Применение текстурных характеристик для распознавания изображений биологической природы

Абрамова. Т.А., Федотов Н.Г. , Муравьёв И.В. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕКСТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ

Важным индикатором экологического состояния местности являются характеристики изображений некоторых биологических объектов. К их числу относятся яйца серой цапли, чья окраска в значительной мере зависит от общего состояния биоценоза, влияющего на внутривидовую изменчивость.

При анализе изображений этой природы возникают трудности, связанные с однородностью текстуры изображений, сложной для распознавания.

Для сравнения приведем изображения яиц цапли из разных кладок (условно обозначим их номерами I и II) :

II

I

Перед нами встает задача определения их рас.

Как видно из рисунков, довольно сложно по этим изображениям визуально разделить их на классы. В приводимой ниже методике предлагается исследовать различные цветовые характеристики цифровых изображений птичьих яиц цапли для лучшего понимания внутривидовой изменчивости [2] , связанной с экологическим состоянием местности.

Имеются цветные изображения яиц, на которых предполагается проводить исследование.

Ниже приводятся гистограммы используемых изображений (как и прежде, они отмечены номерами I и

II) •

При рассмотрении яиц серой цапли из различных кладок удалось выявить четкую закономерность. Гистограммные характеристики всех изображений показали, что яйца относятся к двум различным расам. Их гистограммы отличаются даже при простом рассмотрении - гладкость гистограмм (плавность перехода от одного цветового тона к другому) оказалась различной.

Для того, чтобы получить определенные количественные характеристики областей, определяются их внутренние текстурные характеристики [1] . Мы предлагаем рассмотреть изображения яиц с точки зрения их статистических текстурных характеристик. Для этого часто используют статистические свойства гистограмм яркости:

Ь—1

Мера средней яркости (среднее значение) т = 2 2-р( I) •

I=0

Мера средней контрастности (стандартное отклонение) а = ^М(1) = ^а2 •

Мера относительной гладкости яркости области (гладкость). Я равно 0 для областей с постоянной яркостью и близко к 1 для областей с большими отклонениями уровней яркости К = 1 —1/(1 + а2) •

Характеристика асимметричности гистограммы (третий момент). Равен 0 для симметричных гистограмм. Положителен для гистограмм, скошенных вправо (по отношению к среднему значению) и отрица-

Ь—1

телен для скошенных влево М =2(1 — т) р(z/) •

/=0

Поясним некоторые величины. Один класс таких мер строится по статистическим моментам. Формула

Ь—1

для нахождения л-го момента относительно статистического среднего имеет вид М = 2(I — т)”р^-) ,

I=0

где I; - это случайная величина, обозначающая яркость, р( 1) - гистограмма распределения уровней

яркости в данной области, Ь обозначает число различных значений яркости, а т задается выражени-Ь—1

ем т = 21Р( I) и является средней яркостью области. Второй момент М2) является дисперсией а •

I=0

Проведем исследование данных текстурных статистических характеристик для яиц серой цапли из двух разных кладок и попробуем подтвердить нашу догадку о различии в гладкости гистограмм для различных рас. Обобщим все данные в таблице 1•

Таблица 1. Значения текстурных мер

Кладка № яйца Средняя яркость Средняя контрастность Гладкость Третий момент

I 1 177,9733 5,3473 0,0004 -0,0015

2 161,8228 3,1730 0,0002 -0,0001

3 164,8996 7,0506 0,0008 -0,0048

4 167,7563 7,2684 0,0008 -0,0003

II 1 199,8021 8,3450 0,0011 -0,0094

2 201,5652 7,5396 0,0009 -0,0064

3 195,0266 8,7770 0,0012 -0,0082

4 175, 7926 8,3323 0,0011 -0,0044

По рассчитанным значениям текстурных мер для лучшего представления можно построить графики и точечные гистограммы.

Средняя яркость

К 2,5 • а. 2 2 •  Раса I

о X 0

5 0 10 0 1 Значения 0 20 0 25

Гладкость

4.5 и 4 -

3.5 -3 -

2.5 -2 -

1.5 -1 -

0,5 -0 -

0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012 0,0014 Значение

к Раса I | Раса II

Разберем подробнее каждую гистограмму. Чтобы точно определить принадлежность яйца к определенной расе, необходимо провести линию, перпендикулярную оси значений так, чтобы все яйца из первой кладки оказались по одну сторону прямой, а все яйца из второй - по другую.

Что касается средней яркости, то здесь трудно установить четкое разделение между значениями. Средняя контрастность ведет себя лучше, но на уровень значений 7,0-8,0 мы наблюдаем попадание яиц из разных кладок. По гистограммной гладкости можно судить о четком разделении изображений. Третий момент показывает, что сдвиг для яркостных гистограмм изображений яиц серой цапли всегда отрицателен, хотя в среднем сдвиг для второй расы больше, чем для первой.

Таким образом, мы ещё раз подтвердили, что основным параметром для определения рас серой цапли является гладкость яркостных гистограмм их изображений.

Литература

1. Гонсалес Р., Вудс Р., 2005. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера.

2. Муравьев И.В., Иванов С.В., 2006. Оологоморфологические особенности кладок серой цапли

(А^еа ^пегеа Ъ.) в Пензенской области. Ставрополь. // Орнитологические исследования в Северной Евразии. Тез. XII международной орнитологической конференции Северной Евразии (Ставрополь, 31 января - 5 февраля 2 0 0 6 г.), Ставрополь, С. 382 - 383.