Die Wasserscheidentransformation kurz WST ist ein Verfahren der bei der Segmentierung innerhalb der Bildverarbeitung Anwendung findet. Sie findet Kanten, die umschlossen sind von Objekten.


Im Folgenden wird der Canny-Edge-Algorithmus erklärt. Jedoch gibt es weitere Kantendetektions-Algorithmen, die ebenso auf diesem Blog vorgestellt werden. Die Fett-hervorgehobenen Algorithmen sind bisher erklärt worden.

 


Idee und Ziel

Die WST wird auf Grauwertebildern angewendet. Bildhaft kann man sich vorstellen, dass sobald ein Wassertropfen auf ein Gebirge fällt nach unten fließt bis er ein lokales Minimum erreicht hat. Das Auffangbecken wird durch die benachbarten Becken also Wasserscheiden abgegrenzt. Es wird quasi ein Gebirge geflutet wie in der folgenden Abbildung gezeigt wird.

Quelle: Klaus D. Tönnies, Grundlagen der Bildverarbeitung Zeigt die gefüllten Berge anhand der gestrichelten Linie (Schwellwert)

Das Ziel bei einer WST ist es Pixel in regionale Minima zu gruppieren. Wird die WST auf einem Gradientenbild angewendet so sind die Minima homogene Bereiche und die Wasserscheide bilden Kanten im Bild ab. Deswegen ist die Annahme, dass die Regionen durch hohe Gradienten voneinander abgegrenzt sind.

 


Verfahren

Es gibt vier möglich Verfahren der Wasserscheidentransformation

  • Vorgeflutete WST
  • Hierarchische WST
  • Markerbasierte WST
  • Interaktive Varianten der WST

Betrachtet man die obere Abbildung kann die x- und y-Achse des Koordinatensystems als x- und die y-Achse von der Funktion einem Bild betrachtet werden. Die Z-Achse definiert die Tiefe von dem Bild. Die Tiefe beschreibt den Grauwert bzw. den Farbwert.

Im Anschluss wird mit der gestrichelten Linie festgelegt wie hoch das Gebirge geflutet werden soll. Umso höher der Wert definiert worden ist, umso mehr Informationen werden im Bild geflutet. Somit gibt es weniger lokale Minima. Jedoch können die lokalen Minima einen größeren Bereich einnehmen. In der Abgebildeten Grafik wird sukzessive der Schwellwert angehoben. Dieses Verfahren wird vorgeflutete WST genannt.

Bei der hierarchischen WST wird das Ergebnis in eine Graphendarstellung umgewandelt. Es wird also zuerst die Regionen nach dem WST klassifiziert. Danach wird für jede Region ein durchschnittlicher Grauwert zugewiesen. Danach wird wieder der WST angewendet. Daraus resultiert, dass die Anzahl der Regionen. Die lokalen Minima verringern sich.

Der Benutzer kann bei der markerbasierten WST selbst die Ausgangspunkte der Flutung festlegen. Es wird somit nur bei den benutzer-spezifizierten Markern geflutet. Deshalb legen die Marker die Gebiete fest, die die Regionen trennen.

Mit der interaktiven WST können sogenannte Include- und Exclude-Punkte gesetzt werden womit der Benutzer Einfluss auf die Flutungen nehmen kann. Dadurch kann der Benutzer die Segmentierung modifizieren und gegebenenfalls verbessern. 

 


Vor- und Nachteile

Vorteile

  • Der Algorithmus ist einfach zu implementieren
  • Der Algorithmus braucht minimal Rechenleistung

Nachteile

  • Schwellwert muss bedacht gewählt werden
  • Bildmaterial sollte geeignet sein für die WST

 


Quellen

[1] Objektextraktion von Bäumen aus Luftbildern, Benjamin Bechtel, Dezember 2007, Universität Hamburg

[2] Grundlagen der Bildverarbeitung, Pearson Studium, Klaus D. Tönnies, ,2005

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