TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 7, July 201 3, pp. 3641 ~ 3647   e-ISSN: 2087 -278X           3641      Re cei v ed  Jan uary 22, 201 3 ;  Revi sed Ap ril 6, 2013; Accepte d  April 1 8 , 2013   A Gravitational Edge Detection for Multispectral Imag es      Gen y un Sun*, Zhenjie Wang   Coll eg e of Geo -resourc e s and  Information,   Chin a Un iversit y  of Petrol eum  (East Chin a), Qingd ao Sh an don g, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : gen yu nsu n @ 163.com       A b st r a ct   Gravitation a l e dge  detectio n  i s   one of the  ne w  edge d e tecti on al gor it h m s that is bas ed o n  the la w   of gravity. T h is  alg o rith m ass u mes t hat e a c h  i m ag e p i xel  i s  a cel e stial  bo dy w i th a mass  repres ented  b y  its  graysca le int e nsity and th eir  interactio ns a r e base d  on  t he New t oni an  law s  of gravity. In this article ,  a  mu ltisp e ctral v e rsio n of the  algor ith m  is  introduc ed.  T he metho d  us es grav itati ona l techn i q u e s in   combi natio n w i th metric tens or to det ect e dges  of  multis pectral  i m ag es  incl udi ng c o l our i m ages. T o   eval uate th perfor m a n ces  of the pro p o sed  alg o ri th m, sever a e x peri m e n ts ar e perfor m ed.  T he  exper imenta l  results confir m t he efficie n cy of   the mu ltispectr al grav it ation a l edg detecti on    Ke y w ords : ed ge detecti on, i m a ge pr ocessi ng, gravity, seg m e n tatio n         Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Edge d e tecti on is the  pro c e s s of lo cali zing  pixel int ensity tra n siti ons. T he  su cce s s of  edge d e tecti on provides  a good b a si s for the per f o rma n ce of highe r level image p r o c e s sing   tasks, such a s  obj ect  reco gnition, targ et tracking,   and  segm entatio n. Over  the y ears, the ta sk of  detectin g  e d ges in  gray valued  ima ges is very  well  kno w n ,  and  ha been  tho r ou ghly    s t udied [1-3].   Neverth e le ss,  these m e tho d have to  e x tend to   colo r, multispe ctral an d hyp e rspe ctal   image s. In re cently, the d e v elopment  of sen s o r makes m u ltispect ral images usual obj ect s  for   analysi s . On e of the most importa nt tools fo r worki ng with  multispe ctral  images i s   edge   detectio n  [3-4 ]. However, a s  long a s  the task of  dete c ting edg es i n  gray value d  image s is very  well kno w n, the sam e  pro b lem for mult ispe ctral im a ges i s  mu ch l e ss well d e fined [3]. Although   some m e tho d s for m u ltib and ed ge det ection h a ve b een p r opo se d, most of them are  only valid  unde r ce rtain  condition s, o r  are only u s e d  for three ba nd colo ur ima ges [5]. The popul ar meth od   is applyin g  the Lapla c e of  Gau ssi an (L OG) filter  to  all cha nnel s, then the re su lts are  summ ed   and thre sh old i ng take s pla c e on this ima ge [5]. While  DiZen z o [6] shows that the ways of finding   edge s by co mbining the  output of differen c e o per a t ors in ea ch  comp one nt does n o t actu ally  coo perate  with on e a nothe r. He  con s ide r ed  the m u lti-dimen s ion s   a s  a  vecto r  fiel d an d fou nd t h e   tens or gradient [7]. In ref [8], W. H. Baker  con s ide r  t he p r oble m  i n  feature spa c e, he  uses  LOG   filter in combi nation with di stan ce mea s ure s , su ch a s  the Euclidea n distan ce, to  detect edg es of  hyperspe c tral  images. Th e method is simply and  effective, howeve r  it will misse s so me  importa nt ed ges. Simila rly, Kang [9] defines an  obje c tive function  to detect ed ges of g r ay-l evel   image s a nd  extend it to color im age. T h is al go rithm  can  elimin ate dou ble  edg es,  spe ckl es  to  some  extent,  but it will  get t h icker ed ge f o r n a ture ima ges.  Cum ani  [4] sug g e s ts t he exten s io of  pro c ed ures  b a se d on th seco nd-order   derivatives of  the imag es f unc tio n s. T h i s  op erator i s   one   of the funda mental works in m u ltisp e ctral   edg detectio n . Th e multi-dim e nsio nal g r adi ent  method i s  al so extende d b y  Sylvain Roussea u  [ 10]. In re cently, althoug h there  prop osed  so me  new e dge d e tection fo r multispe ctral image s [11- 1 2 ], it is still  a chall eng e for multisp e ctral   image s edg e detectio n .    Re cently, we have pro p o s e d  a new meth od for edg e detection (GE D ) ba se d on the law  of universal  gravity [13].  Even if the original  ve rsi o n of GED wa s improved b y  C. Lopez [ 14]  based o n  the  triangul ar  no rms, it suffer  the two  p r obl ems a s  m enti oned  above.  The go al of this  pape r i s  to fi nd ways to  o v erco me the   probl em s a s sociate d  with  the g r avitation a l metho d  an d   extend it to  multispe ctral  image s. The   basi c  id ea of  the propo se d metho d  co me from th at, for   each com pon ent the spatia l information  sho u ld be in v o lved. In this way, we tune  the param eters  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X     A Gravitatio n a l Edge Dete ction for Multi s pe ctral Im ag es (Gen yun S un)  3642 to achieve th e best po ssib le edge d e tector for  every  comp one nt, and then utilize the detecto r to   get edge  ma gnitude of e a c comp one n t. Then co nsi der  the m u ltispe ctral im ag es a s  a ve ctor  field to fuse t he re sult s co mbined  with  metric te nsor [6, 10]. The improve d  me thod ca n offe rs   different ma sks acco rdi n g  to different  comp one nts  and ove r com e  the la rge  kernel  proble m s.   Experiment s indicate that the app roa c i s  effective for multispe ctral  images.   The  re st of th e pa per is organi zed  as th e fo llo wing: t he la w of  uni versal  g r avity is  brie reviewed in  Section 2. T hen, the alg o rithm of  the  propo se d e dge dete c tor is pre s ente d  in   se ction 3. Fu rtherm o re, a pplication s  of the pr e s e n ted algo rithm  are given i n  Section 4.  The  perfo rman ce  is illustrate d using a  numbe r of real image s.  Both noise  free and n o isy  contami nated  image s a r e  use d  for th e experi m ent s. Finally, concl u si on s a r e p r e s ente d  in   Section 5.       2. The Grav it ational Edge Detection  In this se ction ,  we introd uce a brief  revie w   of gravitational ed ge d e te ction [14]. A s  state d   by Newto n  in  the Law of Universal G r avity [ 15], anybody attract s  ever y othe r body by a force  proportional to the product  of thei r masses as illustrated in Figure 1:      r 2 m f f 1 m     Figure 1.  Ne wton' s law of  universal g r a v itation      More  con c retely, the force  is given by:    3 2 1 2 2 1 12 r r m Gm r r m Gm f    (1)     whe r e   12 f  is the force on o b j ect 1 due to obje c t 2, G is the gravitational con s tant,  1 m   and   2 m  are the  masse s  of th e obje c ts 1 a nd 2,   r  is the  vector  con n e c ting the p o si tions of the  mass .    To con s tru c an ed ge  dete c tor, eve r y pi xel is a s sume d to be  an  ob ject, which  ha some   relation shi p  with other pixel s  within its n e i ghbo rh o od th roug h gravitational force s . For ea ch pixe l,  the mag n itud e an d the  direction  of the   vector of  the   sum  of all th e  gravitation a force s  the pix e exerts o n  its  neigh borhoo d ,  conveys the  vitally  important inform ation abo ut an  edge  stru ctu r e.  Now considering that the  nei ghborhood of a pixel  (i,  j)   will be restricted to a   wind ow, the   resulting force assigned to it will be:    ) , ( ) , ( & ) , ( , ; , , j i l k l k y F x F f f y x l k j i j i  (2)      whe r e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              e-ISSN:  2087 -27 8 X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 7, July 2013  : 3641 – 364 7   3643 2 , , , ; , r r m Gm f l k j i l k j i                         (3)    ) , ( ) , ( & ) , ( ) , ( ) , ( & ) , ( , ; , , ; , j i l k l k f F j i l k l k f F y l k j i y x l k j i x  (4)     3 2 1 , ; , 3 2 1 , ; , ) ( ) ( r j l m Gm f r i k m Gm f x l k j i x l k j i  (5)     Eq. (3-5)  co mpri se s the  core of th method,  in  th e sense that  it provide s  t he way of  obtainin g  pix e l (i, j )  e dge   intensity,  x F and   y F with th e di rectio n of  x a nd y  re spe c ti vely for  every pixel in the image [13 ]. Finally, the  edge ma gnitu de ca n be co mputed a s  follows:    ) arctan( ) ( ) ( 2 2 y x y x F F F F F  (6)     The pri n ci ple  of gravitation a l method ca n be implem e n ted as follo ws:  1) F o r ea ch ima ge  p o int ) , ( j i g , we   co nsid er an   m×n  nei ghb orho od with  pixels ) , ( ) , ( & ) , ( j i l k l k . For each p o int, the gravitationa force of the  point exert s  on   its neigh bori n g pixels which is co mpute d  usin g Eq. (2);   2) Get the ed ge stre ngth with Eq. (6).  Theo retically, gravitational  method bel o ngs to  the  cl ass of soft computing  alg o rithm s   [16]. Sun et al. [13] gave a co mpa r ative  study betwee n  the me thod  and a small  numbe r of we ll- kno w n edg e detectio n   alg o rithm s The results su gge st  that this  a ppro a ch  which is i n spire d   by  the law of gra v ity has merit in the field of edge dete c ti on       3. Multispectral Gr av itational Method  Although tra d i tional ope rat o rs  are ve ry efficient, their efficiency i s  not well pre s erve d   once they a r e su bje c ted t o  the an alysi s  multi s pe ctral image s. E a rly ap pro a ches to  dete c t i ng   discontin uities in multi s pe ctral ima g e s   attempted to  combi ne the  respon se of  edge d e tect ors  applie d sepa rately to ea ch  of the imag e  com pon ent. While th ese  method suffered  from  so me  probl em s a ccordin g to  abo ve analy s is. I n  this pa per,   we  wo uld  ch oose a  metri c  ten s o r   on t he  feature  sp ace  com puting t he g r adie n t a s  de scri bed  b y  [6] and furt her  used in [ 10] su mma rized   as  follows :   An m-band  i m age  is ind e ed b e   rep r e s ented  by fun c tion  m R R f 2 :  that m aps a  point  ) , ( y x p  in the image pla ne to an m-ve cto r )) , ( ),..., , ( ( 1 y x f y x f f m , obviously, for  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X     A Gravitatio n a l Edge Dete ction for Multi s pe ctral Im ag es (Gen yun S un)  3644 a colo r imag e, m=3. Let  ) ,..., ( 1 1 x f x f f m  and ) ,..., ( 1 2 y f y f f m . A tensor T is then   introdu ce d:    ) ( ) ( 2 2 2 1 2 1 2 1 H F F K f f f f f f T  (7)     The eige nval ues of T are given by:    2 2 4 ) ( 2 F H K H K  (8)     and the eig e n v ectors are:    ) sin , (cos  (9)     W h er   2 ) 2 arctan( 2 1 H K F  (10 )     The  eige nvectors of m a trix  T p r ovide  the  di rectio of  maximal  a n d  minimal ch an ges  at a   given point P = (x, y) in the  image, an d the ei ge nvalu e s a r e the  co rre sp ondi ng rates of chan ge.   is  calle d the  dire ction  of m a ximal chang e and    the maximal rate  of  cha nge. Simi larly,     and   are the  dire ction of  minimal chan ge and th m i nimal rate  of chan ge, re spectively. For  mono ch romat i c ima g e s ,     is  co rre sp on ding to th e g r adie n t. The  eigenvalu e  ca n be   extended to l o cate e dge p o int of color i m age.  Based  on the abov e equatio n, we propo se d   a   multispe ctral image ed ge d e tection. The  gradi ent is e s timated as fol l ows:    ) ( g  (11 )     Whe r  is eigen value s  of matrix T in eq uation (3.6 ).   (1) A c cordi n g to what m entione d abo ve, the entire algo rithm for ed ge dete c tion of   multispe ctral image s ca n b e  impleme n te d as follo ws:   (2)  For ea ch imag e poi nt ) , ( j i g , we  con s ider  an m × n neig hbo rh ood    with   pixels ) , ( ) , ( & ) , ( j i l k l k .   (3)  Use e quat ion (2 ) to  co mpute the  gravitational force of the  poin t   ) , ( j i g  exerts o n  its  neigh bori ng p i xels for ea ch  multispe ctral  image co mp onent.   (4)  Comp ute the magnitu de  of gradient u s ing e quatio n  (11)  (5) Set an ap prop riate thre shol d to prod uce a n  edg e map.      4. Results a nd Discu ssi on     The prim ary  goal of this  pape r is to e x tend  the gravitational m e thod to mult ispe ctral  image s.  In  t h is se ction we de scribe  the  re su lt s o f  our  experi m ents. Both   colo r ima g e s  and  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              e-ISSN:  2087 -27 8 X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 7, July 2013  : 3641 – 364 7   3645 remote  se nsi ng imag es  are used. The  colo r Le na i m age  (Figu r e  2(a )) h a so me ch allen g i n g   feature s  fo edge  dete c to rs. F o r in sta n ce,  sh ado ws o n  the  face an d bl urry ba ckgro und  are   difficult to pro c e ss. T he mu ltispe ctral im age (Fig u r e 3 ( a)) is  a com p lex scen e which  co nsi s ts  of   31 sp ectral b and s [17].  We have  selected the  CVVEFM and Kang  operators proposed in  recently fo r   comp ari s o n with 3×3 ke rn el size  sin c e they prod uce better re sult s [9, 18]. In  ord e r to sho w  th e   sup e rio r ity of the propo se d method,  a  simple  edg e dete c tion  scheme  is  a dopted,  whi c h is  comp osed of  gradie n t est i mation and  threshol di ng.  Smoothing  and po stprocessing meth ods  (e.g. no maxi ma supp re ssion, thinnin g are  not u s e d  in this secti on. Fo simpl i city, this pa p e r   utilizes fixed threshol d [19].   Figure 2. Shows col o r L ena ima ge a nd gradi ent  i m age with 3×3 ke rnel size.  All  gradi ent ima g e are  no rma lized  with  re spect to th eir  maximum val ues and  thre shol ded  at le ve 0.1. Figure 2 ( b)  sh ows th at t he propo sed  metho d   detect s  the  e dge s corre c tly. Howeve r,  the  conventional  method  and CVVEFM  me thod cannot extract smooth  ed ges  (e.g. ,  vertical  sm ooth   line on th e le ft side of the  image ) a s   shown in Fi gu re 2 ( d )  an d (e), re sp ective ly. Figure 2.  (c)  sho w s that smooth ed ge s at lowe r rig h t  corn er  se e m  to vanish  and  cann ot d e tect the ed g e  in   the hat.        Next we will consi d e r  the multispe ctral  image whi c h is big ger t han thre e ba nds (Figu r 3(a)). Fi gure  3(c) i s  the result of  CVVEFM me thod applied  on the band 1, band 3 and  band 4   sin c e it is use f ul for three-b and imag es o n ly.  Figure 3(d) and (b) sh ows the re sul t s of Kang an d   the pro p o s ed  method, re spectively. From the  re sul t s, we  see t hat, some  e dge s could  be  detecte d in t he multispe ctral ima ge (Fi gure  3. 2(b)) that wa s n o t deter mi ned i n  the thre e-b and  image (Fi g u r e 3(d )). In co ntrast, the ed ge image of  Kang (Fig ure 3(d )) is p o o r       (a)       (b)     (c )     (d)     (e)     Figure 2. Co mpari s o n with different me thods fo r “len a” imag e with  3×3 ma sk  (a) the o r igin al “lena ” imag e; (b) the ed g e  map  by usi ng the pro p o s ed me thod  (c) the re sult of  the Kang met hod (d) the  result of CVVEFM method; (e) the  result of conventional method.  (Gradie n t images a r e thresholde d at their 10% of their maximum value).       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X     A Gravitatio n a l Edge Dete ction for Multi s pe ctral Im ag es (Gen yun S un)  3646   (a)       (b)     (c )     (d)     Figure 3. Co mpari s o n with different me thods fo r multispe ctral  rem o te sen s in g image with 3 × mask (a ) the  origin al multispce c tral im ag e; (b ) the ed g e  map by usi ng the pro p o s ed method  (c)  the result of the CVVEFM  method (d) the resu lt of Kang method. (Gradi ent images are  threshold ed a t  their 10% of their maximu m value).       5. Conclusio n  and Futu r e  Rese arch   In re ce nt yea r s, va riou al gorithm s fo edge  dete c tio n  have  be en  develop ed. G E D i s  a   new al gorith m  whe r e it is co nstructe d based on  the law of Gravity. To the best of our  kno w le dge,  GED alg o rith m has  not ye t been a pplie d to multisp e c tral im age  p r ocessin g  task up  to date. In this arti cle, a m u ltispe ctral ve rs io n of GED  has b een int r odu ced. Fo each co mpo n e n t   of input im ag e, the GE D’s output i s  d e t ermine d an d  then, results are  combin ed to  com p u t e   gradi ents in v e ctor imag e. The p e rfo r ma nce  of  the  p r opo sed algo ri thm  is comp a r ed with  ma ny  recently developed  methods, including t he Kang  and CVVEFM detecto rs. It is  evident from  the   obtaine d re sults that the  algorith m  is  p r odu cin g   resu lts co ntainin g  most of th e i m porta nt edg es  for all images.      Ackn o w l e dg ments   This  study  was  su ppo rted  by Chi n e s Natural S c ien c e F oun datio n Proj ect  (41 0012 50),   the Fu ndam ental  Re sea r ch  Fun d s fo r the  Centra l Unive r sitie s  of China  (grant  num be r:  10CX0 400 8A  ) an d  the  project "L and S u rface Mo del i ng an d Data  Assimil a tion  Re sea r ch" (g rant  numbe r: 200 9AA1221 04) f r om the natio nal high -tech prog ram  (86 3 )  of China       Referen ces   [1]  Z .  Hou and T S   Koh. Rob u st e dge d e tectio n.  Pattern Recognit . 2003; 3 6 : 2083- 209 1.   [2]  Hank an Gura Sene l. Gradie n t  estimation us i ng  w i de s upp o r t operators.  IEEE Transactions on I m ag Processi ng . 20 09; 18(4): 8 67- 878.   [3]  S Verzakov, P Paclik, RPW  Duin.  E dge  De tection i n  H y p e rspectra l  Im a g in g: Multivar i a te Statistica l   Appro a ch es.  Structural, synta ctic and statisti cal pattern rec ogn ition . 2 006;  4109: 5 51-5 5 9 .   [4]  A Cuma ni. Ed ge d e tectio n i n  multisp e ctral  i m ages.  Gra phi cal  mo dels  an d Image  Proce ssing . 10 01;  53(1): 40- 51.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              e-ISSN:  2087 -27 8 X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 7, July 2013  : 3641 – 364 7   3647 [5]  Rah ani as PE, Venetsa no pou l o s AN. Vector or der statistics  operators as  color e dge  det ectors . IEEE  T r ansactio n s o n  Systems, Ma n, and Cyb e rn etics . Part B: C y b e rn etics. 199 6; 26(1): 13 5-1 43.   [6]  S Di Z enzo. A  note o n  t he  gradi ent of a mu l t i-image.  C o mp uter Vis, Graph ics, and I m a g e  Processi ng 198 6; 33(1): 11 6-12 5.  [7]  Sarif Kumar  N a ik, CA M u rth y . Stan dar dizat i on  of ed ge m agn itud e in  col o r ima ges.  IEEE Trans. on  Imag e Process i ng . 20 06; 15( 9 ) : 2588-2 5 9 5 .   [8]  W H  Bakker, K S  Schmi d t. H y persp ectral  ed ge fi lt erin g for   measuri n g  h o m oge neit y   of s u rface c o ver   t y pes.  ISPRS Journ a l of Photo g ra mmetry & Remote Sens in g . 2002; 56: 24 6 - 256.   [9]  Chu ng-C h ia K ang, W en-J u n e  W ang a. A nove l  ed ge d e tectionm etho d bas ed o n  thema x imizi n g   obj ective functi on.  Pattern Re cogn ition . 2 007 ; 40: 609-6 18.   [10]  S y lv ai n Ro uss eau, D a vi d H e lbert, Phi l i ppe   Carré.  Metric t ensor f o multi c ompo nent  ed ge d e tectio n Procee din g s o f  2010 IEEE 1 7 th Internati o n a l Co nf ere n ce  on Imag e Pro c essin g . Septe m ber 26- 29 ,   201 0, Hon g  Ko ng.   [11]  Harald van  der Werff, Frank van  Ruitenbeek. Ma rk van  der Meijde  etc.: Rotation-Variant T e mplate  Matchin g  for  Superv i sed  H y persp ectral B o und ar y D e tecti on.  IEEE GEOSCIENCE A ND REMOTE  SENSING LETTERS . 2007; 4 ( 1): 70-74.   [12]  Rog a ÿ C, et al . H y p e rspectra l  boun dar det ection b a se d o n  the Bus y n e s s  Multipl e  Corr elati on Ed ge   Detector  and   Alternati ng V e ctor F i eld  Co n v olut i on s nake s . ISPRS Jour nal  of Ph otogr ammetr y an d   Remote Se nsi ng. 201 0; 65(5) : 468-47 8.  [13]  G Sun, Q Liu,  Q Liu, C. Ji, X Li. A novel a p p r oach for ed ge  detectio n  bas e d  on the the o r y  of universa l   gravit y .   P a ttern  Recog n itio n . 2 007; 40( 10): 27 66-2 77.   [14]  C Lop ez-Mol i n a , H Bustince,  J F e rnand ez, P Couto  a nd B  De Baets. Agr a vitatio nal  appr oach to e d g e   detectio n  bas e d  on trian g u l ar  norms.  Pattern  Recog n itio n . 2 010; 43( 11): 37 30-3 741.   [15]  I Ne w t o n . Phi l o sop h ia Natu ralis Pr inci pi Mathemat ic a. Univers i t y   of C a lifor nia, 19 99,   orig in al 16 87,  translati on g u id ed b y  I. B. Cohen.   [16]  Amir Atapour  Abargh ou ei,  Af shin Ghan izad eh, Siti  Mari yam Sh a m sudd in. Adv ances of Sof t   Comp uting Met hod i n  Edg e  D e tection.  Int. J.  Advance. Soft Com p ut. Appl . 200 9; 1(2): 162 -203.   [17]  Univers i t y   of East Angli a  (U E A ). Multispectral ima ge dat ab ase.  Http:// w w w . uea.ac.uk/cmp/research /g ra ph i c svi s i o n - sp ee ch /co l ou r/ data-co de/multis pectra l -imag e -d b   [18]  B Boud aa, L h   Masmou d, D A bout a j di ne. CV VEF M: Cubica l  voxels  an d vir t ual e l ectric fie l d mod e l for   edg e detecti on  in color im age s.  Signal Proc e ssing . 20 08; 88 : 905-91 5.  [19]  Guang D e n g , Jean- Char les Pi noli.  D i fferentia tion-Bas ed Ed ge Detect i on U s ing the  Log ari t hmic Ima g e   Processi ng Mo del.  Jour nal  of Mathe m atic al Ima g i ng an d Vi sion . 19 98; 8(2 ) : 161-18 0.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.