[論文レビュー] A Digital Fuzzy Edge Detector for Color Images

Yuanhang Zhang, Xie Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2017

Medical Image Segmentation Techniques参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、色画像におけるFPGAベースの新規デジタルファジィエッジ検出器を提案する。この手法は、ソーベル演算子を適用する前に、赤（R）、緑（G）、青（B）チャンネルをファジィ前処理で強化することで、低コントラスト画像におけるエッジ検出性能を顕著に向上させる。従来のソーベル単独手法と比較して、エッジの連続性と詳細抽出が向上しており、実時間ハードウェア実装における実験的結果がその有効性を裏付けている。

ABSTRACT

Edge detection is a classic problem in the field of image processing, which lays foundations for other tasks such as image segmentation. Conventionally, this operation is performed using gradient operators such as the Roberts or Sobel operator, which can discover local changes in intensity levels. These operators, however, perform poorly on low contrast images. In this paper, we propose an edge detector architecture for color images based on fuzzy theory and the Sobel operator. First, the R, G and B channels are extracted from an image and enhanced using fuzzy methods, in order to suppress noise and improve the contrast between the background and the objects. The Sobel operator is then applied to each of the channels, which are finally combined into an edge map of the origin image. Experimental results obtained through an FPGA-based implementation have proved the proposed method effective.

研究の動機と目的

• 低コントラスト色画像において、ソーベルのような従来の勾配ベースエッジ検出器の性能が低い問題に対処すること。
• エッジ検出の前段階で画像コントラストを強化することで、エッジマップのエッジ連続性を向上させ、断片化を低減すること。
• FPGA技術を用いて、リアルタイムで効率的なハードウェア実装が可能なエッジ検出システムを実装すること。
• ノイズが多く、コントラストが低い環境下でも頑健性を発揮するように、古典的ソーベルフィルタリングとファジィ論理を統合すること。
• 将来のコンact、非揮発性エッジ検出ハードウェアに向け、メモリスタベース回路の可能性を調査すること。

提案手法

• 入力色画像は、R、G、Bチャンネルに分離され、個別に処理される。
• 各チャンネルは、多項式ベース変換を用いたファジィ前処理を経てコントラスト強化とノイズ抑制が行われる。
• 各チャンネルにおけるファジィ変換の最適しきい値を決定するために、オツ法（Otsu method）が適用される。
• 3×3畳み込みマスクを用いて、各前処理済みチャンネルにソーベル演算子が適用され、水平方向および垂直方向の勾配が計算される。
• 計算複雑度を低減するために、勾配の大きさはL1ノルム近似（|Gx| + |Gy|）を用いて統合される。
• 個々のチャンネルからのエッジマップが統合され、元の画像の最終的合成エッジマップが生成される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファジィ前処理を施すことにより、直接的なソーベル適用と比較して、低コントラスト色画像におけるエッジ検出性能がどのように向上するか？
• RQ2 色画像エッジ検出におけるファジィ前処理の最適しきい値選択法は何か？
• RQ3 FPGAベース実装により、提案されたファジィ-ソーベルエッジ検出パイプラインのリアルタイム性能を達成できるか？
• RQ4 提案手法は、従来のソーベルおよびケニー検出器と比較して、エッジの完全性とノイズ耐性においてどのように異なるか？
• RQ5 将来的なエッジ検出ハードウェアアーキテクチャにおいて、メモリスタベース論理を統合することによる潜在的利点は何か？

主な発見

• 提案されたファジィ前処理により、特にテスト画像におけるペンの線など低コントラスト領域のエッジ連続性と詳細検出が顕著に向上した。
• 非ファジィソーベル検出と比較して、ファジィ強化手法は図4の視覚的比較で示されるように、より完全でつながったエッジを生成した。
• FPGAベース実装により、パイipelinedアーキテクチャを用いて、エッジ検出パイプラインのリアルタイム並列処理が成功裏に実現された。
• エッジの断片化が低減され、対象物と背景のコントラスト強化が図られたが、一部の領域ではノイズ抑制が限定的であった。
• しきい値選択にオツ法（Otsu’s method）を用いることで、手動チューニングを不要とし、自動的かつ最適なファジィ変換が可能になった。
• 将来のメモリスタベース設計は、回路サイズの縮小と非揮発性の向上が見込まれ、コンactでエネルギー効率の高いエッジ検出ハードウェアへの道筋を示唆している。