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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.55.2012.tde-23012013-094514
Documento
Autor
Nome completo
Ivar Vargas Belizario
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2012
Orientador
Banca examinadora
Batista Neto, João do Espírito Santo (Presidente)
Gonzaga, Adilson
Rodrigues, Francisco Aparecido
Título em português
Avaliação de algoritmos de agrupamento em grafos para segmentação de imagens
Palavras-chave em português
Agrupamento em grafos
Qualidade de agrupamento
Qualidade de segmentação
Segmentação de imagens
Resumo em português
A segmentação de imagens e, em visão computacional, uma tarefa de grande importância, para a qual existem várias abordagem. A complexidade de tais abordagens está relacionada à natureza da imagem e também ao grau de precisão da segmentação, que e um conceito bastante subjetivo, normalmente associado a semelhança que apresenta a segmentaçã produzida pela visão humana. Na segmentação de imagens baseada em algoritmos de agrupamento em grafos, geralmente os pixels da imagem compôem os nós do grafo e as arestas representam a similaridade entre estes nós. Assim, a segmentação pode ser obtida por meio do agrupamento dos nós do grafo. É importante salientar, no entanto, que as técnicas de agrupamento em grafos surgiram no contexto de reconhecimento de padrões, cujo objetivo primario era o tratamento de dados diversos que não envolviam imagens. O uso de tais tecnicas para a segmentação de imagens e relativamente recente e revela alguns problemas desaadores. O primeiro deles é a deficiente escalabilidade de alguns métodos, o que impede o seu uso efetivo em imagens de altas dimensões. Outra questão é a falta de estudos que avaliam as medidas de similaridade na montagem do grafo e critérios que aferem a qualidade do agrupamento para a área específica de segmentação de imagens. Em outras palavras, faltam na literatura análises mais específicas que indiquem quais algoritmos de agrupamento em grafos são mais efetivos para a segmentação de imagens e que procurem associar (ou correlacionar) as várias medidas de similaridade e métricas de qualidade de agrupamento que produzam segmentações mais precisas. Neste trabalho é apresentada a avaliação de 6 algoritmos de agrupamento em grafos formulados em base a 3 categorias identificadas (agrupamento espectral, algoritmos de particionamento multinível e algoritmos para detectar comunidades) e aplicadas na segmentação automática de imagens de cenas naturais com grandes dimensões. Esta avaliação objetiva aferir, sobretudo, a qualidade da segmentação, a escalabilidade, o desempenho de 7 funções de similaridade formuladas, e também visa corroborar a existência da correlação entre a qualidade do agrupamento e a qualidade da segmentação. Para reduzir o esforço computacional e contribuir com a escalabilidade dos algoritmos formulados é utilizado um algoritmo de pré-processamento (SLIC) que agrupa váarios pixels da imagem em uma unica região (superpixels), o que contribui para reduzir o tamanho do grafo e, consequentemente, reduzindo o custo computacional do agrupamento. Os resultados demostram que os algoritmos formulados LP (Label Propagation) e FG (Fast Greedy) apresentam boa escalabilidade e boa qualidade de segmentação. Seis das sete funções de similaridade avaliadas apresentam um bom desempenho, independentemente do algoritmo de agrupamento empregado. É mostrado também que exites correlação entre a medida de qualidade de agrupamento conhecido como índice de silhueta e a qualidade de segmentação, ou seja, quanto maior o valor de silhueta, melhor a segmentação. A qualidade de segmentação foi avaliada quantitativamente, utilizando-se um conjunto de imagens segmentadas manualmente
Título em inglês
Evaluation of graph clustering algorithms for images segmentation
Palavras-chave em inglês
Graph clustering
Grouping quality
Image segmentation
Segmentation quality
Resumo em inglês
Image segmentation is an important task within computer vision for which many approaches are available. The complexity of such approaches are intrinsically related with the nature of the image and also the desired accuracy aimed at. Image segmentation accuracy, however, is a subjective concept and is normally associated with how much it resembles segmentation produced by the human vision system. In graphbased clustering image segmentation algorithms, pixels are normally represented as nodes and edges convey the similarity between such nodes. Hence, segmentation may be attained by means of grouping node of a graph. It is important, though, to point out that graph-based clustering techniques rst appeared in the context of pattern recognition and its primary data source were not images. The usage of such techniques for image segmentation is a recent trend and poses some challenge issues. The first is the poor scalability that many methods exhibit, impairing its application in images of larger dimensions. Another issues is that lack of studies that assess the goodness of similarity measures employed in graph computation and also clustering quality criteria assessments for the specic area of image processing. In other words, there is no evidences in the literature on how effective graph-based clustering algorithms are for image segmentation and no studies that associate similarity functions and clustering quality metrics with image processing quality. This work presents an evaluation of six graph-based clustering algorithms according to three major categories found in the literature (spectral clustering, multi layer partitioning algorithms and community detectors) applied to automatic segmentation of image of larger dimensions. This evaluation takes into account segmentation quality, scalability, the performance of seven similarity functions and, nally, bring some insights on the correlation between clustering and segmentation quality. To reduce computational costs and enhance scalability of the methods we employ a pre processing algorithm (SLIC) which combines many pixels into one single region (superpixel). This contributes to reduce the graph size and, consequently, the cost of clustering. Results have shown that the LP (Label Propagation) and FG (Fast Greedy) algorithms exhibit good scalability and good segmentation. Six out of the seven similarity functions presented good performance, regardless the clustering algorithm. We also have shown that there is correlation between clustering quality and image segmentation quality, when the Silhouette measure is employed. That is, the higher the Silhouette values, the better the segmentation. Image segmentation quality has been quantitatively assessed by means of ground-truth data or user segmented images
 
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dissertacao.pdf (17.49 Mbytes)
Data de Publicação
2013-01-23
 
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