Pré-traitement des images et extraction des caractéristiques

Taxonomie des diatomées

L’identification des diatomées est habituellement faite par des spécialistes de la biologie à l’aide d’un microscope, ou d’une loupe binoculaire, par l’observation des caractéristiques visibles du frustule. La taxonomie de ces organismes est principalement basée sur les éléments morphologiques suivants :
– La forme générale du frustule: géométrie et symétrie du frustule;
– Les stries : forme des stries et leur densité;
– Le raphé : présence ou absence, position et forme générale, des terminaisons.
Il existe d’autres caractéristiques telles que les ponctuations, les stigmas, les fibules, les côtes et les épines qui sont des paramètres servant à l’identification.
Certaines de ces structures sont visibles à un grossissement de 1000x. Néanmoins, certains détails ne sont visibles qu’à l’aide d’un microscope électronique à balayage [13].

Intérêts scientifiques et applications

Les diatomées possèdent des attributs qui en font d’excellents bioindicateurs.
Tout d’abord, elles sont présentes en abondance dans la plupart des écosystèmes aquatiques et humides sur la planète. Ces organismes sont de bons indicateurs environnementaux puisqu’ils sont sensibles à la qualité de l’eau et aux variations d’autres

Intérêts scientifiques et applications 

paramètres dans leur écosystème. De plus, la structure siliceuse des diatomées est préservée, ou fossilisée, dans les sédiments aquatiques après leur mort, ce qui permet la conservation des ornementations et des caractéristiques sur lesquelles s’appuient la taxonomie à des fins d’identification. Les plus vieux fossiles de diatomées mis à jour datent du début de la période du Crétacé. Ces fossiles contribuent à l’étude des changements environnementaux et géologiques sur de grandes échelles de temps [6].
L’abondance et la distribution de certaines espèces fossiles de diatomées ont permis d’effectuer des corrélations stratigraphiques entre des régions éloignées. Les diatomées sont très utilisées pour les reconstitutions paléo-environnementales et océanographiques.
Les diatomées constituent une grande partie du phytoplancton des milieux aquatiques et contribuent largement à la fixation du dioxyde de carbone atmosphérique, et donc au cycle de carbone, ainsi qu’au cycle du silicium. Par ailleurs, les diatomées d’eaux douces sont de bons bio-indicateurs de la qualité des eaux, puisqu’elles colonisent les milieux humides tout au long de l’année et leurs réactions aux changements environnementaux sont connues.
Dans le domaine de la médecine légale, un diagnostic de noyade est parfois effectué grâce à l’identification des diatomées à l’intérieur de l’organisme de la personne décédée. Dans de telles circonstances, les diatomées présentes dans l’eau atteignent les poumons et envahissent le circuit sanguin. La présence de celles-ci dans les tissus humains permet d’affiner un diagnostic et de démontrer dans certains cas s’il y a eu un déplacement du corps et un contact avec un environnement humide. La diatomite est une roche légère, poreuse et friable formée par une grande accumulation de diatomées. Cette roche peut être exploitée par l’industrie comme abrasif léger, adjuvant de filtration, absorbant, isolant, stabilisant de la nitroglycérine dans la dynamite ou encore comme insecticide. Au Canada, les diatomées sont utilisées dans le cadre d’études paléolimnologiques lors d’études environnementales. D’autres travaux témoignent de leur importance et de leur utilisation dans des études sur le carbone organique dissous, du pH et de l’eutrophisation des rivières et des lacs [la] .

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons introduit les caractéristiques biologiques des diatomées d’une façon générale. Cela nous a permis de connaître leur anatomie et d’autres aspects biologiques, qui seront utilisés dans ce mémoire. Nous signalé l’importance des diatomées dans plusieurs domaines scientifiques ainsi que dans l’industrie. Leur contribution dans des contextes environnementaux, en paléontologie et en médecine légale justifie l’importance de les étudier.
Dans le chapitre suivant, nous présentons un survol des travaux et des études portant sur l’identification et la classification automatiques des diatomées. Nous verrons différentes approches visant le traitement et la classification des images de diatomées. La plupart de ces travaux sont orientés vers l’analyse géométrique des formes des diatomées. Néanmoins, les structures internes sont aussi prises en considération dans certains travaux.

Opérateurs morphologiques

La morphologie mathématique est une théorie qui a été principalement développée dans les années 60 par Georges Matheron [17] et Jean Serra [21]. Depuis, elle a été largement appliquée au traitement et à l’analyse d’images et a fait l’objet de développements théoriques importants [26] . La morphologie mathématique utilise, en l’occurrence, la théorie des ensembles pour décrire les formes, l’algèbre (définitions d’opérateurs, filtres), la topologie (amincissement, squelettisation), les probabilités, etc. Dans le traitement des images, la morphologie mathématique est utilisée pour étudier les interactions entre une image et ses caractéristiques, cela par l’utilisation d’éléments structurants et d’opérateurs morphologiques du plan discret [16] .
On peut définir un ordre partiel entre deux images. Soient f et 9 deux images de même dimension, alors f ::; 9 {=:=:} f(x) ::; g(x) , Vx où x est un pixel dans une même position dans les images. Ici f(x) et g(x) sont les intensités de niveau de gris dans les deux images.

Opérateurs morphologiques 

Un élément structurant, ou masque, est un ensemble fini du plan discret ayant une taille relativement petite par rapport à celle de l’image. Un élément structurant possède un pixel de référence lequel sera centré (déplacé) sur chacun des pixels de l’image. Les éléments structurants les plus utilisés sont le carré et la croix tel qu’illustré à la figure 3.1. Dans ces exemples, le pixel de référence est au centre de l’élément (en noir), mais la position du pixel de référence peut varier selon les applications.
La taille d’un élément structurant est variable et dépend de la résolution désirée, ou des contraintes, lors du traitement des images dans une application donnée.

Opérateurs d’érosion et de dilatation

Parmi les opérations morphologiques, deux sont fréquemment utilisées et fort utiles. Ce sont les opérateurs d’érosion et de dilatation. Soit X un sous-ensemble d’une image J et 5 un élément structurant donné, alors l’érosion de X par l’élément structurant 5 est l’ensemble; c(f) = {x 1 Vs E 5, x + s EX}. (3.4)
L’opérateur dual de l’érosion est la dilatation et on obtient l’ensemble ; o(f) = {x + six E X et sE 5}. (3.5)
Les expressions érosion et dilatation décrivent bien les effets sur une image de ces deux opérateurs. Des exemples de ces opérations sont illustrés à la figure 3.2 avec comme élément structurant la croix (voir figure 3.1) .
Étant donné que 0 et c sont des opérateurs duaux, alors c(f)C = o(r). Par ailleurs, l’érosion n’est pas l’opérateur inverse de la dilatation et vice versa. En effet, puisque plusieurs images peuvent avoir le même ensemble construit suite à une érosion ou à une dilatation, il est impossible de retrouver les images originales après leurs transformations en l’absence de fonctions inverses.

Ouverture et fermeture

L’érosion et la dilatation sont les opérateurs morphologiques les plus simples et si on les compose, ils peuvent produire des résultats d’une grande complexité. Leur application dans un ordre donné, définit les opérateurs morphologiques d’ouverture et de fermeture.
L’ouverture ‘Y(f) d’une image f est obtenue par une érosion suivie d’une dilatation, c’est-à-dire ‘Y(f) = O(é(f)). (3.6)
La fermeture <p(f) , ou la clotûre, d’une image f est obtenue par une dilatation suivie d’une érosion, c’est-à-dire <p(f) = é(o(f)) . (3.7)
Il est important, lors de l’application successive des opérateurs de fermeture et d’ouverture, d’utiliser le même élément structurant. Les opérations d’ouverture et de clôture sont d’une grande utilité en traitement de l’image. En l’occurrence, ces opérations permettent l’élimination du bruit sur les contours lors des étapes de prétraitement. L’ouverture accentue la frontière des objets tandis que la fermeture.
Filtres permet la connexion de composantes non connexes. Des exemples d’utilisation de ces opérations sont illustrés à la figure 3.3 et pour lesquels l’élément structurant utilisé est la croix.Ouverture et fermeture
L’érosion et la dilatation sont les opérateurs morphologiques les plus simples et si on les compose, ils peuvent produire des résultats d’une grande complexité. Leur application dans un ordre donné, définit les opérateurs morphologiques d’ouverture et de fermeture.
L’ouverture ‘Y(f) d’une image f est obtenue par une érosion suivie d’une dilatation, c’est-à-dire ‘Y(f) = O(é(f)).
La fermeture <p(f) , ou la clotûre, d’une image f est obtenue par une dilatation suivie d’une érosion, c’est-à-dire <p(f) = é(o(f)) . (3.7)
Il est important, lors de l’application successive des opérateurs de fermeture et d’ouverture, d’utiliser le même élément structurant. Les opérations d’ouverture et de clôture sont d’une grande utilité en traitement de l’image. En l’occurrence, ces opérations permettent l’élimination du bruit sur les contours lors des étapes de prétraitement. L’ouverture accentue la frontière des objets tandis que la fermeture Filtres 16 permet la connexion de composantes non connexes. Des exemples d’utilisation de ces opérations sont illustrés à la figure 3.3 et pour lesquels l’élément structurant utilisé est la croix.

Filtres

Dans cette section, nous présentons une brève description des filtres utilisés dans le présent travail.

Filtre gaussien

Le filtre gaussien ou gaussien blur est une méthode de lissage très courante qui utilise une fonction gaussienne discrète dans le but de réduire le bruit et d’atténuer certains détails dans une image. Généralement, ce filtre est appliqué lors d’une étape de prétraitement. À la figure 3.4 nous montrons les résultats de l’application d’un filtre gaussien à une image en utilisant des fenêtres de tailles variées pour en apprécier les effets.

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Table des matières

Introduction
1 Les diatomées
1.1 Anatomie
1.2 Aspects biologiques
1.3 Taxonomie des diatomées
1.4 Intérêts scientifiques et applications
1.5 Conclusion
2 État de l’art
2.1 Survol sur la classification d’images de diatomées
2.2 Conclusion
3 Traitement des images : un survol des méthodes
3.1 Opérateurs morphologiques
3.2 Filtres
3.3 Segmentation
3.4 Conclusion
4 Pré-traitement des images et extraction des caractéristiques
4.1 Pré-traitement des images
4.2 Extraction des caractéristiques
4.3 Conclusion
5 Résultats 
5.1 Extraction de la diatomée
5.2 Identification des caractéristiques
5.3 Conclusion
Conclusion et travaux futurs
A Mathématiques de base 
B Implémentation 
B.1 Prétraitement des images. 
B.1.1 Extraction de la diatomée 
B.1.2 Amélioration du contraste 
B.1.3 Rotation et recadrage  
B.2 Extraction des caractéristiques

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