Morfoloogia (matemaatika)

Matemaatiline morfoloogia käsitleb teooriat ja erinevaid viise geomeetriliste struktuuride analüüsimiseks. Enamasti kasutatakse seda digitaalses pilditöötluses. See kasutab erinevaid teooriaid matemaatikast, mis käsitlevad kujundeid, näiteks võreteooriat, geomeetrilist tõenäosust ja diskreetset geomeetriat. Põhilised matemaatilise morfoloogia operatsioonid on erosioon ja dilatsioon. Lihtsustatult on erosioon pildil objekti väiksemaks tegemine ja dilatsioon objekti suurendamine. Nende operatsioonide puhul on tähtis see, et need ei muuda enamjaolt objekti kuju. Seega on morfoloogias objektide kuju ja suurus olulisel kohal. Erosioonil ja dilatsioonil põhinevad teised keerulisemad morfoloogia operatsioonid

Ajalugu 
Matemaatilise morfoloogia pioneerid on Georges Matheron ja Jean Serra, kes aastast 1964 hakkasid morfoloogia kontsepti pilditöötluses arendama ja selle tulemusena avaldasid mitmeid raamatuid antud teemal (Matheron, 1975; Serra, 1982; Serra, 1988). Lisaks panid nad aastal 1967 Prantsusmaal Pariisi Kaevanduskoolis kokku tiimi matemaatilise morfoloogia edasi uurimiseks ja arendamiseks. See tegutseb tänapäevani.

Matemaatilise morfoloogia teooria käsitles alguses vaid binaarpilte (iga piksli väärtus on kas 0 või 1), kuid aja jooksul on seda hakatud kasutama ka halltoonides piltidel.

Struktureeriv element 

Matemaatilises morfoloogias liigutatakse struktureerivat elementi vasakult paremale ja ülevalt alla. Iga piksli kohta rakendatakse pildil olevale struktuurile operatsioone olenevalt kasutuse tüübist. Struktureeriva elemendi suurus, kuju ja keskpunkt määrab ala, mille ümbrust ühe piksli operatsioon arvestab. Struktureeriv element koosneb binaarsel kujul ühtedest.

Morfoloogia hulkadel 
Enamikke morfoloogilisi operatsioone saab kirjeldada kombineerides hulgateoreetilisi operatsioone kahe lihtsama operatsiooni kaudu, milleks on erosioon ja dilatsioon kasutades Minkowski summat. Dilatsioon ja erosioon on defineeritud järgmiselt iga  kohta:

Rangelt võttes on  ja  sama tüüpi binaarsed operandid, kuid tavaliselt kirjeldab  pilti ja  struktureerivat elementi, ehk  (dilatsioon) ja  (erosioon) kirjeldavad muudetud pilti.

Morfoloogilised operatsioonid

Erosioon 

Erosiooni () kasutades kaotatakse ära esiplaanil oleva objekti äärtes olevad pikslid.

Esiteks defineeritakse struktureeriv element, seejärel liigutatakse seda pildi peal vasakult paremale ja ülevalt alla.

Binaarse pildi töötlemisel jäetakse vaatluse all olev piksel alles ainult siis, kui iga piksel struktureeriva elemendi all on 1, vastasel juhul muudetakse piksel nulliks.

Halltoonides pildi erosioonil muudetakse vaatluse all olev piksel struktureeriva elemendi sees oleva miinimumväärtusega piksliks.

Erosioon on kasulik väikeste objektide eemaldamiseks või kahe ühendatud objekti eraldi lahutamiseks pildil.

Dilatsioon 
Dilatsioon () on erosiooni vastandoperatsioon. 

Binaarse pildi töötlemisel jäetakse vaatluse all olev piksel alles siis, kui vähemalt ühe piksli väärtus struktureeriva elemendi sees on üks.

Halltoonides pildi puhul muudetakse vaatluse all olev piksel maksimaalseks struktureeriva elemendi all olevatest pikslitest.

Dilatsiooni saab kasutada näiteks kahe objekti ühendamiseks pildil.

Avamine 
Avamine, on erosioon, millele järgneb dilatsioon. Pildi f avamine struktureeriva elemendi s kaudu väljendatakse matemaatilisel kujul järgnevalt: 

 

Avamine eemaldab pildilt väiksed objektid ja seejärel suurendab allesjäänud objekte, mida enne erosiooniga väiksemaks tehti.

Sulgemine 
Sulgemine on dilatsioon, millele järgneb erosioon. Pildi f sulgemine struktureeriva elemendi s kaudu väljendadakse matemaatilisel kujul järgnevalt:

Sulgemine "sulgeb" ehk ühendab kitsaste aladega ühendatud objektid, jättes suuremad objektid enamjaolt muutmata.

Mõned morfoloogilised operatsioonid põhioperatsioonide kaudu

Servatuvastus 
Morfoloogia pakub kolme erinevat viisi pildil servatuvastuse sooritamiseks:

 Välimine äärte tuvastamine:

 Sisemine äärte tuvastamine:

 Morfoloogiline gradient:

White hat 
White hat morfoloogiline operatsioon on erinevus algse pildi ja algse pildi avamise  vahel:

Seda operatsiooni kasutatakse eredate regioonide leidmiseks tumeda taustaga pildilt.

Black hat 
Black hat morfoloogiline operatsioon on erinevus algse pildi sulgemise  ja algse pildi vahel:

Black hat on White hat operatsiooni vastand.

Kasutusalasid 

 Pildiväärindus
 Pildi segmentimine
 Pilditaaste
 Servatuvastus
 Tekstuurtuletus
 Pildianalüüs
 Pilditihendus
 Karakteristikute valimine
 Mürataane

Viited