Signaux bidimensionnels: application au traitements d

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Signaux bidimensionnels application au
traitements dimages
A.Tabbone Université Nancy 2 Equipe
Qgar-Loria tabbone_at_loria.fr
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Plan

• En savoir plus sur les images
• Filtrage
• Segmentation

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De nombreuses applications

• Vision par ordinateur
• Télédétection, Cartographie
• Imagerie médicale
• Imagerie industrielle
• Images de synthèse
• Multimédia, Internet
• .

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Principe de formation de limage
Capteur CCD charge-coupled-device inventé en 1970
Une collection de photosites
Registre à décalage
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E() énergie incidente R() réponse du site Q()
efficacité en quantum du capteur
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De la lumière à la couleur

• Les concepts sont liés aux travaux de Newton
  (XVII siècle) sur un prisme
• la lumière du soleil paraît blanche mais en
  réalité constituée
• d'un ensemble de longueur donde dont certaines
  correspondent aux couleurs.

• Un matériau na pas de couleur intrinsèque
• Réflexion de rayon lumineux qui sont captés par
  lœil

Stimulus de couleur
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Perception humaine de la couleur
Réponse que lhomme donne au
stimulus de couleur par lintermédiaire de notre
œil
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Rayonnement électromagnétiques deux champs
perpendiculaires électrique et magnétique
Lumière onde électromagnétique

Les deux champs se déplacent à la vitesse de la
lumière (c).
Quelle est la vitesse de la lumière?
300000 km/s
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Fréquence et longueur donde
lc/u cvitesse de la lumière l longueur
donde u fréquence

• Une onde lumineuse monochromatique est
  caractérisée par sa longueur d'onde l,
  c'est-à-dire la distance séparant deux maxima
  successifs, et par sa fréquence u, c'est-à-dire
  le nombre de cycles effectués par seconde. Le
  temps mis pour parcourir une longueur d'onde est
  la période T
• Unités de la longueur donde manomètres ((nm,
  10-9 mètre),
• micromètres (mm, 10-6 mètre) ou
• centimètres (cm, 10-2 mètre).

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Spectre des couleurs
violet 0.4 - 0.446 mm bleu 0.446 -
0.500 mm vert 0.500 - 0.578 mm jaune
0.578 - 0.592 mm orange 0.592 - 0.620 mm
rouge 0.620 - 0.7 mm
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Interaction lumière matériau

• Un corps blanc
• Un corps noir

nabsorbe aucun rayon
absorbe tout les rayons
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Perception humaine de la couleur.

• pas de couleur sans lumière
• un matériau n'a pas de couleur intrinsèque mais
  transforme
• les propriétés de la lumière

la nuit tous les chats sont gris
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Système visuel humain
Le stimulus couleur arrive sur une zone
photosensible localisée au fond de lœil la
rétine
14
La rétine

• Cônes (4-7 millions)
• la vision diurne (photopique)

• Bâtonnets (110-125 millions)
• la vision nocturne (scotopique)

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• Trois type de cônes
• cônes S sensible à des longueurs donde courte
• cônes M sensible à des longueurs donde moyenne
• cônes L sensible à des longueurs donde longue

Les signaux sont transmis dans le cerveau où
seffectue linterprétation des couleurs
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Différence de perception

• Lœil est différent entre chaque être humain

• Daltonisme
• Dichromies

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Attribut de la perception humaine de la couleur
Luminosité ou luminance sensation visuelle selon
laquelle une surface paraît émettre plus ou
moins de lumière Teinte ou tonalité
chromatique dénominations des couleurs i.e
rouge, vert, bleu, Saturation niveau de
coloration i.e vive, pale, terne
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Synthèse additive et soustractive
Synthèse additiveToutes les couleurs peuvent
être synthétisées par le mélange en proportions
variées de deux ou trois des lumières primaires.
La superposition des trois primaires redonne la
lumière blanche.

• Synthèse soustractive est l'opération consistant
  à combiner l'effet
• d'absorption de plusieurs couleurs afin d'en
  obtenir une nouvelle.
• Trois filtres de couleurs complémentaires, vus
  devant une source de
• lumière blanche, soustraient chacun un certaine
  quantité de lumière
• primaire. Lorsqu'on superpose deux filtres, il ne
  reste qu'une couleur
• primaire. Les trois filtres superposés donnent
  le noir.
• Modèle CMY utilisé en imprimerie

La superposition sur une surface blanche de deux
filtres colorés, l'un jaune et l'autre bleu,
permet d'obtenir
Vert
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Colorimétrie mesure de la couleur
Commission Internationale Eclairage établie des
normes de quantification
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Fonction colorimétrique de la CIE
Composante trichromatique du stimulus Cl
R, G, et B, trois couleurs primaires
Rouge, Vert et Bleu.
Une couleur quon ne synthétise pas
Question Quest ce qu'une couleur primaire?
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Fonctions colorimétriques
22
Mesure des composantes trichromatiques
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Normalisation des répartitions spectrale S(l)

• Illuminant D lumière moyenne du jour
• Illuminant E lumière dénergie constante
• Illuminant A source lumineuse produite par
• une lampe à filament de tungstène de 500 W

Répartition spectrale relative de quelques
illuminants normalisés par la CIE
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Système RGB cube des couleurs

• Deux stimuli de couleur peuvent posséder le même
  caractère chromatique (chrominance) mais avoir
  des composantes trichromatiques différentes à
  cause de leur luminance
• Avec des composantes chromatiques
• sont normalisées
• rc Rc/ (RcGcBc)
• gcGc/ (RcGcBc)
• bc Bc/ (RcGcBc)
• rcgcbc1, équation du plan
• intersection avec le cube
• triangle de Maxwell

Dans ce cas 2 composantes suffisent pour décrire
la chrominance dune couleur
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Diagramme de chromacité

• Toutes les couleurs du visible ne sont pas
  représentées dans un système additif

Au centre du triangle de Maxwell
Où se trouve la couleur blanche?
26
Système X,Y,Z une amélioration du RBG
Changement de primaire à laide dune matrice de
passage à partir du système précédent.
27
Diagramme de chromacité x,y
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Remarques

• Reproduction de toutes les couleurs du visible
  par
• synthèse additive
• Similitude avec la luminance de lœil
• Un stimulus de couleur peut être représenté par
• sa luminance et sa chrominance
• Possibilités de comparaison des couleurs

• Énormément de systèmes basés sur la
  luminance/chrominance

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Images satellitaires

• "La télédétection est la technique qui, par
  l'acquisition d'images, permet d'obtenir de
  l'information sur la surface de la Terre sans
  contact direct avec celle-ci. La télédétection
  englobe tout le processus qui consiste à capter
  et à enregistrer l'énergie d'un rayonnement
  électromagnétique émis ou réfléchi, à traiter et
  à analyser l'information, pour ensuite mettre en
  application cette information".

30
Principe
31
(No Transcript)
32
(No Transcript)
33
Le spectre électromagnétiquesétend

• Des longueurs d'onde courtes (dont font partie
  les rayons gamma et les rayons X).
• Aux grandes longueurs d'onde (micro-ondes et
  ondes radio).

La télédétection utilise plusieurs régions du
spectre électromagnétique.
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Ultraviolet
Certains matériaux de la surface terrestre,
surtout des roches et minéraux, entrent en
fluorescence ou émettent de la lumière visible
quand ils sont illuminés par un rayonnement
ultraviolet.
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Spectre visible
violet 0.4 - 0.446 mm bleu 0.446 -
0.500 mm vert 0.500 - 0.578 mm jaune
0.578 - 0.592 mm orange 0.592 - 0.620 mm
rouge 0.620 - 0.7 mm

• La seule portion du spectre que nous pouvons
  associer à la notion de couleurs.

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Infrarouge
Un intervalle environ 100 fois plus large que le
spectre visible. Deux catégories IR réfléchi
utilisé en télédétection de la même façon que le
rayonnement visible. IR émis ou thermique
énergie essentiellement émise sous forme de
chaleur par la surface de la Terre
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Hyperfréquences
Suscite beaucoup dintérêt

• Les longueurs d'onde les plus courtes possèdent
  des propriétés semblables à celles de
  l'infrarouge thermique
• Les longueurs d'onde les plus grandes ressemblent
  aux ondes radio.

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Interactions avec l'atmosphère

• Le rayonnement utile pour la télédetection
  traverse une certaine épaisseur
• datmosphère avant datteindre la cible
• diffusion et absorption par des grosses
  particules de gaz

Diffusion
Absorption
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Longueur donde utiles
Les régions du spectre qui ne sont pas
influencées de façon importante par l'absorption
atmosphérique une grande partie des
hyperfréquences, une partie de lénergie solaire
et une partie de lénergie thermique de la terre
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Interactions rayonnement-cible
Le rayonnement qui atteint sa cible est soit

• Absorbé

• Transmis

• Réfléchi

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La réflexion spéculaire et la réflexion diffuse
Spéculairetoute l'énergie est redirigée dans une
même direction (ie un miroir).
Diffuse énergie uniformément dans toutes les
directions.
La plupart des objets de la surface terrestre se
situent entre ces deux extrêmes.

• Radiométrie

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Exemples
Les feuilles la chlorophylle, une molécule que
nous retrouvons à l'intérieur des feuilles,
absorbe fortement le rayonnement aux longueurs
d'onde du rouge et du bleu, mais réfléchit le
vert. Les feuilles, qui contiennent un maximum
de chlorophylle en été, sont donc plus vertes
pendant cette saison. En automne, les feuilles
qui contiennent alors moins de chlorophylle,
absorbent moins de rouge, et paraissent donc
rouges ou jaunes (le jaune est une combinaison
des longueurs d'onde du vert et du rouge).
Feuilles vertes en été et rouges/jaunes en
automne
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Signature spectrale

• Distinguer les différents objets par leurs
  signatures
• Impossible avec une seule longueur donde.

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Détection passive et active

• Capteur produit sa propre énergieavantage de
  pouvoir prendre des mesures à n'importe quel
  moment de la journée ou de la saison.
• Utilisation de fréquences pas assez produites par
  le soleil hyperfréquences
• radar à ouverture de synthèse

L'énergie du Soleil est soit réfléchie (la
portion visible) ou absorbée et retransmise
(infrarouge thermique) par la cible.
45
Exemples dimages à partir de capteurs passifs
Une photo à niveaux de gris de la ville dOttawa
46
Autres exemples
Thermogramme capteur infrarouge thermique
Une photo couleur
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Capteur actifs RADAR
Les radars transmettent vers la cible un signal
radio dans les hyperfréquences et détectent la
partie rétrodiffusée du signal. L'intensité du
signal rétrodiffusé est mesurée pour discerner
les différentes cibles, et le délai entre la
transmission et la réception du signal sert à
déterminer la distance (ou la portée) de la
cible.
A impulsions hyperfréquences B Angle de visée
par lantenne C énergie refléche
Détection dans presque toutes les conditions
atmosphériques, et donc l'acquisition de données
en tout temps.
48
Applications des radars
Détermination du relief par stéréo
radargrammétrie
Des paires d'images radar stéréo sont obtenues de
la même région, mais avec des angles de
visée/incidence différents
49
Interférométrie
.

• Étude de la variation de la phase des ondes
  électromagnétiques

Deux antennes parallèles, séparées par une petite
distance, qui enregistrent le signal de retour de
chaque cellule de résolution.
50
Exemples
Interferogramme
Image 3D de la hauteur du terrain
51
Différents modes dobservation
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Résolution spatiale

• la dimension du plus petit élément qu'il est
  possible de détecter elle dépend du cône de
  visibilité (A) du capteur et de laltitude (C)

53
Exemples
Résolution grossière
Résolution fine
Exemple une résolution spatiale de 20m 1 pixel
20X20 m au sol
54

Résolution spectrale

• capteurs
• multispectraux

55
Résolution radiométrique

• capacité à reconnaître de petites différences
  dans l'énergie électromagnétique

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Résolution temporelle
Amasser périodiquement de l'information d'une
même région de la Terre. Les caractéristiques
spectrales de la région observée peuvent changer
avec le temps.
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Ondes acoustiques

• Onde mécanique qui se propage en oscillant dans
  la matière traverse

• Fréquences audibles par lhomme 20 à 20000
  cycles par seconde
• cycle supérieur
  ultrasons
• cycle inférieur
  infrasons

• Vitesse de propagation dépend des propriétés
  mécaniques du milieu
• Pour un gaz vSP/l, P la pression, S une
  constante et
• l masse volumique

Exemple vitesse dans lair 331m/s dans leau
1450m/s
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Application à la détection sous-marine

• Ondes acoustiques plus adaptées au milieu marin
  que les ondes
• électromagnétiques
• portée dans leau 400km pour le son et environ
  1m pour le radar
• Principe de la réflexion
• A la frontière de deux milieux de densités
  différentes
• Différentes en fonction des surfaces rencontrées
• Mesure des profondeurs
• Détection de forme particulières (sous-marins,
  poissons,)
• Donner un exemple de réflexion?

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Sondeur monofaisceau

Un écho sondeur
acoustique classique (monofaisceau) détermine la
profondeur émission une impulsion sonore au
travers dun faisceau dirigé selon la verticale
du navire, mesure du temps nécessaire au signal
à parcourir le trajet navire/fond/navire calcul
de la profondeur par P c dt / 2. c
célérité du son dans leau (m/dt durée du
parcours navire / fond / navire, P profondeur
(m)
60
Exemple
Image sonar sondeurs multifaiscaux
61
Exemple de sonar actif
62
LOFAR (Low Frequency Analysis and Recording)
fréquence
temps
63
Rayons X

• Découverts par Roentgen (Nobel) 8/11/1895
• Première image médicale 22/12/1895

Film radiologique
Comportement différents os vs chairs
 On est convaincu que cette découverte sera de
la plus grande utilité pour la médecine et la
chirurgie  Princesse Radziwill, 17/01/1896
64
Angiographie

• Visualisation des vaisseaux sanguins après
  injection dun produit de contraste
• Changeur de films ? Bandes video
• ? Numérisation

Analog to digital conversion
65
Salle dangiographie
66
Tomodensitomètre (scanner)

• Inventé par Hounsfield en 1972 (Nobel)
• Imagerie de coupe 3D par empilement

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Reconstruction3Dtomographie
S
positions de S et D (dans repère image)
connues lors de la rotation But retrouver
limage connaissant latténuation
mesurée en D

• Méthodes analytiques
• inverser la transformation f(image)
  atténuations
• Méthodes algébriques
• inverser le système déquations linéaires liant
  limage aux atténuations
• Méthodes statistiques
• trouver limage la plus probable étant donné les
  atténuations observées

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Tomographie par émissions de positrons (PET)

• Mise au point à Boston en 1950
• Isotope artificiel émet des positrons
• préparé dans un cyclotron
• injecté dans ou inhalé par le patient
• positrons émis interagissent rapidement avec des
  électrons
• 2 photons gamma émis dans 2 directions opposées
• capture de ces paires de photons reconstruction
  tomographique

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PET
70
Tomographie par émission dun photon simple
(SPECT)

• Mise au point en 1960 par Kuhl et Edwards
• Isotopes émettant un seul photon
• reconstruction plus difficile que pour PET
• résolution et sensibilité moindres
• imagerie meilleure marché

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SPECT
72
Imagerie par résonance magnétique (IRM)

• Basée sur les équations de Bloch établies en 1946
  (Nobel)
• Principe
• chaque noyau atomique possède un spin
• un champ magnétique constant aligne les spins
• un champ radiofréquence les perturbe
• retour en position déquilibre par précession
• génération dun signal caractéristique de létat
  physique et chimique des tissus

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IRM

• Imagerie de coupe 3D par empilement
• Imagerie non irradiante coût très élevé

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Ultrasons

• Basés sur le principe du sonar
• une sonde envoie des ultrasons dans le corps
• une onde ultrasonore est en partie réfléchie sur
  les gradients dimpédance acoustique
• la sonde écoute lécho généré
• le temps de rebond et la puissance renvoyée
  permettent de reconstruire limage
• Deux types dimages
• échographie (anatomique)
• Doppler (vitesse des tissus)

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UltrasonsImagerie temps réel
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Indexation de documents

• Objectifs
• Recherche documentaire faciliter laccès à un
  ou plusieurs documents
• Recherche d'informations (multimédia) faciliter
  laccès à une information contenue dans des
  documents
• Analyse et cartographie de l'information
  identifier et organiser linformation pertinente
  des documents

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• Problématique
• Comment représenter le contenu dun document
• Comment le repérer et le retrouver
• ? Index le plus important et le plus ancien
  outil de repérage de linformation

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• Médias modernes (numériques)
• Ecriture (document électronique, page Web)
• Image 2D/3D (photo, CAO, scanner)
• Vidéo (DVD, caméra numérique, satellite,TV)
• Audio (CD, MP3, radio sur le net)
• une croissance de la masse dinformation
• Autoroute ou labyrinthe de linformation?

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Mode dinterrogation

• Interrogation souple
• Par le langage naturel Pb lien document ?
  langue (TLN)
• Par le contenu des documents
• Extraire, répertorier et classer linformation
  des documents
• Indexation manuelle impossible
• Volume à traiter
• Fréquences des mises à jour
• Habitudes/besoins des utilisateurs
• Indexation automatique
• Descripteurs du contenu des documents
• Organisation des descripteurs rapidité des
  traitements

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Applications

• INA, agences de presse
• Recherche de lensemble des reportages dans
  lesquels apparaissent G.W. Bush
• Recherche de lensemble des articles des 10
  dernières années avec des images de cyclones
• Recherche de lensemble des articles présentant
  un histogramme sur le revenu/habitant en France
  depuis 1950
• Recherche de lensemble des séquences vidéos
  contenant un tir au but
• Design
• Rechercher tous les modèles de fauteuils
• Rechercher une texture spécifique pour créer des
  vêtements
• Rechercher les logos contenant un triangle
  inversé

81

• Authentification
• Détecter des contrefaçons de marques par le logo
  (douanes)
• Retrouver le propriétaire dune photo et tous
  ceux qui lexploitent telle quelle ou bien
  déformée
• Identifier une personne parmi un grand nombre
  par sa voix, son visage, ses empreintes
• Surveillance
• Rechercher les séquences vidéos acquises par une
  caméra de guichet sur lesquelles la queue fait
  plus dune vingtaine de personnes
• Commerce électronique
• Rechercher toutes les fiches avec photos de
  maisons avec vue donnant sur un lac
• Recherche de chansons/clips vidéo à partir dune
  mélodie (quelques notes)

82

• Musées
• Rechercher toutes les peintures du XIII ème
  représentant la vierge
• Rechercher toutes les photos de statuettes incas
  représentant un sacrifice
• Généalogie, archives
• Rechercher toutes les fiches détat civil entre
  1850 et 1910 de personnes françaises dont le nom
  dérive de RAGOT
• Gestion
• Rechercher toutes les feuilles de soins de
  Dupont, non signées
• Web
• Rechercher tous les documents littéraires
  représentant une variation du Loup et de
  lagneau

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Pour résumer

• Les données cibles multimédia
• Texte
• Audio, parole
• Images 2D, graphiques, modèles 3D
• Vidéo
• Les descripteurs à extraire
• Informations présentes dans le contenu
• Informations de bas niveau mot, couleur, forme,
  texture, son, etc.
• Informations sur les relations entre les objets
  du document (structure)
• Informations de haut niveau (sémantique)
  politique, foule, ensoleillé, chant doiseau,
  etc.
• Informations qui ne peuvent être déduites du
  contenu (méta données)
• Date denregistrement
• Auteurs.

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Plateforme dindexation
85
(No Transcript)
86
Recherche par descripteurs
87
Recherche par couleurs
88
Descripteurs de régions
89
Descripteurs texture
90
La forme
91
Combinaison mot clés couleurforme arrangement
spatial

• http//www.hermitagemuseum.org/fcgi-bin/db2www/qbi
  cSearch.mac/qbic?selLangEnglish

92
(No Transcript)
93
Reconnaissance de symboles dans des documents
graphiques
94
Segmentation du document
Binarisation
95
Squelettisation
96
Extraction des chaînes de points
97
Construction du graphe
98

• Noeud chaînes de points
• Arc quand deux chaînes de points sont connectés

99
Construction du dendrogramme