haute fr quence assure que les

contours des objets seront pr serv s, les laplaciens de

Fig . 7. - Signe des laplaciens multifr quence .

(a)

(e)

(b)

(d)

Fiig. 8 . - E emples de binarisation.

Traitement du Signal

volume 6 - n 1 - 1989

63

BINARISATION D'IMAGES

remplir

plus basse fr quence sont utilis s pour

l'int rieur des objets .

Les photos de la figure 8 repr sentent les r sultats

partir d'une repr -

obtenus dans divers cas de figure

quatre premiers

sentation multifr quence limit e au

(fond

octaves . En (a) l'image est de bonne qualit

et objets uniformes), en (b), l'image a les m mes

caract ristiques mais le contraste est sensiblement

r duit, en (c), l'image est de qualit m diocre (stencil

tir sur un papier de mauvaise qualit ), en (d), l'image

repr sente des objets manufactur s n'a ant pas une

structure de trait, les parties sombres n'ont pas un

niveau de gris uniforme (pattes des circuits int gr s

plus clairs que les circuits int gr s, corps de la fiche

banane plus clair que les circuits int gr s) les parties

galement pas uniformes (motifs de la

claires ne sont

fiche banane plus sombres que le fond) .

2.3 . DISCUSSION

L'algorithme de binarisation multifr quence que nous

avons d crit pr sente

videmment avantages et

inconv nients .

aucun

L'avantage essentiel r side dans le fait qu'

(il faut

moment un seuil quelconque n'est utilis

cependant d cider, en pr sence de bruit d en particu-

la num risation, du signe d'un laplacien), l' ti-

lier

la notion d'int rieur

quettage des pi els fait appel

des objets, elle-m me d finie

partir d'un contraste

la repr sentation multifr quence, la

local . Gr ce

connaissance a priori des dimensions ma imales des

objets n'est pas n cessaire.

ordres . En

Quant au inconv nients ils sont de deu

ce qui concerne l'impl mentation de l'algorithme, bien

que le choi du laplacien-gaussien assure la faisabilit

en

lectronique c bl e des diverses op rations, il est

peu r aliste, bien que th oriquement possible, de r ali-

ser ces op rations

la vol e sur le signal vid o issu

du capteur. Ce t pe d'algorithme s'impl mente bien

associant une m moire

sur un processeur c bl

d'image et un op rateur de d cimation-convolution-

soustraction-e pansion. Une telle structure suppose

que la taille ma imale de l'image soit pr difinie. Une

maquette r alis e au laboratoire a permis d' valuer le

temps de traitement d'une image 256

256 pi els pour

laquelle 5 laplaciens-gaussiens sont calcul s : ce temps

de traitement est d'environ 22 ms. Ce format d'image

et le temps de traitement associ

peuvent convenir

lorsqu'il s'agit de binariser l'image d'un objet indus-

triel mais ils ne conviendront pas lorsqu'on voudra

traiter des images de te tes issus d'un scanner . Un

cet algorithme r sulte de sa

autre inconv nient li

tr s faibles contraste .

capacit

A la limite, il binarise de la m me fa on des objets

r els et des objets fictifs dus

des variations du niveau

de gris du fond. Il est toujours possible de contr ler

la binarisation en contr lant le codage des laplaciens

n gatifs au mo en d'un seuil, il est n anmoins tr s

difficile de lier une diff rence de niveau de gris et la

valeur d'une d riv e seconde faisant intervenir

la

tendue

fois une diff rence de niveau de gris et une

sur laquelle cette diff rence est valu e.

Ce sont ces raisons qui nous ont amen

proposer

l'algorithme suivant qui proc de par Apprentissage

Publicité

Local d'un Seuil .

binariser des images

3. Binarisation par apprentissage local d'un

seuil

Dans l'algorithme pr c dent, nous avons utilis

le

fait qu'un laplacien de haute fr quence nous permet

d' tiqueter les pi els int rieurs et e t rieurs proches

du contour des objets, les laplaciens de plus basse

fr quence sont utilis s pour remplir l'int rieur des

objets par couches successives, ils nous servent donc

tablir un lien entre pi els int rieurs situ s au voisi-

loign s du

nage du contour . et pi els int rieurs

contour . Une autre fa on d' tablir ce lien consiste

dire que tous les pi els int rieurs au

objets sont

caract ris s par un niveau de gris diff rent du niveau

de gris des pi els e t rieurs situ s au voisinage (c'est

ce que traduit le laplacien) . Il est donc possible d' ti-

queter les pi els par comparaison

la

condition de conna tre les niveau de gris caract ris-

tiques de l'int rieur et de l'e t rieur des objets . Le

laplacien de haute fr quence va nous permettre de

de gris . Consid rons la figure 9

conna tre ces niveau

une ligne d'image analogique

on a repr sent

o

o) et signe .

,

1

signe

l --j 2

L X

Fig. 9. - Ligne d'image et signe du laplacien.

o) et N ( ,

Soit B ( ,

du blanc et du noir dans cette ligne.

Ils seront d termin s par les r gles

o) respectivement les niveau

B( , Yo)=

,

o)

I (

B ( - d , Yo) sinon

si L . > 0

conserve la valeur pr c dente

N ( ,

o) =

,

o )

I (

N ( - d ,

si

o)

L,<0

sinon

o) sera r actualis

o ) sera donc r actualis au cours d'un bala age

B ( ,

selon les

croissants chaque fois qu'on approche

d'un caract re : on conna tra donc le niveau local du

blanc .

N ( ,

chaque fois qu'on entre ou

qu'on sort du caract re : on conna tra donc le niveau

local du noir .

En l'absence de connaissance sur la probabilit

a

priori des pi els blancs ou noirs, on choisira un seuil

S ( , Yo)

S ( , Yo)= /2

qui sera donc actualis

du laplacien . La seule contrainte

chaque changement de signe

respecter est que

Traitement du Signal

volume 6 - n 1 -1989

64

APPLICATIONS

(j,k)

g

Bin(j,k)

CP

G

12

Seuil

1

S(j,k)

Fig. 10. - Organigramme de l'algorithme de binarisation par apprentissage local d'un seuil .

dans un intervalle [ 2,

3] par e emple, o L1 ( )=0

(cf . fig. 9), le niveau de gris ne varie pas de mani re

). Dans notre e emple,

significative par rapport

il faudra que

S (

1( ) < /2

soit

S I=1( )-1( 2) < /2

Contrainte d'autant plus facile

respecter que le

contraste sur le bord d'entr e de l'objet est important .

La premi re partie de l'algorithme se d roule comme

dans l'algorithme pr c dent et permet d'obtenir

l'image filtr e passe-bas 12 (j, k) . Un op rateur d'ap-

prentissage du seuil et un comparateur permettent

d'obtenir directement l'image binaris e. La figure 10

e plicite l'organigramme des op rations .

Dans cet organigramme

  • CP est un comparateur qui d livre l'image binari-

s e Bin (j, k) telle que

Bin (j, k) =1

= 0

si

sinon

I 1 (ji k) < S (j, k)

  • l'op rateur d'apprentissage de seuil ob it au

r gles :

(1)

(2)

(3)

(4)

BU, () = 12 U, 0)

NU, 0)=O

J

,

,

k)

k) > 12

si

11

et si

NU, k)>1 2 U, k)

si

Il Q, k)<12U, k)

et si

B U, k) < 1 2 U, k)

SU, k)= /2 .

alors B U, k)=I 2 (j, k)

alors NU, k)=12 U, k)

alors N U, k) =1 2 U, k)

alors B U, k) =12 U, k)

de blanc

La r gle (1) assure l'initialisation des niveau

et de noir en d but de ligne . Telle qu'elle est

crite,

elle r sulte de l'h poth se qu'en d but de ligne l'image

repr sente le fond .

Les r gles (2) et (3) assurent l'actualisation des

niveau

du blanc et du noir respectivement . On

remarquera que les niveau r actualis s ne correspon-

l'image filtr e 12, on

dent pas

l'image I i mais

r duit ainsi fortement les variations erratiques de ces

dues au bruit de fond . La deu i me partie

niveau

la suite d'une r actualisation,

de ces r gles assure qu'

on ne peut se trouver dans la situation o

un niveau

de noir serait sup rieur

un niveau de blanc ou

inversement, situations qui pourraient se produire en

pr sence de variations lentes des niveau

La photo de la figure 11 visualise de haut en bas

l'image de bonne qualit

11, l'image binaire obtenue

BIN, le signe du laplacien L 1 =I1 -I2, l'image du

seuil S (j, k) .

de gris .

Fig. 11 .

On constate sur cette photo que l'algorithme fonc-

tionne bien dans les ones o

les objets sont pr sents

le seuil est convenablement r actualis ,

la condition

l'int rieur des objets le laplacien ne devienne

que

jamais positif (ce qui n'est pas le cas, par deu

fois

l'int rieur du M) . Par contre, dans les

ones o

uniquement le fond est pr sent, le signe du laplacien

utilis

comme indicateur d'int rieur et d'e t rieur

d'objet s'av re d ficient (comment pourrait-il en

tre

autrement) .

Ceci nous a amen

r actualisation des niveau

modifier les r gles (2) et (3) de

du blanc et du noir selon

(2')

si

alors

et

[12 U, k) > S (j, k)]

B U, k) =12 U, k)

Cette r gle assure la r actualisation du niveau du

blanc si le laplacien est non n gatif et

la condition

Traitement du Signal

65

volume 6 - n 1

  • 1989

BINARISATION D'IMAGES

que le pi el soit situ

le niveau du blanc est contraint

fond .

l'e

t rieur des objets . Ainsi,

suivre le niveau du

(3')

si

alors

et

['2 (j, k) < B (j, k) -CT]

NU, k) =12 (j, k) .

Cette r gle assure la r actualisation du niveau du noir

si le laplacien est n gatif : le pi el est pr sum situ

l'int rieur d'un objet . On distingue un objet v ritable

d'un bruit au mo en d'un contraste local minimal

CT. Dans ce qui suit le contraste local minimal est

1/32 de la pleine

La photo de la figure 12 visualise le r sultat obtenu

en utilisant ces nouvelles r gles . On notera sur l'image

du seuil que celui-ci reste bas dans les

ones o aucun

objet n'est pr sent . On notera galement qu'il varie

en fonction du contraste local dans les

ones ou les

objets sont pr sents .

chelle.

Fig. 14.

64 niveau

Les graphiques de la figure 15 montrent une ligne

d'image (ramen e

de gris) correspondant

au

photos des figures 11, 12, 13, 14 . En 15 a, on

observe une r actualisation intempestive (rep r e par

l'int rieur de l'objet, en l5 b le

une fl che) du seuil

probl me a t

par l'utilisation de la r gle

(2') .

limin

La photo de la figure 16 illustre le fonctionnement

de l'algorithme lorsque les objets sont clairs et le fond

sombre . Dans cette application, les r gles (1'), (2'),

(3') et (4) ont

t modifi es compte tenu de la nature