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马尔科夫随机场算法-建模图像和语音的强大方法 (马尔科夫随机场mrf)

admin3周前 (04-27)数码17

马尔科夫随机场(Markov Random Field,简称 MRF)是一种用于建模图像和语音等数据的概率图模型。它基于马尔科夫性质,能够捕捉数据中的空间或时间相关性,从而提供了一种有效的方法来描述和分析这些数据。

马尔科夫随机场算法的原理

马尔科夫随机场是一种无向图模型,它由一组随机变量和它们之间的关系构成。在马尔科夫随机场中,每个随机变量表示一个节点,节点之间的边表示它们之间的依赖关系。马尔科夫随机场的核心思想是,给定一个节点,它的状态只与其邻居节点的状态有关,与其他节点的状态无关。

马尔科夫随机场的建模过程可以分为两个步骤:定义概率分布和定义势函数。

  • 在定义概率分布时,我们需要指定每个节点的状态空间和状态的概率分布。
  • 算法
  • 在定义势函数时,我们需要指定每个节点和其邻居节点之间的关系,以及这些关系的权重。

马尔科夫随机场算法的应用

马尔科夫随机场算法在图像和语音处理领域有着广泛的应用。以下是几个典型的应用场景:

  • 图像分割:在图像分割中,我们希望将图像分成若干个具有相似特征的区域。马尔科夫随机场算法可以通过建模像素之间的空间相关性来实现图像分割,从而提高分割的准确性和效果。
  • 图像去噪:在图像去噪中,我们希望从带有噪声的图像中恢复出原始图像。马尔科夫随机场算法可以通过建模像素之间的空间相关性和像素与噪声之间的关系来实现图像去噪,从而减少噪声的影响。
  • 语音识别:在语音识别中,我们希望将语音信号转化为文字或命令。马尔科夫随机场算法可以通过建模语音信号之间的时间相关性来实现语音识别,从而提高识别的准确性和鲁棒性。

马尔科夫随机场算法的优势

马尔科夫随机场算法在建模图像和语音等数据时具有以下优势:

  • 捕捉相关性:马尔科夫随机场算法能够捕捉数据中的空间或时间相关性,从而更好地描述和分析这些数据。通过建模节点之间的关系,马尔科夫随机场能够提供更准确和完整的数据模型。
  • 灵活性:马尔科夫随机场算法具有很高的灵活性,可以根据具体的问题和数据进行调整和扩展。通过定义概率分布和势函数,我们可以根据需要来建立不同的马尔科夫随机场模型。
  • 鲁棒性:马尔科夫随机场算法对数据的噪声和变化具有一定的鲁棒性。即使数据发生了一定的变化,马尔科夫随机场仍然可以保持较高的准确性和可靠性。

结论

马尔科夫随机场算法是一种用于建模图像和语音等数据的概率图模型。通过捕捉数据中的空间或时间相关性,马尔科夫随机场能够提供一种有效的方法来描述和分析这些数据。马尔科夫随机场算法在图像分割、图像去噪和语音识别等领域具有广泛的应用和潜力。随着数据规模和复杂性的不断增加,马尔科夫随机场算法将在图像和语音处理领域发挥越来越重要的作用。


条件随机场在自然语言处理中怎么用

条件随机场模型是Lafferty于2001年,在最大熵模型和隐马尔科夫模型的基础上,提出的一种判别式概率无向图学习模型,是一种用于标注和切分有序数据的条件概率模型;

条件随机场模型作为一个整句联合标定的判别式概率模型,同时具有很强的特征融入能力,是目前解决自然语言序列标注问题最好的统计模型之一。条件随机场的缺点是训练的时间比较长。

条件随机场定义

设G=(V,E)是一个无向图,Y=(Yv),,Y表示图中顶点的结合。如果在观察变量X的条件下,在图G中随机变量Yv服从马尔科夫属性,即:表示在图G中,v,w是邻居,那么(X,Y)就表示一个条件随机场。

即它是在给定需要标记的观察序列 X的条件下计算整个标记序列 Y的联合概率分布,而不是在给定当前状态条件下定义下一个状态的分布。公式如下所示:

隐马尔可夫模型中存在两个假设:输出独立性假设和马尔可夫性假设。其中,输出独立性假设要求序列数据严格相互独立才能保证推导的正确性,而事实上大多数序列数据不能被表示成一系列独立事件。而条件随机场则使用一种概率图模型,条件随机场没有隐马尔可夫模型那样严格的独立性假设条件,因而可以容纳任意的上下文信息,可以灵活地设计特征。同时,条件随机场具有表达长距离依赖性和交叠性特征的能力,而且所有特征可以进行全局归一化,能够求得全局的最优解,还克服了最大熵马尔可夫模型标记偏置的缺点。

下图是用图的形式描述HMM(左),MEMM(中),链式的CRF(右)表示序列时的区别。注(空心圆表示此变量是不用于描述模型的)。其中HMM中,Yi只与Yi-1有关,而Xi输出只与Yi有关。在MEMM中,Yi是由Xi和Yi-1确定的,在CRF中,确定某个Yi,它会考虑整个Y及Xi的。

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常用的图像特征_常用的图像特征有哪些

常用的图像特征有颜色特征、纹理特征、形状特征、空间关系特征。

一颜色特征

(一)特点:颜色特征是一种全局特征,描述了图像或图像区域所对应的景物的表面性质。一般颜色特征是基于像素点的特征,此时所有属于图像或图像区域的像素都有各自的贡献。由于颜色对图像或图像区域的方向、大小等变化不敏感,所以颜色特征不能很好地捕捉图像中对象的局部特征。另外,仅使用颜色特征查询时,如果数据库很大,常会将许多不需要的图像也检索出来。颜色直方图是最常用的表达颜色特征的方法,其优点是不受图像旋转和平移变化的影响,进一步借助归一化还可不受图像尺度变化的影响,基缺点是没有表达出颜色空间分布的信息。

(二)常用的特征提取与匹配方法

(1)颜色直方图

其优点在于:它能简单描述一幅图像中颜色的全局分布,即不同色彩在整幅图像中所占的比例,特别适用于描述那些难以自动分割的图像和不需要考虑物体空间位置的图像。其缺点在于:它无法描述图像中颜色的局部分布及每种色彩所处的空间位置,即无法描述图像中的某一具体的对象或物体。

最常用的颜色空间:RGB颜色空间、HSV颜色空间。

颜色直方图特征匹配方法:直方图相交法、距离法、中心距法、参考颜色表法、累加颜色直方图法。

(2)颜色集

颜色直方图法是一种全局颜色特征提取与匹配方法,无法区分局部颜色信息。颜色集是对颜色直方图的一种近似首先将图像从RGB颜色空间转化成视觉均衡的颜色空间(如HSV空间),并将颜色空间量化成若干个柄。然后,用色彩自动分割技术将图像分为若干区域,每个区域用量化颜色空间的某个颜色分量来索引,从而将图像表达为一个二进制的颜色索引集。在图像匹配中,比较不同图像颜色集之间的距离和色彩区域的空间关系

(3)颜色矩

这种方法的数学基础在于:图像中任何的颜色分布均可以用它的矩来表示。此外,由于颜色分布信息主要集中在低阶矩中,因此,仅采用颜色的一阶矩(mean)、二阶矩(variance)和三阶矩(skewness)就足以表达图像的颜色分布。

(4)颜色聚合向量

其核心思想是:将属于直方图每一个柄的像素分成两部分,如果该柄内的某些像素所占据的连续区域的面积大于给定的阈值,则该区域内的像素作为聚合像素,否则作为非聚合像素。

(5)颜色相关图

二纹理特征

(一)特点:纹理特征也是一种全局特征,它也描述了图像或图像区域所对应景物的表面性质。但由于纹理只是一种物体表面的特性,并不能完全反映出物体的本质属性,所以仅仅利用纹理特征是无法获得高层次图像内容的。与颜色特征不同,纹理特征不是基于像素点的特征,它需要在包含多个像素点的区域中进行统计计算。在模式匹配中,这种区域性的特征具有较大的优越性,不会由于局部的偏差而无法匹配成功。作为一种统计特征,纹理特征常具有旋转不变性,并且对于噪声有较强的抵抗能力。但是,纹理特征也有其缺点,一个很明显的缺点是当图像的分辨率变化的时候,所计算出来的纹理可能会有较大偏差。另外,由于有可能受到光照、反射情况的影响,从2-D图像中反映出来的纹理不一定是3-D物体表面真实的纹理。

例如,水中的倒影,光滑的金属面互相反射造成的影响等都会导致纹理的变化。由于这些不是物体本身的特性,因而将纹理信息应用于检索时,有时这些虚假的纹理会对检索造成“误导”。

在检索具有粗细、疏密等方面较大差别的纹理图像时,利用纹理特征是一种有效的方法。但当纹理之间的粗细、疏密等易于分辨的信息之间相差不大的时候,通常的纹理特征很难准确地反映出人的视觉感觉不同的纹理之间的差别。

(二)常用的特征提取与匹配方法

纹理特征描述方法分类

(1)统计方法统计方法的典型代表是一种称为灰度共生矩阵的纹理特征分析方法Gotlieb和Kreyszig等人在研究共生矩阵中各种统计特征基础上,通过实验,得出灰度共生矩阵的四个关键特征:能量、惯量、熵和相关性。统计方法中另一种典型方法,则是从图像的自相关函数(即图像的能量谱函数)提取纹理特征,即通过对图像的能量谱函数的计算,提取纹理的粗细度及方向性等特征参数

(2)几何法

所谓几何法,是建立在纹理基元(基本的纹理元素)理论基础上的一种纹理特征分析方法。纹理基元理论认为,复杂的纹理可以由若干简单的纹理基元以一定的有规律的形式重复排列构成。在几何法中,比较有影响的算法有两种:Voronio棋盘格特征法和结构法。

(3)模型法

模型法以图像的构造模型为基础,采用模型的参数作为纹理特征。典型的方法是随机场模型法,如马尔可夫(Markov)随机场(MRF)模型法和Gibbs随机场模型法

(4)信号处理法

纹理特征的提取与匹配主要有:灰度共生矩阵、Tamura纹理特征、自回归纹理模型、小波变换等。

灰度共生矩阵特征提取与匹配主要依赖于能量、惯量、熵和相关性四个参数。Tamura纹理特征基于人类对纹理的视觉感知心理学研究,提出6种属性,即:粗糙度、对比度、方向度、线像度、规整度和粗略度。自回归纹理模型(auto-regressive,SAR)是马尔可夫随机场(MRF)模型的一种应用实例。

三形状特征

(一)特点:各种基于形状特征的检索方法都可以比较有效地利用图像中感兴趣的目标来进行检索,但它们也有一些共同的问题,包括:①目前基于形状的检索方法还缺乏比较完善的数学模型;②如果目标有变形时检索结果往往不太可靠;③许多形状特征仅描述了目标局部的性质,要全面描述目标常对计算时间和存储量有较高的要求;④许多形状特征所反映的目标形状信息与人的直观感觉不完全一致,或者说,特征空间的相似性与人视觉系统感受到的相似性有差别。另外,从2-D图像中表现的3-D物体实际上只是物体在空间某一平面的投影,从2-D图像中反映出来的形状常不是3-D物体真实的形状,由于视点的变化,可能会产生各种失真。

(二)常用的特征提取与匹配方法

Ⅰ几种典型的形状特征描述方法

通常情况下,形状特征有两类表示方法,一类是轮廓特征,另一类是区域特征。图像的轮廓特征主要针对物体的外边界,而图像的区域特征则关系到整个形状区域。

几种典型的形状特征描述方法:

(1)边界特征法该方法通过对边界特征的描述来获取图像的形状参数。其中Hough变换检测平行直线方法和边界方向直方图方法是经典方法。Hough变换是利用图像全局特性而将边缘像素连接起来组成区域封闭边界的一种方法,其基本思想是点—线的对偶性;边界方向直方图法首先微分图像求得图像边缘,然后,做出关于边缘大小和方向的直方图,通常的方法是构造图像灰度梯度方向矩阵。

(2)傅里叶形状描述符法

傅里叶形状描述符(Fouriershapedescriptors)基本思想是用物体边界的傅里叶变换作为形状描述,利用区域边界的封闭性和周期性,将二维问题转化为一维问题。

由边界点导出三种形状表达,分别是曲率函数、质心距离、复坐标函数。

(3)几何参数法

形状的表达和匹配采用更为简单的区域特征描述方法,例如采用有关形状定量测度(如矩、面积、周长等)的形状参数法(shapefactor)。在QBIC系统中,便是利用圆度、偏心率、主轴方向和代数不变矩等几何参数,进行基于形状特征的图像检索。

需要说明的是,形状参数的提取,必须以图像处理及图像分割为前提,参数的准确性必然受到分割效果的影响,对分割效果很差的图像,形状参数甚至无法提取。

(4)形状不变矩法

利用目标所占区域的矩作为形状描述参数。

(5)其它方法

近年来,在形状的表示和匹配方面的工作还包括有限元法(FiniteElementMethod或FEM)、旋转函数(TurningFunction)和小波描述符(WaveletDescriptor)等方法。

Ⅱ基于小波和相对矩的形状特征提取与匹配

该方法先用小波变换模极大值得到多尺度边缘图像,然后计算每一尺度的7个不变矩,再转化为10个相对矩,将所有尺度上的相对矩作为图像特征向量,从而统一了区域和封闭、不封闭结构。

四空间关系特征

(一)特点:所谓空间关系,是指图像中分割出来的多个目标之间的相互的空间位置或相对方向关系,这些关系也可分为连接/邻接关系、交叠/重叠关系和包含/包容关系等。通常空间位置信息可以分为两类:相对空间位置信息和绝对空间位置信息。前一种关系强调的是目标之间的相对情况,如上下左右关系等,后一种关系强调的是目标之间的距离大小以及方位。显而易见,由绝对空间位置可推出相对空间位置,但表达相对空间位置信息常比较简单。

空间关系特征的使用可加强对图像内容的描述区分能力,但空间关系特征常对图像或目标的旋转、反转、尺度变化等比较敏感。另外,实际应用中,仅仅利用空间信息往往是不够的,不能有效准确地表达场景信息。为了检索,除使用空间关系特征外,还需要其它特征来配合。

(二)常用的特征提取与匹配方法

提取图像空间关系特征可以有两种方法:一种方法是首先对图像进行自动分割,划分出图像中所包含的对象或颜色区域,然后根据这些区域提取图像特征,并建立索引;另一种方法则简单地将图像均匀地划分为若干规则子块,然后对每个图像子块提取特征,并建立索引。

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