Morphologie mathématique

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1 Morphologie mathématique Erosions et Dilations Luc Brun (d après le cours de M. Coster) Morphologie mathématique p.1/65

2 Plan (1/2) Élément Structurant Définition, Exemple, Transposé Érosions et dilatations ensemblistes Transformation en tout ou rien L érosion L érosion exemples Transformation bi colorée Érosion et soustraction de Minkowski Dilatation Dilatation : Exemples Dilatation et addition de Minkowski Propriétés de l érosion et la dilatation ensemblistes. Dualité, Extensivité Croissance, Composition Union, Intersection Composition Continuité supérieure de l érosion Calculs de Distances Distance d un point à un ensemble, Distance et courone, Distance par érosion : Algorithme Exemples Distance Externe Extension à la distance de deux ens Morphologie mathématique p.2/65

3 Plan (2/2) Érosion et dilatation de fonctions Nature de l élément structurant, Exemple d élément structurant, Erosion d une fonction Érosion avec élément structurant volumique Exemples d érosion Dilatation d une fonction Dilatation avec élément structurant volumique Exemple de dilatation Résidus morphologiques Gradients morphologiques Gradients morphologiques ensemblistes Gradient morphologique interne fonctionnel Gradient morphologique externe fonctionnel Gradient morphologique symétrique fonctionnel Laplacien Morphologique Laplacien Morphologique : Exemple Morphologie mathématique p.3/65

4 L idée de la morphologie mathématique Rappel : L idée de base de la morphologie mathématique est de comparer l ensemble à analyser avec un ensemble de géométrie connue appelé élément structurant. Morphologie mathématique p.4/65

5 Élément structurant : Définition Un élément structurant est un ensemble qui possède les caractéristiques suivantes : Il possède une forme (géométrie connue), Cette forme à une taille, Cet élément est repéré par son origine. L origine appartient généralement à l élément structurant mais ce n est pas une obligation. Morphologie mathématique p.5/65

6 Élément structurant : Exemples Carré Cercle Segment Paire de points Morphologie mathématique p.6/65

7 Élément structurant transposé Définition : Le transposé d un élément structurant (noté ou structurant symétrique de par rapport à l origine. ) est l élement Morphologie mathématique p.7/65

8 Érosions et dilatations ensemblistes Élément Structurant p. 5 Définition, Exemple, Transposé Érosions et dilatations ensemblistes Transformation en tout ou rien L érosion L érosion exemples Transformation bi colorée Érosion et soustraction de Minkowski Dilatation Dilatation : Exemples Dilatation et addition de Minkowski Propriétés de l érosion et la dilatation ensemblistes. Dualité, Extensivité Croissance, Composition Union, Intersection Composition Continuité supérieure de l érosion Calculs de Distances Distance d un point à un ensemble, Distance et courone, Distance par érosion : Algorithme Exemples Distance Externe Extension à la distance de deux ens Morphologie mathématique p.8/65

9 Transformations en tout ou rien Une transformation en tout ou rien de par dans,est définie en déplaçant sur l ensemble des points. Pour chaque position, on pose une question relative à l union, l intersection ou l inclusion de B avec X. Chaque réponse positive fournit un nouvel ensemble qui donne l image transformée. Les transformations en tout ou rien les plus simples sont : L érosion qui est une transformation, en tout ou rien, relative à l inclusion. La dilatation qui est relative à un test d intersection. Il existe des transformations en tout ou rien plus complexes utilisant des éléments structurants bi-colorés. x1 x2 x3 r Morphologie mathématique p.9/65

10 L érosion Définition : L élément structurant B, repéré par son centre, est déplacé pour occuper successivement toutes les positions de l espace E. Pour chaque position, on pose la question : B est-il complètement inclus dans X? Les réponses positives forment l ensemble érodé. reponse negative reponse positive Morphologie mathématique p.10/65

11 Erosion : Exemple (1) (rayon 3) ( + ) et ( ) Propriétés qualitative La taille des objets décroît Un objet avec des concavités ou des trous peut être divisés en plusieurs Les petits objets et les détails disparaissent Morphologie mathématique p.11/65

12 Erosion : Exemple (2) (rayon 5) ( + ) et ( ) Morphologie mathématique p.12/65

13 Érosion avec des éléments de taille croissante Morphologie mathématique p.13/65

14 Érosion et élements structurants Quid de? B Erosion avec différents éléments Morphologie mathématique p.14/65

15 Transformation bi colorée (Hit-and-Miss ) L élément structurant est décomposé en deux ensembles correspondant à deux labels :. On dira que appartient à la Hit and Miss transformé de par ssi : et Une transformation bi-coloré peut s exprimer comme l intersection de deux érosions sur et. ' &% $ # # "! Morphologie mathématique p.15/65

16 ( ( ( ( ( ) 3 /2 6+ Morphologie mathématique p.16/65 Illustration 3 /2 * /2 /0,1 *,+.-

17 ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( Exemple d applications Détecteurs de coins ( ( bas gauche bas droite haut droite haut gauche Morphologie mathématique p.17/65

18 : : 9 < Érosion et soustraction de Minkowski L érosion ensembliste est identique à la soustraction de Minkowski par l élément transposé. 9 ; 9 87 Démonstration : Soit 9 ;...(a faire) Morphologie mathématique p.18/65

19 Dilatation morphologique pour les ensembles La dilatation est une transformation en tout ou rien basée sur l intersection. Définition : L élément structurant B, repéré par son centre, est déplacé pour occuper successivement toutes les positions de l espace E. Pour chaque position, on pose la question : B intersecte t il X? Les réponses positives forment l ensemble dilaté.? > % reponse negative reponse positive Morphologie mathématique p.19/65

20 Dilatation : Exemple (1) (rayon 3) ( + ) et ( ) Propriétés qualitative La taille des objets augmente Les trous et les concavités peuvent être bouchés Les objets voisins peuvent se connecter Des petits détails disparaissent Morphologie mathématique p.20/65

21 Dilatation : Exemple (2) (rayon 5) ( + ) et ( ) Morphologie mathématique p.21/65

22 Dilatation avec des éléments de taille croissante Morphologie mathématique p.22/65

23 : : 9 < Dilatation et addition de Minkowski L addition ensembliste est identique à l addition de Minkowski par l élément transposé. 9 ; 9 8@ Démonstration : Soit 9 ;...(a faire) Morphologie mathématique p.23/65

24 Propriétés de l érosion et la dilatation ensemblis Élément Structurant p. 5 Définition, Exemple, Transposé Érosions et dilatations ensemblistes Transformation en tout ou rien L érosion L érosion exemples Transformation bi colorée Érosion et soustraction de Minkowski Dilatation Dilatation : Exemples Dilatation et addition de Minkowski Propriétés de l érosion et la dilatation Dualité, Extensivité Croissance, Composition Union, Intersection Composition Continuité supérieure de l érosion Calculs de Distances Distance d un point à un ensemble, Distance et courone, Distance par érosion : Algorithme Exemples Distance Externe Extension à la distance de deux ens Morphologie mathématique p.24/65

25 Dualité Les 2 transformations ne sont pas indépendantes. On obtient le même résultat en érodant X ou en dilatant le complémentaire de X et en prenant le complémentaire du résultat. On dit que L érosion et la dilatation sont 2 opérations duales vis-à-vis de la complémentation : A A Morphologie mathématique p.25/65

26 Extensivité La dilatation est une transformation extensive alors que l érosion est anti extensive. B BDC BDC + Morphologie mathématique p.26/65

27 E F E F G F Croissance La dilatation et l érosion sont des opérateurs croissants E E L érosion est décroissante par rapport à l élément structurant. A AH Morphologie mathématique p.27/65

28 P M ON I V V Composition La dilatation avec un élément structurant de taille n est égale à n dilatations avec un élément structurant de taille 1 (idem pour l érosion) ( (LK K K JI T.U QSR homothétie de d un facteur. W Utile pour l implémentation hardware lorsque la taille du voisinage est fixe (processeur voisinage 3*3) : un plus grand voisinage peut être obtenu par cascade des opérations Morphologie mathématique p.28/65

29 ' # ' # ' # ' # ' # ' # ] ' # ' # ] Union, Intersection La dilatation commute avec l union : E E L érosion commute avec l intersection : E A &% A E % De plus : X A % X A Mais : % E ) ) Y Z Z\[ Morphologie mathématique p.29/65

30 ' # # ' # # W ' # Composition deux éléments symétriques par rapport à l origine. On a : _^ et Soit `^ `^ Démonstration (pour la dilatation) : `^ 8@ `^ `^ 8@ _^ 8@ : point clé 8@ 8@ Morphologie mathématique p.30/65

31 # ^ a a V V Composition : Illustration : : : Passage d une complexité en `^ `^ à une complexité en b. Morphologie mathématique p.31/65

32 c h I Continuité L érosion est semi continue supérieurement. I ikj h I degf I degf ikj Démonstration : (a faire) La dilatation est un opérateur continu. Morphologie mathématique p.32/65

33 h I h I Continuité supérieure de l érosion : Exemple Soit : I I IN une suite de 2 carrés séparés par une distance. I I degf l I ikj I A degf i j Morphologie mathématique p.33/65

34 s t t s Récapitulatif La dilatation fait disparaître les petits trous et les petits détroits et fait grossir les objets. L érosion fait disparaître les petits objets, les petits ithmes et amincit les objets restants. La dilatation et l érosion ne sont pas des transformations topologiques. Si X est connexe est connexe. La dilatation et l érosion sont des opérations non réversibles. La dilatation et l érosion sont des opérations duales mais pas inverses l une de l autre. V nr r p oqp mn complémentation Morphologie mathématique p.34/65

35 Calculs de Distances Élément Structurant p. 5 Définition, Exemple, Transposé Érosions et dilatations ensemblistes Transformation en tout ou rien L érosion L érosion exemples Transformation bi colorée Érosion et soustraction de Minkowski Dilatation Dilatation : Exemples Dilatation et addition de Minkowski Propriétés de l érosion et la dilatation ensemblistes Dualité, Extensivité Croissance, Composition Union, Intersection Composition Continuité supérieure de l érosion Calculs de Distances Distance d un point à un ensemble, Distance et courone, Distance par érosion : Algorithme Exemples Distance Externe Extension à la distance de deux ens Morphologie mathématique p.35/65

36 w : x ~ Distance d un point d un ensemble à sa frontière m Soit m e v m w egv m u z z {2 : x 3 /2 0y1 ƒ }~ Morphologie mathématique p.36/65

37 Distance et couronne : dist0 : dist1 : dist2 : dist3 : dist4... Morphologie mathématique p.37/65

38 Distance par érosion : Algorithme bin1image de départ Création d une image binaire vide grey0 Recopie de bin1 dans grey0 ( si Tant que bin1 non vide faire bin1 grey0 grey0 + bin1 Fin tant que grey0 fonction distance + 1 V n, 0 sinon) Morphologie mathématique p.38/65

39 Fonction de distances : Exemples formes distance érosion distance euclidienne La distance par érosion n est qu une approximation de la distance euclidienne. Morphologie mathématique p.39/65

40 Distance externe Distance à un ensemble obtenue par dilatation. Morphologie mathématique p.40/65

41 m ˆ 2: 3 x! n n n n n n Š n n n % n n Extension à la distance de deux ensembles z m w egv E / image binaire contenant X Extraction de la composante connexe qui est placée dans l image (on place dans toutes les autres composantes connexes dans ) Création d une image binaire b3 vide d 0 (initialisation de la valeur de la distance entre et ( ) Tant que est vide faire V V^ V V V^ d d + 1 n Š V V V n V^ T T T V V^ V V Fin de boucle Morphologie mathématique p.41/65

42 Érosion et dilatation de fonctions Élément Structurant Érosions et dilatations ensemblistes Propriétés de l érosion et la dilatation ensemblistes. Calculs de Distances Érosion et dilatation de fonctions Nature de l élément structurant, Exemple d élément structurant, Erosion d une fonction Érosion avec élément structurant volumique Exemples d érosion Dilatation d une fonction Dilatation avec élément structurant volumique Exemple de dilatation Résidus morphologiques Gradients morphologiques Gradients morphologiques ensemblistes Gradient morphologique interne fonctionnel Gradient morphologique externe fonctionnel Gradient morphologique symétrique fonctionnel Laplacien Morphologique Laplacien Morphologique : Exemple Morphologie mathématique p.42/65

43 ^ s r Ž r r Ž r Érosion et dilatation de fonctions Pb : L érosion et la dilatation n ont été défini que dans le cadre ensembliste. Que faire avec IR IR? Idée :Considérer la fonction comme un ensemble Graphe de fonction : yœ Ombre d une fonction : G(f(x)) U(f(x)) Morphologie mathématique p.43/65

44 Nature de l élément structurant est composé de couples r avec r. L élément structurant est composé de couples avec a support borné. r Ž G et r satisfait aux conditions suivantes : G F > g > G F On distingue les éléments structurant plats définis par : G F > G F Morphologie mathématique p.44/65

45 Exemples d éléments structurants G(f(x)) U(f(x)) Les éléments structurants non plats sont appelés des éléments structurants volumiques. Morphologie mathématique p.45/65

46 3! r 3! G Érosion d une fonction L érosion d une fonction est définie comme l érosion ensembliste de son ombre. / Ž r Question : A fixé qu elle est la valeur maximale de telle que? Réponse : Dans le cas d un élément structurant plat : La plus petite des valeur de sur le support : / w H: egv U(f(x)) Morphologie mathématique p.46/65

47 Érosion avec élément structurant volumique Il faut que les hauteurs soient dans A egv w : H e v w B Morphologie mathématique p.47/65

48 Exemple d érosion (1) Original Érodé (disque de taille 3) L image érodée est plus foncée, les pics se rétrécissent ou bien disparaissent Morphologie mathématique p.48/65

49 Exemple d érosion (2) Erosion avec un élément structurant plat de support circulaire. Original ^ š Morphologie mathématique p.49/65

50 % 3! r % 3! G G Dilatation d une fonction Se définie de manière similaire à partir de l ombre de la fonction :? > / Ž r Question : A fixé qu elle est la valeur maximale de telle que? Réponse : Dans le cas d un élément structurant plat : La plus grande des valeur de sur le support : /? > œ ž Morphologie mathématique p.50/65

51 Dilatation avec élément structurant volumique De façon symétrique à l érosion : C œ ž H: Ÿ ª Ÿ Lª Ÿ B «Ÿ Morphologie mathématique p.51/65

52 Exemple de dilatation (1) Original dilaté (disque de taille 3) L image dilatée est plus claire. Les vallées étroites disparaissent Morphologie mathématique p.52/65

53 Exemple de dilatation (2) Dilatation avec un élément structurant plat, circulaire. Original ^ Morphologie mathématique p.53/65

54 Erosion/Dilatation couleur dans l espace HLS (1 HLS correspond à un repère cyclindrique L : Luminance (intensité) S : Saturation (dominance de gris) H : hue (couleur) Morphologie mathématique p.54/65

55 ± I ± ± ³ f T I I!! n ± ³ f ± n ± ± Erosion/Dilatation couleur dans l espace HLS (2 groupe ssi : forme un ± ² ² ² groupe un ensemble d angles ¹ e v f T µ! : T µ! : T Dilatation en un point x par B. groupe forme un T ± si sinon T ¼» : º ± Erosion en un point x par B. groupe forme un T ± si sinon T» : º e v f ± Morphologie mathématique p.55/65

56 Erosion/Dilatation HLS : Résultat image composante L composante S composante H érosion H dilatation h érosion S dilatation S Morphologie mathématique p.56/65

57 ½ ½ ¾ Résidus morphologiques En morphologie ensembliste un résidus correspond à la : différence symétrique entre l ensemble de départ et son transformé. différence symétrique entre deux transformations d un et d un ensemble. En morphologie fonctionnelle : différence arithmétique entre et, ½ ½ ^ différence arithmétique entre et. Lorsque les transformations sont des érosions ou des dilatations on parle de gradients morphologiques. ½ T ½ ½ ^ A BDC B A Morphologie mathématique p.57/65

58 Gradients Morphologiques Élément Structurant Érosions et dilatations ensemblistes Propriétés de l érosion et la dilatation ensemblistes. Calculs de Distances Érosion et dilatation de fonctions Nature de l élément structurant, Exemple d élément structurant, Erosion d une fonction Érosion avec élément structurant volumique Exemples d érosion Dilatation d une fonction Dilatation avec élément structurant volumique Exemple de dilatation Résidus morphologiques Gradients morphologiques Gradients morphologiques ensemblistes Gradient morphologique interne fonctionnel Gradient morphologique externe fonctionnel Gradient morphologique symétrique fonctionnel Laplacien Morphologique Laplacien Morphologique : Exemple Morphologie mathématique p.58/65

59 Gradients morphologiques Trois type de gradients : Le gradient morphologique symmétrique (de Beucher) : ¾ A et A Gradient morphologique interne ou gradient par érosion : ; ¾ et ; Gradient morphologique externe ou gradient par dilatation : i ¾ et i Morphologie mathématique p.59/65

60 i Gradients morphologiques ensemblistes Ensembles : B BDC BDC Gradients : + ; + Morphologie mathématique p.60/65

61 Gradient morphologique interne fonctionnel : : : ; ; Morphologie mathématique p.61/65

62 Gradient morphologique externe fonctionnel : : i : ; : B ; Morphologie mathématique p.62/65

63 Gradient morphologique symétrique fonctionnel : : : : ; : B i : B ; Morphologie mathématique p.63/65

64 Laplacien Morphologique Le Laplacien morphologique est le résifu des gradients morphologiques externes et internes. À i ; : : : À : ; : B i : B Morphologie mathématique p.64/65

65 i Laplacien Morphologique : Exemple À ; Morphologie mathématique p.65/65