1 L'étendue des techniques applicables aux images numériques est aujourd'hui si vaste qu'il serait illusoire de chercher à les décrire ici. Ce chapitre présente plus spécifiquement les algorithmes utilisés en présence d'images (fortement) bruitées. Le bruit rend potentiellement délicate l'extraction des informations utiles contenues dans les images pertubées ou en complique l'interpretation, qu'elle soit automatique ou confiée à la vision humaine.
2 L'intuition nous incite donc à chercher des méthodes efficaces de prétraitement pour réduire la puissance du bruit afin de permettre aux traitements de plus haut niveau comme la segmentation, d'opérer ensuite dans de meilleures conditions.
4 Toutefois, il faut également considérer que les opérations préalables de réduction de bruit apportent des modifications statistiques aux images et influent donc potentiellement sur les caractéristiques que l'on cherche à mettre en évidence grâce au traitement principal. En ce sens, il peut-être préférable de chercher à employer des algorithmes de haut niveau travaillant directement sur les images bruitées pour minimiser les effets des altérations apportées par les filtres débruiteurs et conserver toute l'information contenue dans les images perturbées.
6 Les images auxquelles nous nous intéressons sont généralement les images numériques allant des images naturelles telles que définies par Caselles \cite{} aux images d'amplitude isues de l'imagerie radar à ouverture synthétique (ROS ou en anglais SAR) \cite{}, de l'imagerie médicale à ultrasons (echographie) ou encore biologique dans le cas de la microscopie électronique.
7 Ces dispositifs d'acquisition sont naturellement, et par essence, générateurs de bruits divers, inhérents aux thechnologies mises en \oe uvre au sein de ces systèmes et qui viennent dégrader l'image idéale de la scène que l'on cherche à représenter ou analyser. On sait aujourd'hui caractériser de manière assez précise ces bruits et la section \ref{sec_bruits} en détaille les origines physiques ainsi que les propriétés statistiques qui en découlent.
8 On peut dores et déjà avancer que la connaissance de l'origine d'une image et donc des propriétés des bruits associés qui en corrompent les informations, est un atout permettant de concevoir des techniques de filtrage adaptées à chaque situation. Toutefois, la recherche d'un filtre universel, bien qu'encore illusoire, n'est pas abandonnée, tant les besoins sont nombreux, divers et souvent complexes.
10 \section{Modèle d'image bruitée}
11 On considère qu'une image observée est un ensemble de $N$ observations sur un domaine $\Omega$ à deux dimensions ($\Omega \subset \mathbb{Z}^2$). À chaque élément de $\Omega$, aussi appelé \textit{pixel}, est associé un indice unique $k \in [\![1;N]\!]$, une position $x_k=(i,j)_k \in\Omega$ et une valeur observée $v_k=v(i,j)_k$.
12 La valeur observée peut, selon les cas, être de dimension $1$ pour les images représentées en niveaux de gris ou de dimension 3 pour les images couleur représentées au format RVB. Les dimensions supérieures, pour la représentation des images hyperspectrales n'est pas abordé.
13 L'image observée peut ainsi être considérée comme un vecteur à $N$ éléments $\bar{v}= (v_k)_{k\in [\![1;N]\!]}$.
14 Les divers traitements appliqués aux images observées ont souvent pour but d'accéder aux informations contenues dans une image sous-jacente, débarrassée de toute perturbation, dont nous faisons l'hypothèse qu'elle partage le même support $\Omega$ et que nous notons $\bar{u}$.
15 Le lien entre $\bar{u}$ et $\bar{v}$ peut être exprimé généralement par la relation $\bar{v}=\bar{u}+\sigma\epsilon$, où $\epsilon \in \mathbb{R}^N$ représente le modèle de perturbation appliquée à $\bar{u}$ et $\sigma$ représente la puissance de cette perturbation qui a mené à l'observation de $\bar{v}$.
16 Dans le cas général, $\epsilon$ dépend de $\bar{u}$ et est caractérisé par la densité de probabilité (PDF pour probability density function) $p(v|u)$.
18 \section{Modèles de bruit}
19 \subsection{Le bruit gaussien}
20 Le bruit gaussien est historiquement le plus étudié et celui auquel sont dédiées le plus de techniques de débruitage.
21 La génération des images numériques au travers les capteurs CMOS et CCD \ref{} est le siège de nombreuses perturbations dues à la technologie de fabrication et à la nature du rayonnement dont ils mesurent l'intensité en différents zones de leur surface, appelées \textit{photosites}.
22 On distingue en particulier les bruits suivants selon leur origine physique :
24 \item la non uniformité de réponse des photosites.
25 \item le bruit de photon
26 \item le bruit de courant d'obscurité
27 \item le bruit de lecture
28 \item le bruit de non uniformité d'amplification des gains des photosites.
30 Des descriptions détaillées des mécanismes concourant à la génération de ces bruits sont fournies dans \ref{phelippeau p80}
31 Dans un certain intervalle usuel d'intensité lumineuse, il est toutefois admis que l'ensemble des ces perturbations peut être représenté par un seul bruit blanc gaussien, de type \textit{additif} (AWGN), dont la densité de probabilité suit une loi normale de moyenne nulle et de variance $\sigma^2$.
32 On a alors l'expression suivante, où $\sigma >0$
33 \[p(v|u)=\frac{1}{\sqrt{2}\pi\sigma}\mathrm{e}^{-\frac{(v-u)^2}{2\sigma^2}}\]
35 \subsection{Le speckle}
36 En imagerie radar, sonar ou médicale, les surfaces que l'on veut observer sont ``éclairées'' par des sources cohérentes. Les propriétés locales de ces surfaces sont le siège de réflexions multiples qui interfèrent entre elles pour générer un bruit de tavelures, ou speckle, dont l'intensité dépend de l'information contenue dans le signal observé.
38 Le speckle est ainsi un bruit de type \textit{multiplicatif} qui confère aux observations une très grande variance qui peut-être réduite en moyennant plusieurs observations, ou vues, de la même scène. Si $L$ est le nombre de vues, le speckle est traditionnellement modélisé par la PDF suivante :
39 \[p(v \mid u)=\frac{L^2v^{(L-1)}\mathrm{e}^{-L\frac{v}{u}}}{\Gamma (L)u^L} \]
40 L'espérance vaut $\mathrm{E}\left[v\right]=u$ et la variance $\sigma^2=\frac{u^2}{L}$ est effectivement inversement proportionnelle à $L$, mais pour le cas mono vue où $L=1$, la variance vaut $u^2$, soit un écart type du signal $v$ égal à sa moyenne.
42 \subsection{Le bruit ``sel et poivre''}
43 Le bruit \textit{sel et poivre}, ou bruit \textit{impulsionnel} trouve son origine dans les pixels défectueux des capteurs ou dans les erreurs de transmission. Il tire son nom de l'aspect visuel de la dégradation qu'il produit : des pixels noirs et blancs répartis dans l'image.
44 Le bruit impulsionnel se caractérise par la probabilité $P$ d'un pixel d'être corrompu. La PDF peut alors être exprimée par parties comme suit, pour le cas d'images en 256 niveaux de gris (8 bits) :
48 \frac{P}{2}+(1-P) & \text{si $v=0$ et $u=0$}\\
49 \frac{P}{2}+(1-P) & \text{si $v=255$ et $u=255$}\\
50 \frac{P}{2} & \text{si $v=0$ et $u \neq 0$}\\
51 \frac{P}{2} & \text{si $v=255$ et $u \neq 255$}\\
52 (1-P) & \text{si $v=u$ et $u \notin \{0, 255\}$}\\
57 \subsection{Le bruit de Poisson}
58 Aussi appelé \textit{bruit de grenaille} (shot noise), ce type de bruit est inhérent aux dispositifs de détection des photons. Il devient prépondérant dans des conditions de faible éclairement, lorsque la variabilité naturelle du nombre de photons reçus par un photosite par intervalle d'intégration influe sur les propriétés statistiques du signal.
59 Le bruit de grenaille est de type multiplicatif et suit une loi de Poisson. La PDF peut s'écrire comme suit :
60 \[ p(v \mid u)=\mathrm{e}\frac{u^v}{v!}\]
62 \section{Les techniques de réduction de bruit}
63 La très grande majorité des algorithmes de réduction de bruit fait l'hypothèse que la perturbation est de type gaussien, même si le développement des systèmes d'imagerie radar et médicale a poussé les chercheurs vers l'étude des bruits multiplicatifs du type \textit{speckle} ou \textit{Poisson}.
64 Un très grand nombre de travaux proposant des méthodes de réduction de ces bruits ont été menés, ainsi que beaucoup d'états de l'art et d'études comparatives de ces diverses techniques, que nous n'avons pas la prétention d'égaler.
66 Les techniques et implémentations que nous aborderons dans le chapitre suivant sont celles qui ont un lien direct avec les travaux que nous avons menés. Nous
67 présenterons donc les principales classes d'algorithmes de réduction de bruit et les implémentations GPU qui leur ont été consacrées.
70 \section{Les techniques de segmentation}
71 La segmentation représente également un enjeu important dans le domaine du traitement d'image et à ce titre a fait l'objet d'abondants travaux et publications touchant les nombreux cas d'analyse dans lesquels une segmentation est utilisée. On peut citer la reconnaissance de formes, la détections et/ou la poursuite de cibles, la cartographie, le diagnostique médical, l'interaction Homme-machine, la discrimination d'arrière plan, etc.
73 On pourrait donner de la segmentation une définition spécifique par type d'usage, mais dans un souci d'unification, on propose la formulation générique suivante :
74 ``La segmentation consiste à distinguer les zones homogènes au sein d'une image''.
75 Dans cette définition, le caractère \textit{homogène} s'entend au sens d'un critère pré établi, adapté aux contraintes particulières de traitement comme le type de bruit corrompant les images, ou bien la dimension du signal observé $\bar{v}$ selon que l'image est en couleur ou non. Un tel critère peut ainsi être un simple seuil de niveau de gris ou bien nécessiter de coûteux calculs statistiques dont certains seront détaillés dans les chapitres suivants.
77 Devant la diversité des cas à traiter et des objectifs à atteindre, on sait aujourd'hui qu'à l'instar du filtre unique, la méthode universelle de segmentation n'existe pas et qu'une bonne segmentation est celle qui conduit effectivement à l'extraction des structures pertinentes d'une image selon l'interprétation qui doit en être faite.
79 Les éléments constitutifs de la segmentation sont soit des régions, soit des contours. Les deux notions sont complémentaires étant donné que les contours délimitent des régions, mais les techniques de calcul basés sur l'un ou l'autre de ces éléments relèvent d'abords différents.
80 Les algorithmes de segmentation orientés régions s'appuient pour beaucoup sur des techniques de regroupement, ou \textit{clustering}, pour l'identification et le peuplement des régions. Ce lien trouve son origine dans la psychologie du \textit{gestalt} \ref{biblio_web} où l'on considère que la perception conceptuelle s'élabore au travers de regroupements visuel d'éléments.
81 La plupart des approches proposées jusqu'à très récemment consistent à minimiser une fonction d'énergie qui n'a pas de solution formelle et que l'on résout donc à l'aide de techniques numériques, souvent itératives.
83 \subsection{Analyse d'histogramme}
84 Les techniques les plus simples à mettre en \oe uvre en segmentation sont les techniques de seuillage, basées sur une analyse de l'histogramme des niveaux de gris (ou de couleurs) et cherchant à en distinguer les différentes classes comme autant d'occurrences représentant des \textit{régions} homogènes.
85 Différents critères peuvent être appliqués pour cette analyse, visant par exemple à maximiser la variance \ref{otsu79} ou encore à maximiser le contraste pour déterminer les valeurs pertinentes des seuils.
86 Malgré la multitude de variantes proposées, ces méthodes demeurent toutefois peu robustes et présentent l'inconvénient majeur de ne pas garantir la connexité des régions déterminées. On les réserve à des applications très spécifiques où, par exemple, on dispose d'une image de référence dont l'histogramme peut être comparé à celui des images à traiter. C'est le cas de certaines application de contrôle industriel où la simplicité algorithmique permet de surcroît des implémentations très rapides, voire câblées.
87 Ces techniques sont aujourd'hui considérées comme rudimentaires mais les calculs d'histogrammes et les analyses associées interviennent dans beaucoup d'algorithmes récents parmi les plus évolués et performants.
88 La figure \ref{fig-histo-cochon} illustre le traitement typique de l'histogramme de l'image d'entrée \ref{fig-histo-cochon-a} dans le but de distinguer les deux régions du fond et du cochon (la cible). La première étape consiste à dresser l'histogramme des niveaux de gris sur tout le domaine de l'image \ref{fig-histo-cochon-b}. Il faut ensuite identifier le seuil de séparation des deux régions supposées, ici, homogènes au sens des valeurs de niveau de gris. Une estimation visuelle peut-être faite, mais on voit immédiatement que même dans une situation aussi claire, le choix du seuil n'est pas évident. Pour un traitement automatique, on peut par exemple proposer la technique itérative présentée par l'Algorithme \ref{algo-histo-cochon} qui conduit à la segmentation de la figure \ref{fig-histo-cochon-c}. L'image \ref{fig-histo-cochon-d} est l'image initiale, corrompue par un bruit gaussien de moyenne nulle et d'écart type 25 . Les résultats de la segmentation (\ref{fig-histo-cochon-c} et \ref{fig-histo-cochon-f}) de cette image sont clairement insuffisants le segment de la cible comporte des discontinuités et dans le cas de l'image bruitée, des pixels orphelins épars demeurent en quantité. Cette technique nécessiterait une étape supplémentaire pour disposer d'une segmentation pertinente.
92 \subfigure[Image initiale comportant deux zones : le fond et le cochon (la cible)]{\label{fig-histo-cochon-a} \includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/cochon256.png}}\quad
93 \subfigure[Histogramme des niveaux de gris]{\label{fig-histo-cochon-b} \includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/seg_histogramme/histo-cochon256.png}}\quad
94 \subfigure[Image binaire représentant la segmentation. Seuil estimé à 101 après 4 itérations.]{\label{fig-histo-cochon-c} \includegraphics[width=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/seg_histogramme/cochon256-seghisto-101-255.png}}\\
95 \subfigure[Image initiale bruitée]{\label{fig-histo-cochon-d} \includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/cochon256-sig25.png}}\quad
96 \subfigure[Histogramme des niveaux de gris]{\label{fig-histo-cochon-e} \includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/seg_histogramme/histo-cochon256-sig25.png}}\quad
97 \subfigure[Image binaire représentant la segmentation. Seuil estimé à 99 après 5 itérations.]{\label{fig-histo-cochon-f} \includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/seg_histogramme/cochon256-sig25-seghisto-99-255.png}}
98 \caption{Segmentation d'une image en niveaux de gris de 128 $\times$ 128 pixels par analyse simple d'histogramme. Colonne de gauche : image d'entrée. Colonne centrale : histogramme des niveaux de gris. Colonne de droite : résultat de la segmentation.}
99 \label{fig-histo-cochon}
103 \SetNlSty{textbf}{}{:}
104 \SetKwComment{Videcomment}{}{}
105 \caption{Calcul du seuil de séparation des segments de l'histogramme.}
106 \label{algo-histo-cochon}
107 $\overline{h} \leftarrow $ histogramme sur l'image \;
108 $S_{init} \leftarrow 128$ \;
109 $S_k \leftarrow S_{init}$ \;
110 $\epsilon \leftarrow 1$ \;
111 \Repeat{$\|S_k - \frac{1}{2}(\mu_{inf} + \mu_{sup})\| < \epsilon $}{
112 $\mu_{inf}=\displaystyle \frac{\displaystyle\sum_{i<S_k}h_ii}{\displaystyle\sum_{i<S_k}h_i}$ \;
113 $\mu_{sup}=\displaystyle \frac{\displaystyle\sum_{i\geq S_k}h_ii}{\displaystyle\sum_{i\geq S_k}h_i}$ \;
114 $S_k = \frac{1}{2}(\mu_{inf} + \mu_{sup})$ \ ;
118 \subsection{Analyse de graphe}
119 Un autre formalisme qui a généré une vaste classe d'algorithmes de segmentation est celui des graphes et repose sur l'idée que les régions de l'image sont représentées par les n\oe uds du graphe, alors que les liens traduisent les relations de voisinage existant entre les régions.
120 L'idée de base est d'initialiser le graphe avec un n\oe ud pour chaque pixel. La segmentation est obtenue par simplification itérative du graphe, en évaluant les liens et en déterminant ceux à supprimer et ce, jusqu'à convergence.
121 L'essentiel de la problématique réside donc dans la métrique retenue pour évaluer les liens ainsi que dans le critère de sélection et là encore, la littérature regorge d'une grande variété de propositions.
122 Nous pouvons retenir que les premières d'entre elles, qui n'étaient pas spécifiquement dédiées à la segmentation d'images numériques mais au regroupement d'éléments répartis sur un domaine (1D ou 2D), ont été élaborées autour d'une mesure locale des liens basée sur la distance entre les éléments. La réduction du graphe est ensuite effectuée en utilisant un algorithme spécifique, comme le \textit{minimum spanning tree}, dont l'application a été décrite dès 1970 dans \ref{slac-pub-0672} et où il s'agit simplement de supprimer les liens \textit{inconsistants}, c'est à dire ceux dont le poids est significativement plus élevé que la moyenne des voisins se trouvant de chaque coté du lien en question.
123 L'extension a rapidement été faite aux images numériques en ajoutant l'intensité des pixels au vecteur des paramètres pris en compte dans l'évaluation du poids des liens.
124 D'autres critères de simplification ont aussi été élaborés, avec pour ambition de toujours mieux prendre en compte les caractéristiques structurelles globales des images pour prétendre à une segmentation qui conduise à une meilleure perception conceptuelle.
125 Le principe général des solutions actuelles est proche de l'analyse en composantes principales appliquée à une matrice de similarité qui traduit les liens entre les segments.
126 On peut citer, par ordre chronologique, les méthodes reposant sur le \textit{graphe optimal} de Wu et Leahy \ref{wulealy_1993} et plus récemment \ref{cf_notes x5}. Le principal point faible de ces techniques réside essentiellement dans la difficulté à trouver un compromis acceptable entre identification de structures globales et préservation des éléments de détails. Cela se traduit dans la pratique par un ensemble de paramètres à régler pour chaque type de segmentation à effectuer.
127 Cependant, elles sont employées dans les algorithmes de haut niveau les plus récents, comme nous le verrons plus loin.
128 La figure \ref{fig-graph-cochon} montre un exemple de l'application de l'algorithme \textit{normalized cuts} décrit dans \ref{sm-ncuts pami2000} et implémenté par Cour, Yu et Shi en 2004. Cette implémentation utilise des valeurs pré-établies des paramètres de calcul de la matrice de similarité produisant de bonnes segmentations d'objets et/ou personnes dans les images naturelles, mais requiert de prédéterminer le nombre de segments à obtenir. Les images de la figure représentent les résultats obtenus avec un nombre de segments variant de 2 à 5 et montrent qu'il difficile de trouver un compromis acceptable. Enfin, les temps d'exécutions peuvent devenir très rapidement prohibitifs, même avec des implémentations plus optimisées. Pour information, les résultats de la figure \ref{fig-graph-cochon} ont été obtenus en 1.5~s environ (Matlab R2010 sur CPU intel core i5-2520M @ 2.50GHz - linux 3.2.0)
131 \subfigure[$s = 2$]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/graphe/cochon128_ncuts_2seg.png}}\quad
132 \subfigure[$s = 3$]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/graphe/cochon128_ncuts_3seg.png}}\\
133 \subfigure[$s = 4$]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/graphe/cochon128_ncuts_4seg.png}}\quad
134 \subfigure[$s = 5$]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/graphe/cochon128_ncuts_5seg.png}}
135 \caption{Segmentation d'une image en niveaux de gris de 128 $\times$ 128 pixels par simplification de graphe de type \textit{Normalized cut} pour un nombre $s$ de segments variant de 2 à 5.}
136 \label{fig-graph-cochon}
139 %donner l'expression générale de la matrice de similarité ?
141 \subsection{kernel-means, mean-shift et dérivés}
142 Parallèlement à la réduction de graphes, d'autres approches ont donné naissance à une multitude de variantes tournées vers la recherche des moindres carrés.
143 Il s'agit simplement de minimiser l'erreur quadratique totale, ce qui peut se résumer, pour une image de $N$ pixels, en la détermination du nombre $C$ de segments $\Omega_i$ et leur contenu, de sorte à minimiser l'expression
144 \[\sum_{i\in[1..C]}\sum_{x_k\in\Omega_i} \left(v_k-\mu_i\right)^2\]
145 où $\mu_i$ représente la valeur affectée au segment $\Omega_i$, i.e la valeur moyenne des observations $v_k$ sur $\Omega_i$, et $\displaystyle{\bigcup_{i\in[1..C]}\Omega_i=\Omega}$
147 Cette idée est très intuitive et simple, mais n'a pas souvent de solution explicite, d'autant que le nombre des segments est \textit{a priori} inconnu.
148 Dès 1965, Mac Queen a proposé l'appellation k-means pour cette procédure itérative de regroupement \ref{kmeans_1965} qui débute avec $k$ groupes d'un seul pixel\footnote{Dans son article, MacQueen ne parle pas de pixel mais de point. En effet, la méthode décrite ne visait pas à segmenter des images, mais des données de natures diverses.}
149 pris au hasard, puis d'ajouter chaque point au groupe dont la moyenne est la plus proche de la valeur du point à ajouter. La moyenne du groupe nouvellement agrandi doit alors être recalculée avant le prochain ajout.
150 Cette implémentation est extrêmement simple à mettre en \oe uvre \footnote{Même si en 1965, rien n'était simple à programmer} mais elle possède de nombreux défaut dont le principal est qu'elle ne converge pas nécessairement vers le regroupement optimal, même si on connait la ``bonne'' valeur de $k$.
151 Un autre est d'être très dépendant du choix des $k$ éléments initiaux, en nombre et en position.
153 Toutefois, vraisemblablement du fait de sa simplicité d'implémentation et de temps d'exécution rapides, la communauté scientifique s'est beaucoup penchée sur cette méthode pour en compenser les défauts, jusqu'à en faire une des plus employées, en particulier par les statisticiens.
154 On compte aussi beaucoup de variantes telles les \textit{k-centers} \ref{k_centers} et les \textit{k-médians} \ref{k_medians} qui n'employent pas la moyenne arithmétique comme expression du ``centre'' d'un segment.
155 Des solutions ont aussi été apportées pour l'estimation de $k$ en employant, par exemple, un critère de vraisemblance pour choisir la meilleure valeur de $k$ dans un intervalle donné \ref{x-means}.
156 À titre d'illustration et de comparaison, l'image du cochon a été traitée par une implémentation naïve de l'algorithme original des \textit{k-means} en donnant successivement au nombre de segments les valeurs $s=2$ à $s=5$. Les résultats sont reproduits à la figure \ref{fig-kmeans-cochon} et montrent encore une fois l'influence de $s$ sur la segmentation.
159 \subfigure[$s = 2$]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/kmeans/cochon128_kmeans_2seg.png}}\quad
160 \subfigure[$s = 3$]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/kmeans/cochon128_kmeans_3seg.png}}\\
161 \subfigure[$s = 4$]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/kmeans/cochon128_kmeans_4seg.png}}\quad
162 \subfigure[$s = 5$]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/kmeans/cochon128_kmeans_5seg.png}}
163 \caption{Segmentation d'une image en niveaux de gris de 128 $\times$ 128 pixels par algorithme \textit{k-means} pour un nombre $s$ de segments variant de 2 à 5. Chaque couleur est associée à un segment. Les couleurs sont choisies pour une meilleure visualisation des différents segments.}
164 \label{fig-kmeans-cochon}
167 Un algorithme initiallement proposé en 1975 par Fukunaga et Hostetler \ref{Lestimation_html} permet de manière plus générique de déterminer le nombre de segments, ou modes, ainsi que les points, ou pixels, qui les composent. Il cherche pour ce faire à localiser les $k$ positions ou le gradient de densité s'annule.
168 Il utilisé un voisinage pondére (ou \textit{kernel}) et détermine le centre de masse des segments en suivant itérativement le gradient de densité dans le voisinage autour de chaque élément du domaine. Lorsque l'algorithme à convergé, les $k$ segments sont identifiés et continennent chacun l'ensemble des points qui ont conduit à leur centre de masse respectif.
169 Étonnement, malgré ses qualités intrinsèques, cet algorithme du \textit{mean-shift} est resté longtemps sans susciter de grand intérêt, jusqu'à l'étude de Cheng \ref{meanshift_1995} qui en a demontré les propriétés et établi les lien avec d'autres techniques d'optimisation commme la descente/montée de gradient ou de filtrage commme le floutage.
170 Comaniciu et Peer ont alors étendu l'étude et proposé une application à la segmentation en utilisant l'espace colorimétrique CIELUV \ref{Computer Graphics by Foley, van Dam, Feiner, and Hughes, published by Addison-Wesley, 1990} et montré qu'elle permettait une meilleure identification des modes de l'image \ref{mean_shift 1999 2002}.
171 Une implémentation de la variante proposée par Keselman et Micheli-Tzanakou dans \ref{yket1999} appliquée à notre image de test fournit les résultats reproduits à la figure \ref{fig-meanshift-cochon}. Pour se rapprocher des traitements précédents, nous avons identifié, par essais successifs, les tailles de voisinage conduisant à des nombre de segments identiques à ceux des figures précedentes (de 2 à 5). Le volume minimal admis pour un segment à été arbitrairement fixé à 100 pixels.
174 \subfigure[$r=100 \Rightarrow s = 2$]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/meanshift/cochon128_meanshift_r100m100.png}}\quad
175 \subfigure[$r=50 \Rightarrow s = 3$]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/meanshift/cochon128_meanshift_r50m100.png}}\\
176 \subfigure[$r=35 \Rightarrow s = 4$]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/meanshift/cochon128_meanshift_r35m100.png}}\quad
177 \subfigure[$r=25 \Rightarrow s = 5$]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/meanshift/cochon128_meanshift_r25m100.png}}
178 \caption{Segmentation d'une image en niveaux de gris de 128 $\times$ 128 pixels par algorithme \textit{mean-shift} pour un rayon de voisinage $r$ de 100, 50, 35 et 25 pixels permettant d'obtenir un nombre $s$ de segments variant respectivement de 2 à 5. Le volume minimal admis pour un segment est fixé à 100 pixels. Chaque couleur est associée à un segment. Les couleurs sont choisies pour une meilleure visualisation des différents segments.}
179 \label{fig-meanshift-cochon}
182 Il est à noter que les segmentations basées sur des algorithmes de \textit{clustering} comme ceux que l'on vient de présenter nécessitent le plus souvent une phase supplémentaire de génération des frontières inter-segments et d'affectation de la valeur de chaque segment aux éléments qui le composent.
183 Par ailleurs, dans les deux cas du \textit{k-means} et du \textit{mean-shift}, chaque itération génère une réduction de la variance (due au moyennage) et on peut donc rapprocher ces techniques de celles de réduction de bruit par minimisation de variance.
185 \subsection{Les contours actifs, ou \textit{snakes}}
186 Contrairement aux précédentes techniques et comme leur nom le laisse deviner, les éléments constitutifs de ces méthodes sont cette fois des \textit{contours} et non plus des \textit{régions}. De fait, ils définissent nativement une segmentation de l'image.
187 Le principe général est de superposer une courbe paramétrique à l'image, le \textit{snake}, puis de lui appliquer des déformations successives destinées à rapprocher le \textit{snake} des contours de l'objet. Les déformations à appliquer sont guidées par l'évaluation d'une fonction d'énergie prenant en compte :
189 \item l'énergie interne de la courbe, fonction de son allongement de sa courbure.
190 \item l'énergie externe liée à l'image, fonction de la proximité de la courbe avec les zones de fort gradient et éventuellement une contrainte fixée par l'utilisateur comme des points imposés par exemple.
194 Ici encore, la résolution du problème revient à minimiser une fonction d'énergie sous contrainte et les diverses techniques de résolution numérique peuvent s'appliquer comme pour les autres classes d'algorithmes itératifs présentés précédemment, avec ici encore, un nombre de paramètres à régler assez important.
196 Dans sa version originale proposée par Kass \textit{et al.} en 1988 \ref{snake_kass_1988}, l'algorithme dit du \textit{snake} présente l'intérêt de converger en un nombre d'itérations assez réduit et permet de suivre naturellement un \textit{cible} en mouvement après une convergence initiale à une position donnée, chaque position de convergence fournissant une position initiale pertinente pour la position suivante.
197 Toutefois, il se montre particulièrement sensible à l'état initial de la courbe et requiert souvent de celle-ci qu'elle soit assez proche de l'objet à ``entourer'', sous peine de se verrouiller dans un minimum local.
198 La sensibilité au bruit n'est pas non plus très bonne du fait de la formulation locale de l'énergie.
199 Les ``concavités'' étroites ou présentant un goulot d'étranglement marqué sont par ailleurs mal délimitées.
200 Enfin, la fonction d'énergie étant calculée sur la longueur totale de la courbe, cela pénalise la bonne identification des structures de petite taille vis à vis de la longueur totale de la courbe.
201 La figure \ref{fig-snake-tradi-cochon} illustre ces défauts en montrant quelques états intérmédiaires ainsi que le résultat final d'une segmentation réalisée à partir d'un contour initial circulaire et des paramètres réglés empiriquement, en employant la méthode du snake original.
202 On voit que la convergence est assez rapide mais que le contour ainsi détérminé ne ``colle'' pas bien à l'objet que l'on s'attend à isoler.
205 \subfigure[Les états initial et après chacune des trois premières itérations]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/snake/cochon128_tradi_snake_it3.png}}\quad
206 \subfigure[L'état du contour après la septième itération]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/snake/cochon128_tradi_snake_it7.png}}\\
207 \subfigure[L'état du contour après la dixième itération]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/snake/cochon128_tradi_snake_it10.png}}\quad
208 \subfigure[L'état du contour après la centième itération. C'est le contour final.]{\includegraphics[height=3cm]{/home/zulu/Documents/these_gilles/THESE/codes/snake/cochon128_tradi_snake_result.png}}
209 \caption{Segmentation d'une image en niveaux de gris de 128 $\times$ 128 pixels par algorithme dit du \textit{snake}, dans sa version originale. Les paramètres d'élastictié, de viscosité, de raideur et d'attraction ont été fixés respectivement aux valeurs 5, 0, 0.1 et 5. }
210 \label{fig-snake-tradi-cochon}
213 Il est cependant possible de contrôler la finesse de la segmentation mais au prix de temps de calculs qui peuvent devenir très longs.
214 Parmi les variantes élaborées qui tentent de pallier ces défauts, les plus intéressantes sont :
216 \item le \textit{balloon snake}, conçu pour remédier au mauvais suivi des concavités en introduisant une force supplémentaire de pression tendant à \textit{gonfler} le snake jusqu'à ce qu'il rencontre un contour suffisamment marqué. Cela suppose toutefois que l'état initial de la courbe la situe entièrement à l'intérieur de la zone à segmenter et est surtout employé dans des applications semi-automatiques où l'utilisateur définit au moins une position et une taille initiales pour la courbe.
217 \item le \textit{snake} GVF (pour Gradient Vector Flow), dont le but est de permettre qu'une initialisation lointaine de la courbe ne pénalise pas la segmentation. Une carte des lignes de gradient est établie sur tout le domaine de l'image et sert à intégrer une force supplémentaire dans l'énergie totale, qui attire la courbe vers la zone de fort gradient.
218 \item les \textit{level-sets}, dont la particularité est de ne pas employer directement une courbe paramétrique plane mais de définir l'évolution des frontières comme l'évolution temporelle de l'ensemble des points d'une surface 3D soumise à un champ de force, tels que leur élévation soit constamment nulle.
219 Les propriétés des contours actifs par \textit{level-sets} se sont révélées intéressantes, en particulier la faculté de se disjoindre ou de fusionner, mais les temps de calcul très pénalisants.
220 Après la formulation initiale de Osher et Sethian en 1988 \ref{level_sets_osher_sethian_1988}, plusieurs façon de réduire le coût du calcul ont été formulées, dont les plus importantes restent les techniques dites \textit{narrow band} \ref{narrow_band_level_set} (bande étroite) qui ne calcule à chaque itération que les points dans une bande étroite autour du plan $z=0$ de l'itération courante et \textit{fast marching} \ref{fast_marching_sethian} qui s'applique dans le cas particulier d'une évolution monotone des fronts.
221 \item les \textit{snake} orientés régions, qui visent essentiellement à mieux caractériser les zones à segmenter et améliorer la robustesse vis à vis du bruit en employant une formulation de l'énergie calculée sur le domaine complet de l'image \ref{cohenSMIE93, ronfard}. Les premiers résultats confirment la qualité de cette méthode, mais la nécessité d'effectuer les calculs sur l'image entière générait des temps de traitement prohibitifs jusqu'à ce que Bertaux \textitat{et al.} proposent une amélioration algorithmique exacte permettant à nouveau un calcul en 1D, le long de la courbe, moyennant une simple étape initiale générant un certain nombre d'images intégrales \ref{snake_bertaux}. La section \ref{sec_contrib_snake} qui introduit notre contribution à cette technique en donnera une description détaillée.
224 % ne faut-il pas mieux éluder le paragraphe ci-dessous
225 \subsection{Méthodes hybrides}
226 Aujourd'hui, les algorithmes de segmentation les plus performants en terme de qualité emploient des techniques qui tentent de tirer le meilleur parti de plusieurs des méthodes ``historiques'' décrites précédemment.
227 Le meilleur exemple, et le seul que nous citerons, est le détecteur de contour et l'algorithme de segmentation associé proposé par Arbelaez \textit{et al.} en 2010 \ref{amfm_2010}. Il compose avec la constructions d'histogrammes locaux pour générer une matrice de similitude (affinity matrix) et appliquer les techniques liées à la théorie des graphes pour réduire la dimension de l'espace de représentation (calcul des valeurs et vecteurs propres). Il utilise ensuite une technique adaptée de \textit{ligne de partage des eaux} \ref{watershed} (que l'on aurait rangée avec les mean-shift) pour regrouper les segments.
228 Les résultats sont très bons et des implémentations efficaces ont dores et déjà été écrites (voir section \ref{sec_ea_gpu}.
230 %peut-être dire deux mots sur le partage des eaux (avec kmeans et meanshift) puisqu'il est employé dans gPb
