Objectifs du cours

Analyse d'images et reconnaissance des formes · course

Objectifs du cours

L'objectif du cours est de proposer une formation de base en analyse d'images et reconnaissance des

formes.

On présentera les connaissances de base sur les images discrètes (théorie de l'information), leur

représentation (structures discrètes), et leur exploitation (filtrage et amélioration).

L'analyse automatique des images sera développée à travers un problème phare : celui de la

segmentation d'images.

On abordera également des notions de plus haut niveau sur la compréhension automatique du contenu

des images (classification et reconnaissance des formes).

TTSI

GENERALITES sur les IMAGES

Pour l’être humain, l’image constitue l’une des principales sources d’informations. Une scène contient

une quantité importante d’informations qu’il est utile parfois de traiter et d’analyser dans le but de

prendre des décisions.

Le traitement d’images admet donc deux motivations principales :

 Recherche d’information pour une interprétation par l’homme

 Analyse de scènes pour la perception par la machine

Il existe différents domaines d’application du traitement d’images :

 En médecine, le traitement des images radiologiques, scanner permet d’apporter une aide

appréciable au diagnostic.

 En biologie, le traitement d’images microscopiques permet d’automatiser des taches répétitives

et fastidieuses.

 En industrie, la vision permet aux robots d’appréhender leur environnement et d’agir en

conséquence pour l’inspection, l’assemblage ou le contrôle de qualité.

 En agriculture, le traitement des images satellitaires (ou télédétection) permet de collecter des

informations.

R. BESROUR

1

Définition d’une image

L’image se définit comme la représentation analogique d’un être, d’une chose, d’une scène ou d’objets

présents à la surface du sol.

D’un point de vue thématique, l’image ne contient qu’une mesure relative de luminance exprimée par

un ton de gris, dans le cas d’une image analogique, et par un nombre généralement compris entre 0 et

255, dans celui d’une image numérique. A ce contenu thématique de luminance s’ajoute son

positionnement dans la dimension spatiale.

Dans le cas d’une image analogique, l’image est passive. L’extraction d’information repose sur la

capacité de l’interprète à associer les formes et les couleurs à des connaissances préalables qu’il

possède.

L’élément de l’image est un ton de gris ou une couleur qui s’évalue surtout de manière relative : tel point

est plus sombre que son voisin. Cette propriété ne permet pas une approche quantitative de la mesure

de luminance qu’est censé représenter l’élément de l’image.

R. BESROUR

2

Pour être traitée par l’ordinateur, une image doit être digitalisée. Cette opération nécessite un

échantillonnage du plan (X,Y) et une quantification de l’information liée à la couleur (z)  ensemble

d’éléments d’images : Pixels.

L'échantillonnage est le procédé de discrétisation spatiale d'une

image consistant à associer à chaque zone rectangulaire R(x,y)

d'une image continue une unique valeur I(x,y).

La quantification désigne la limitation du nombre de valeurs différentes que peut prendre I(x,y).

Une image numérique est une image échantillonnée et quantifiée.

R. BESROUR

3

R. BESROUR

4

La résolution d’une image reflète sa qualité. Comme l’image est représentée dans un espace à trois

dimensions, on peut parler de résolution spatiale et de résolution colorimétrique.

R. BESROUR

5

L'échantillonnage est une étape fondamentale qui

doit tenir compte du contenu informationnel

pertinent de l'image à analyser. Sur l'exemple ci-

contre, en 1d, le signal échantillonné « ressemble » à

une sinusoïde de fréquence 8 fois plus faible.

La quantification peut également faire apparaître des distorsions

dans les images. Comme pour l'échantillonnage, il existe des règles

pour déterminer la bonne quantification (le bon nombre de bits)

pour coder les images numériques.

L'une dépend du capteur, et de sa capacité effective à observer des signaux de valeurs différentes : le

rapport signal sur bruit.

Le rapport signal sur bruit est défini à partir du rapport entre l'amplitude des niveaux de gris

mesurables par le capteur (nmax - nmin) et le niveau du bruit.

R. BESROUR

6

Outre les capacités du capteur, le nombre de bits réellement

nécessaires pour coder une image varie d'une image à l'autre, en

fonction de leur contenu informationnel.

Ce nombre dépend de

l'entropie, définie à partir de

la

distribution des niveaux de gris de l'image.

Où N est le nombre de niveaux de gris présents, pi est la proportion (0 < pi < 1) de points de l'image

ayant pour niveau de gris i. Cette grandeur représente le nombre moyen de bits par pixel nécessaires

pour coder toute l'information présente.

R. BESROUR

7

Une image numérique ne constitue donc qu’une version approchée de l’image réelle; La qualité de

l’approximation dépend de la quantité d’information portée par l’image numérique, en particulier

du nombre de pixels utilisés : la résolution spatiale.

Quelle est l’information conservée (ou perdue) lorsqu’on diminue la résolution? Ou en

d’autres termes, quelle information peut-on reconstituer de l’image réelle à partir d’une image

numérique?

R. BESROUR

8

Résolution spatiale : échantillonnage

Le changement de résolution tonale, correspondant à la quantification, fait aussi apparaitre une perte

d’information dans les images, pour la représentation d’une même image avec différentes dynamiques.

La bonne dynamique dépend de la qualité des éléments photosensibles du capteur, mais aussi de la

richesse du contenu informationnel de l’image, qui est liés à la distribution statistique de ses valeurs.

R. BESROUR

9

Résolution tonale : quantification

Introduction aux images couleur

Les couleurs trouvent leur origine dans la séparation de la lumière blanche naturelle en composantes

absorbées et composantes réfléchies. Toute source lumineuse visible est composée d'un mélange

d'ondes électromagnétiques cohérentes (couleurs pures), dont la longueur d'onde est comprise entre

0,4 μm (violet) et 0,7 μm (rouge).

Un mélange quelconque de ces couleurs pures engendre une autre couleur, qu'on peut qualifier en

termes de nuances selon différents critères plus ou moins intuitifs :

R. BESROUR

10

1. La trichromie

Le principe de la trichromie réside dans la découverte qu'il suffit d'un triplet de couleurs pures pour

restituer – par mélange de ces 3 composantes qu'on peut qualifier de primaires – l'intégralité des

couleurs.

Le cercle de Newton peut

ainsi se « résumer » en un

triangle de primaires.

2. Restitution de la couleur

La trichromie permet donc de voir l'ensemble des couleurs comme un espace vectoriel de dimension 3,

où 3 sources lumineuses primaires (r,g,b) varient en intensité entre 0 et 100%.

Ce principe de synthèse additive de la couleur se retrouve dans la plupart des dispositifs lumineux de

restitution de la couleur : LCD, Plasma.

R. BESROUR

11

3. L’espace RGB

L'espace RGB est l'espace vectoriel engendré par les 3 composantes primaires (Rouge, Vert, Bleu).

Dans le système RGB, une couleur est définie par trois coordonnées (r,g,b). L’origine correspond à la

couleur noir. Le blanc est obtenu lorsque r=g=b=valeur maximale (100). Sur la droite reliant l’origine au

sommet du cube, on trouve tous les points de l’espace vérifiant r=g=b et donc les couleurs grises.

R. BESROUR

12

Chaque axe du cube représente des valeurs de rouge, de vert,

ou bleu dans l'intervalle [0 255].

Les couleurs agissent comme des vecteurs. Elles peuvent être

combinées par l'addition et la soustraction pour obtenir

d'autres couleurs dans le cube. Ainsi, l'origine du cube, ou 0R 0G

0B, représente l'absence totale de couleur, ce qui est le Noir.

L'extrémité la plus éloignée de l'origine est la somme des

intensités les plus élevées de rouge, de vert, et de bleu, ou 255R

255G 255B. Ceci produit la couleur Blanc, c'est pourquoi ce coin

du cube est étiqueté W.

Les autres coins du cube représentent les diverses couleurs primaires et secondaires. Les trois restants

sont cyan (bleu clair), magenta (rouge violacé), et jaune.

On peut voir qu'ajouter 255 de rouge à 255 de vert se décrit 255R 255G 0B ou jaune, ajouter 255 de

rouge 255 à 255 de bleue donne 255R 0G 255B ou magenta, et ajouter 255 de vert à 255 de bleue donne

0R 255G 255B ou cyan.

R. BESROUR

13

Notez que la diagonale principale du cube RVB est illustrée comme une ligne tracée entre l'origine Noir

à 0 et le Blanc à W. Cette ligne représente les couleurs dans le cube RVB qui se composent des quantités

égales de rouge, vertes, et le bleu.

Tous les points sur cette ligne sont gris. Plus on se situe près de l'origine, plus le gris est foncé; plus on

se situe près de W, plus le gris est clair  la diagonale principale : axe neutre.

4. L’espace XYZ

L'espace XYZ (CIE 1931) est défini à partir d'une transformation linéaire sur l'espace RGB telle que

toutes les couleurs du spectre visible soient contenues dans un triangle xyz.

Les coordonnées XYZ des couleurs naturelles ont ainsi toujours des valeurs positives.

R. BESROUR

14

5. L’espace HSV

Le principe de l'espace HSV est de caractériser les couleurs de façon plus intuitive, conformément à la

perception naturelle des couleurs, en termes de :

 teinte : intuitivement, c'est le nom qu'on utilisera pour désigner la couleur, « vert », « mauve »,

« orange » donc associé à une longueur d'onde.

 saturation : c'est le taux de pureté de la couleur, qui doit varier entre la pureté maximale

(couleur éclatante) et l'achromatisme (niveau de gris).

Publicité

 valeur : c'est la mesure de l'intensité lumineuse de la couleur, qui doit varier entre le noir absolu

et le blanc.

R. BESROUR

15

Le passage de RGB à HSV se fait

par une transformation non

linéaire. Plusieurs opérateurs

ont été proposés pour

la

conversion. Voici un exemple :

R. BESROUR

16

R. BESROUR

17

R. BESROUR

18

R. BESROUR

19

Les formats d’images

Une image digitale est généralement stockée dans un fichier selon un arrangement particulier des

pixels. Cet arrangement est connu sous le vocable « format d’image ». Pour pouvoir lire une image, il est

impératif de connaître son format ou bien d’utiliser un logiciel qui le connaît.

Il existe différents formats d’image :

 le format BMP (plate-forme WINDOWS)

 le format GIF (compression par la méthode LZW, codage sur 8 bits)

 le format JPEG (transfert d’image à travers le Web, bon rapport qualité/ espace)

 le format PSD (logiciel Adobe Photoshop, Codage sur 8, 16, 24 ou 32 bits)

 le format TIFF (Tagged-Image File Format), le plus universel

 le format PDF : utilisé par Adobe Acrobat®

R. BESROUR

20

Processus de traitement et d’analyse d’images

o Eclairage et saisie : Un capteur d’image permet de saisir et de représenter une scène réelle par une

image qualifiée « d’image brute » ou « d’image source ».

Dans cette étape, il existe un certain nombre d’aspect dont il faut tenir compte à savoir :

 l’éclairage de la scène car il influe beaucoup sur la qualité de l’image

 le capteur, qui est généralement une caméra, peut délivrer un signal analogique, dans quel cas il

faudra penser prévoir une carte de numérisation d’image dont le rôle est d’échantillonner le signal

analogique pour obtenir une image numérique. D’autres caméras sont numériques et délivrent donc

directement une image numérique.

o Traitement : La phase de traitement qui est souvent appelée « pré-traitement » vise à améliorer la

qualité de l’image. En effet, l’image brute contient généralement des dégradations. On utilise alors des

techniques de rehaussement et de restauration soit pour améliorer la qualité visuelle soit pour essayer

de retrouver l’image d’origine.

R. BESROUR

21

o Segmentation : Une fois l’image améliorée, on passe à une étape de segmentation pour isoler et

localiser les régions d’intérêt car l’image contient beaucoup d’information et on est intéressé par

certaines d’entre elles. Parmi les techniques de segmentation nous verrons celles qui opèrent par

détection de contour et celles qui opèrent par détection de régions.

o Analyse : L’objectif de cette étape est d’analyser les objets retenus en vue d’en extraire des

caractéristiques chiffrées.

o Diagnostic : Sur la base des caractéristiques obtenues on peut énoncer des décisions.

Dans la suite du cours, nous allons présenter :

 le problème du rehaussement et quelques techniques couramment utilisées

 le problème de la restauration et les traitements basés sur le filtrage de l’image

 le problème de la segmentation et les différentes approches (par contour et par régions)

 et finalement des éléments de géométrie permettant la description des formes.

R. BESROUR

22

REHAUSSEMENTS MODIFICATIONS VISUELLES DE L’IMAGE

Problématique

Notre capacité d’extraire des informations de l’image repose sur notre système visuel et sur notre

facilité d’associer les formes perçues à des informations la qualité visuelle de l’image

joue donc un rôle important.

Tous les procédés qui consistent à modifier l’aspect visuel de l’image en vue de faciliter son

interprétation se rattachent à la notion de rehaussement.

R. BESROUR

1

Histogramme d’une image

 L’histogramme exprime, par classe de niveaux de gris, le nombre d’occurrences ou effectif d’un NG

donné observés dans l’image. Divisée par le nombre total de pixels, la fréquence est dite relative.

 Les pics sont appelés modes. Les modes jouent un grand rôle dans les procédures de classification.

 L’histogramme exprime la dynamique de l’image, c’est à dire l’étendue des niveaux de gris ou encore

l’état de contrastage. La dynamique est un bon indicateur de la capacité qu’offre une image dans

l’extraction de classes spectrales.

 Plus la dynamique est large, plus l’image exprime des nuances et des détails. Par contre une

dynamique étendue offre plus de possibilités de segmentation. Une dynamique étroite signifie qu’un

nombre réduit de valeurs différentes est présent et que de nombreux objets s’expriment par le même

niveau de gris et ne seront, par conséquent, pas différenciables.

R. BESROUR

2

R. BESROUR

3

Traitement à base d'histogramme

On présente dans la suite quelques traitement d'analyse effectués uniquement à partir de

l'histogramme. Retenons que certains de ces traitements sont souvent calculés au niveau des capteurs,

et qu'en général leur pertinence est très intimement liée aux conditions d'acquisition.

(1) Normalisation  exploiter toute la dynamique de codage.

(2) Égalisation  équilibrer la dynamique de codage et augmenter le contraste.

(3) Segmentation  simplifier l'image en regroupant les pixels selon leurs valeurs.

R. BESROUR

4

1. Histogramme : normalisation

La normalisation d'histogramme, ou expansion de dynamique, est une transformation affine du niveau

de gris des pixels de telle sorte que l'image utilise toute la dynamique de représentation.

D : dynamique Nmin : la plus petite valeur dans l'image Nmax : la plus grande valeur dans l'image

R. BESROUR

5

2. Histogramme : égalisation

L'égalisation d'histogramme est une transformation des niveaux de gris dont le principe est d'équilibrer

le mieux possible la distribution des pixels dans la dynamique (idéalement, on cherche à obtenir un

histogramme plat).

La technique classique consiste à rendre «le plus linéaire possible» l'histogramme cumulé de l'image en

utilisant la transformation suivante :

D : dynamique

(w,h) : dimension de l'image

HC(.) : histogramme cumulé

R. BESROUR

6

3. Histogramme : segmentation

Il existe des techniques de segmentation basées sur un regroupement des niveaux de gris à partir de

l'histogramme. Ces techniques sont rarement efficaces car elles ne considèrent que la valeur des pixels

sans tenir compte de critères géométriques ou topologiques.

Par exemple, la méthode ci-dessous calcule un certain nombre de quantiles à partir de l'histogramme

cumulé, les regroupe par classes en fonction d'un critère de distance, puis attribut la même étiquette

aux pixels dont la valeur est la plus proche d'une classe donnée :

R. BESROUR

7

Transformée de Fourier d’une image

La transformée de Fourier 2D d’un signal f est définie par :

Que peut-on voir dans la transformée de Fourier d’une image? Si on regarde l’image des modules F(u,v),

on y voit le spectre de l’image, c’est-à-dire l’ensemble des coefficients pondérant les fonctions

exponentielles.

Pour les valeurs de u et v proches de 0, les coefficients F(u,v) sont les composantes de basses fréquences

tandis que pour des valeurs élevées de u et v, les coefficients F(u,v) sont les composantes de hautes

fréquences.

Dans le cas d’une image périodique, on distinguera des raies correspondant aux fréquences verticales et

horizontales. Pour une photographie réelle, l’image de la transformée est plus difficile à interpréter. Le

repère de ces images est construit de telle sorte que le centre de l’image correspond au point (0,0). On

observe donc les basses fréquences au centre de l’image et les hautes fréquences en périphérie.

R. BESROUR

8

dxdyeyxfvuFvyuxj)(2),(),(

Le filtrage passe-bas, qui correspondant à la suppression des hautes fréquences, se comprend très bien

sur l’image de la transformée de Fourier : seule la partie centrale de l’image de Fourier est conservée. Il

suffit alors d’effectuer la transformée de Fourier inverse pour obtenir le résultat

A gauche : une image synthétique périodique.

Filtre passe-bas vu sur la transformée de

A droite : le module de sa transformée de Fourier

Fourier de l’image synthétique périodique et

mettant en évidence le caractère périodique en x et

sa transformée inverse

y de l’image initiale

R. BESROUR

9

A gauche : une image naturelle.

Filtre passe-bas vu sur la transformée de Fourier

A droite : le module de sa transformée de

de l’image du Père Noel et sa transformée

Fourier

inverse

R. BESROUR

10

RESTAURATION - FILTRAGE

La restauration d’images tend à améliorer la qualité d’une image.

Par exemple, une photographie dont le négatif aurait reçu une poussière

conduira à un défaut sur l’image.

Un bougé lors de la prise d’une photographie pourra conduire à une image

floue. Une sous-illumination conduira à des couleurs erronées…

R. BESROUR

1

Perturbations de l’image

1. Causes du bruit

Les sources de bruit sont très variées.

 Contexte d’acquisition : une sur ou sous illumination réduit l’intervalle de couleurs de la scène mais

pas son nombre, alors que le nombre de couleurs utilisées pour représenter cette scène sera réduit

Publicité

dans le cas d’un appareil photo-numérique. Parmi les bruits liés au contexte d’acquisition, on peut

également citer la perturbation des capteurs. Certains capteurs induisent des distorsions

géométriques ou d’intensité.

 L’échantillonnage est source de bruit, notamment lorsque la condition de Shannon n’est pas

respectée, ou de bruit sel et poivre lorsque des objets de la scène sont projetés dans une image de la

taille d’un pixel.

 La quantification apporte un bruit dit de quantification.

 La transmission des images est l’occasion de perturbations : perte ou corruption des données.

R. BESROUR

2

2. Modélisation du bruit

Le bruit peut être dépendant (le bruit de quantification) ou indépendant (les poussières sur l’objectif)

des données de l’image. On peut alors modéliser le bruit par un terme additif ou multiplicatif au signal

original. Afin d’éliminer le bruit, on peut considérer qu’il concerne des hautes fréquences non présentes

dans l’image et qu’il suffit d’effectuer un filtre passe-bas pour améliorer l’image.

3. Bruit impulsionnel

Un bruit impulsionnel est défini par une densité de probabilité :

Pour α = 1, il s’agit d’un bruit exponentiel et pour α = 2, il s’agit d’un bruit gaussien.

A gauche : l’image originale.

A droite : l’image bruitée par un bruit gaussien additif d’écart type σ = 16

R. BESROUR

3

aKeCaf.)(

4. Bruit de sel et poivre

Le bruit de sel et poivre modélise assez bien les poussières sur une pellicule ou sur un scanner, des

petits objets sur l’image ainsi que des pertes de données.

Pour bruiter une image de dimension w x h en sel et poivre de p%, il suffit de colorier whp/2 pixels en

noir et whp/2 pixels en blanc, ces pixels étant choisis aléatoirement.

A gauche : l’image originale.

A droite : l’image bruitée avec un bruit sel et poivre de 10%

R. BESROUR

4

Restauration

1. Notion de voisinage

Les voisinages d’un pixel ont une forme et étendue qui peuvent varier : croix, diamant ou carré. Le « 0 »

signifie que le pixel n’est pas considéré tandis que le « 1 » signifie qu’il est considéré. Ces masques

sont à appliquer à l’image, en les centrant sur le pixel considéré.

Voisinages en dimensions 3x3 :

Voisinages en dimensions 7x7 :

croix carré

croix diamant carré

R. BESROUR

5

010111010111111111000100000010000001000111111100010000001000000100000010000011100011111011111110111110001110000010001111111111111111111111111111111111111111111111111

2. Filtrage

Nous allons nous intéresser au filtrage spatial, c’est-à-dire un filtrage qui s’applique sur un

voisinage d’un pixel dans une image. Parmi les différents types de filtrages, certains sont linéaires,

s’exprimant sous forme de convolution, d’autres sont non linéaires. Les filtres peuvent effectuer

plusieurs types d’opérations comme du lissage ou du rehaussement de contours.

3. Filtre moyenneur (mean filtering ou box filtering)

Le principe est très simple : un pixel est remplacé par la moyenne de lui-même et de ses voisins.

C’est dans la définition du voisinage que les filtres vont différer. On peut considérer un voisinage

en connexité 4 ou 8, ou même encore plus large :

connexité 4 connexité 8

Le filtre moyenneur est un filtre passe-bas permettant ainsi d’éliminer les hautes fréquences,

correspondant au bruit. Son inconvénient est qu’il élimine également les hautes fréquences

correspondant aux détails de l’image : il rend ainsi l’image moins bruitée mais floue.

R. BESROUR

6

5/0101110109/111111111

On observe que le lissage permet d’éliminer une partie du bruit, notamment dans la partie du

ciel, mais que les détails sont altérés, notamment sur les maisons et le paysage.

R. BESROUR

7

4. Filtre gaussien (gaussian filtering)

Le principe de ce filtrage est une convolution avec une gaussienne.

Pour effectuer une convolution avec une gaussienne, on utilise un masque de convolution obtenu

par discrétisation d’une gaussienne sur un noyau généralement de taille (2p+1)x(2p+1). Certains

masques sont à coefficients entiers pour permettre des calculs plus rapides, voire à coefficients

puissance de 2.

Exemples de noyaux gaussiens

Le lissage gaussien permet de corriger le bruit dans les parties homogènes des images mais est

moins efficace que le lissage moyenneur. Cependant il dégrade moins les détails que le lissage

moyenneur.

R. BESROUR

8

1122211122422122484222481684222484221224221112221111211124212484212421112111474141626164726412674162616414741221242121

On observe que le lissage gaussien permet d’éliminer une partie du bruit, notamment dans la partie du ciel

mais de façon moins efficace que le lissage moyenneur. On observe également que les détails sont altérés,

notamment sur les maisons et le paysage, mais un peu moins qu’avec le lissage moyenneur.

R. BESROUR

9

5. Filtre conservatif

Contrairement au filtre précédent, ce filtre n’est pas linéaire. Son principe est de ne conserver la

valeur d’un pixel donné que si celle-ci se situe à l’intérieur de l’intervalle déterminé par les valeurs

des pixels voisins.

124

123

124

125

0

125

0

125

123

124

0

125

127

130

128

127

130

128

intervalle = [123;130]

intervalle = [0;130]

124

123

124

125

123

125

0

125

123

124

0

125

127

130

128

127

130

128

Illustration du filtre conservatif sur un pixel « poivre », soit de valeur 0.

Sur l’exemple du haut, l’intervalle trouvé est [123;130]. La valeur du pixel courant n’est pas dans l’intervalle

de ses voisins : elle est donc remplacée par la valeur minimale : 123.

Dans l’exemple du bas, la valeur du pixel est effectivement dans l’intervalle des valeurs des voisins : il n’y a

pas de modification.

R. BESROUR

10

Si la valeur du pixel est inférieure à la borne inférieure de cet intervalle, le pixel prend pour valeur

la borne inférieure; Si la valeur du pixel est supérieure à la borne supérieure, le pixel prend pour

valeur la borne supérieure.

Image originale

Image bruitée par un bruit gaussien (σ=16)

puis lissée par un filtre conservatif

R. BESROUR

11

Image bruitée par un bruit de sel et poivre (10%)

puis lissée par un filtre conservatif

Image bruitée par un bruit de sel et poivre (2%)

Puis lissée par un filtre conservatif

R. BESROUR

12

Le filtre conservatif permet d’éliminer une partie du bruit de sel et poivre mais est inefficace pour le bruit

gaussien. Cependant, il ne permet d’éliminer correctement le bruit de sel et poivre que lorsque le taux de

bruit est faible.

Ce type de filtrage n’est pas efficace pour un bruit gaussien mais permet de bien corriger le bruit de

sel et poivre, lorsque le bruit n’est pas trop important.

En effet, le blanc et le noir sont des valeurs extrêmes pouvant être prises par les pixels. Un pixel

blanc ou noir isolé est surement du à du bruit de sel et poivre et sera donc à l’extérieur de

l’intervalle des voisins. Si le taux de bruit est trop élevé, il devient plus probable d’avoir un pixel

bruité dans le voisinage d’un pixel bruité, ne permettant alors pas de le corriger.

6. Filtre median (median filter)

Le filtre median est une amélioration du filtre conservatif. Son principe consiste à remplacer un

pixel par la médiane de ses voisins. Ainsi, même si plusieurs pixels voisins sont bruités, on peut

corriger le pixel courant. Ce filtre induit cependant un lissage puisque même des pixels corrects

peuvent être modifiés. De plus, ce filtrage est plus couteux car nécessite d’effectuer un tri des

voisins pour chaque pixel. Puis le voisinage considéré est grand, plus l’algorithme sera couteux.

R. BESROUR

13

124 125 127

123

0

130

124 125 128

Publicité

124

123

0

0

127

130

124 125 128

124 125 127 123

0

130 124 125 128

0

123 124 124 125 125 127 128 130

Valeur médiane

124

0

127 123

0

130 124 125 128

124 125 127

123 125 130

124 125 128

124

0

127

123 124 130

124 125 128

0

0

123 124 124 125 127 128 130

Valeur médiane Illustration du filtre médian sur un pixel « poivre », soit de valeur 0. Les voisins sont étudiés et triés par

valeurs croissantes, avec la valeur du pixel courant. Le pixel est remplacé par la valeur médiane, càd la valeur

située au milieu des éléments triés. Sur l’exemple du haut, la valeur médiane trouvée est 125. Dans l’exemple

du bas, la valeur du pixel courant est remplacée par la valeur médiane qui est 124. Ainsi, même lorsque deux

pixels bruités poivre (ou sel) sont voisins, une correction est effectuée. Le filtre médian se révèle ainsi plus

efficace que le filtre conservatif lorsque le bruit set et poivre est important. R. BESROUR

14

Le filtre médian permet d’obtenir de bons résultats sur du bruit sel et poivre mais est aussi peu

performant que le filtre conservatif pour le bruit gaussien. Tout comme le filtre conservatif, le filtre

médian possède également l’avantage de ne pas introduire de valeurs autres que celles déjà

présentes dans l’image, ce qui n’est pas le cas, par exemple, pour un lissage moyenneur.

Image originale

Image bruitée par un bruit gaussien (σ=16)

R. BESROUR

puis lissée par un filtre médian 3x3

15

Image bruitée par un bruit de sel et poivre (10%)

puis lissée par un filtre médian 3x3

Le filtre médian est bien plus efficace sur le bruit de

sel et poivre que sur le bruit gaussien. Il est

également bien meilleur que le filtrage conservatif

mais lisse un peu les détails ( regardez les maisons).

Puis lissée deux fois par un filtre médian 3x 3

R. BESROUR

16

7. Filtres rehausseurs de contours (edge cripening)

Afin de corriger l’effet de lissage des filtres précédents, on peut vouloir utiliser, après restauration,

un filtre rehausseur de contours. Il s’agit cette fois-ci de l’ajout d’un filtre passe-haut. Cela à pour

conséquence fâcheuse d’augmenter le bruit.

Voici différents noyaux de convolution:

On notera que l’effet est augmenté en diminuant le coefficient central de ces noyaux. Le coefficient

diviseur à appliquer doit permettre aux zones unies de l’image d’être conservées : c’est donc la

somme des coefficients.

R. BESROUR

17

0101101010121252121111191111

Les filtres gaussiens sont plus adaptés au bruit gaussien tandis que les filtres médians

corrigent bien le bruit de type sel et poivre.

Les filtres conservatifs corrigent assez bien le bruit sel et poivre lorsque celui-ci n’est

pas très important.

Par contre, dans tous les cas, on observe une dégradation des détails. Il en vient une

idée naturelle qui consisterait à vouloir lisser les zones unies et conserver les zones de

détails au niveau des contours.

R. BESROUR

18

RECHERCHE de PRIMITIVES : DETECTION de CONTOURS

 La recherche de primitives dans une image constitue l’étape nécessaire pour détecter un objet

dans une scène.

 La détection de primitives peut servir à effectuer des mesures : conformité de pièces en usine,

volumes d’organes en imagerie médicale…

 Les primitives sont de plusieurs types. Elles peuvent consister en des contours, des régions, des

ponts d’intérêts, des lignes, des courbes…

 Selon le type de primitives que l’on recherche, différentes méthodes peut être employées. Il est

cependant important de noter que la détection automatique de tout objet dans n’importe quel type

d’image est un problème qui n’a pas de solution générale et qui nécessite des connaissances à

priori.

R. BESROUR

1

Approche par convolution

Les contours correspondent à des maxima locaux de la dérivée première, marquant les fortes

variations d’intensité dans l’image.

La dérivée première correspond au gradient, vecteur composé de la dérivée partielle de l’image

selon x et de la dérivée partielle selon y :

On recherchera ainsi les points dont le module du gradient est maximal.

Les contours correspondent également aux passages par zéro de la dérivée seconde. On peut aussi

utiliser le Laplacien, somme des dérivées partielles secondes :

On recherchera les points dont le Laplacien s’annule en changeant de signe.

R. BESROUR

2

],[yIxII]²²,²²[yIxII

1. Dérivée première :

Si le lieu de contour correspond au saut de hauteur et si nous dessinons la dérivée, nous observons

que le lieu de contour correspond aux pics de la dérivée.

 Détecteur de Roberts cherche les dérivées selon des directions diagonales. Il est décomposé en

deux masques de convolution :

Le module, ou force du contour, est calculé par la norme du vecteur composé par les deux

composantes de la dérivée :

D’un point de vue géométrique, le vecteur gradient en un point indique la direction où la variation

des niveaux de gris est la plus grande. Son amplitude donne la valeur de la pente. La pente est très

faible aux points se trouvant à l’intérieur d’une région homogène et une valeur importante aux

points de transition. Dans la pratique, on s’intéresse le plus souvent à l’amplitude du vecteur.

R. BESROUR

4

0110dxdI1001dydI22dydIdxdI

Extraction des contours diagonaux \

Extraction des contours diagonaux /

R. BESROUR

5

 Détecteur de Sobel cherche les dérivées selon des directions horizontale et verticale. L’image de

contour selon Sobel est obtenue en calculant, pour chaque pixel, la racine carrée de la somme des

carrés des valeurs des pixels dans chacune des images intermédiaires, obtenue chacune à l’aide des

filtres et

Extraction des contours verticaux

Extraction des contours horizontaux

R. BESROUR

6

dxdIdydI4/101202101dxdI4/121000121dydI

 Détecteur de Prewitt : le module du contour est obtenu par la valeur absolue maximale des

convolutions avec les différents masques de convolution :

 Détecteur de Kirsch : ce détecteur est un peu plus complexe que le précédent : il utilise huit

noyaux de convolution lui permettant de détecter des contours en fonction de huit directions.

R. BESROUR

7

3/1011011013/1101010113/1110001113/01110111015/33530533515/33330535515/33330355515/33350355315/53350353315/55350333315/55530333315/355305333

2. Dérivée seconde

Cette méthode est très utilisée pour la détermination du contour. En effet les points de ce dernier

correspondent aux points de passage par zéro du Laplacien. Comme ces points existent toujours et

sont uniques, on est assuré d’avoir un contour fermé et d’épaisseur un pixel. Cependant cette

méthode présente l’inconvénient d’être très sensible au bruit. On risque donc d’obtenir une sur-

segmentation. Pour remédier à ce problème, il faut lisser l’image avant d’appliquer le Laplacien.

R. BESROUR

8

²²²²²yIxII4/0101410108/111181111

Filtre de Laplace appliqué à l’image du père Noel. A gauche, en connexité 4; à droite en connexité 8. Ces

images de Laplacien sont plus bruitées que les images obtenues par la dérivée première

A gauche, le filtre de Laplace en connexité 8 appliqué après lissage gaussien de noyau 7x7. A droite, les lieux

de passage par zéro de ce même Laplacien.

R. BESROUR

9

Segmentation par seuillage d’images

1. Principe :

Dans de nombreuses applications, les images peuvent être bien contrastées et l’application de

techniques simples très rapides pourrait suffire pour trouver de bons résultats. La méthode

basée sur le seuillage de l’image en est une.

Le but de la détection de contours est de pouvoir déterminer des contours d’objets ou de régions

dans les images. Les filtres précédents nous fournissent une mesure des sauts ou des différences

d’intensité dans l’image. Le seuillage permet d’éliminer des points en lesquels la différence

d’intensité est trop faible pour que le point soit un point de contour.

Le seuillage le plus simple consiste à éliminer les points dont le module de contour est en dessous

d’un seuil minimum. Il peut conserver un point bruité isolé mais éliminer une portion de contour

d’intensité faible mais réelle.

R. BESROUR

10

 Dans le cas où l’image contient deux régions, une représentant l’objet auquel on s‘intéresse et

l’autre le fond de l’image, et si les régions sont bien contrastées, on peut décider de l’appartenance

d’un pixel à l’une ou l’autre des régions par un simple : sa valeur est-elle supérieure ou inférieure à

un seuil connu à l’avan