Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   8 , No .   6 ,  Decem ber   201 8 , p p.   4253 ~ 4257   IS S N:  20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v 8 i 6 . pp 4253 - 42 57           4253       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   Low C om plexit y F luctua tion  M easurem ent in  Image  P ro cessing   Conside ring Ord er       Tareq  Kh an   School  of Engin ee ring   T ec hnolo g y ,   E aste rn   Mic higa n  Univ ersity ,   US A       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Feb   5 , 2 01 8   Re vised  Ju l   8 ,   201 8   Accepte d  J ul   28 , 2 01 8       The   stand ard   d e via ti on   ca n   m eas ure   the   spre ad  out  of  a  s et   of  n um ber s  and  ent rop y   c an  m ea sure  the   ran do m ness.  How eve r,   they   do  not  conside r  th e   orde r  of  the   num ber s.  Thi s  ca n  le ad  to  m isle ad i ng  result s  where   the   orde r  of   the   num ber s  is  vit al.  An  image  is  a   se t  of   num ber s  (i.e.  pix el   v a lue s)  th at   is   sensiti ve  to  ord e r.   In  thi s  pap er,   a  low  complexit y   and  eff i ci en t  m et hod  for  m ea suring  the   fl uct ua ti on  is  proposed  conside ri ng  the   orde r  of  the   num ber s.  The   proposed  m et hod  sum s  up   the   cha nges  of  c onsec uti v e  num b ers  and  ca n  be  used  in  image  proc essing  appl icat ions.  Sim ula ti on   show s  tha t  th e   proposed  m et ho d  is 8 to  33   ti m e s fa ster   tha n   oth e r  relat ed  works .   Ke yw or d:   Entr op y   Fluctuati on   Im age  p r ocessi ng   Stand a r d  d evia ti on   Var ia nce   Copyright   ©   201 8   Instit ut e  o f  Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Tareq K ha n,     School  of E ng i neer i ng Tec hnology,    East ern Mi chig an Un i ver sit y,    118 Si ll  H al l,  Yp sil a nti, MI  4819 7,   USA.     Em a il : t areq .khan@em ic h. ed u       1.   INTROD U CTION   Stand a r d  dev ia ti on   an d  var ia nce  [1 ]   m easur e  how  fa r  a  set   of   nu m ber s   are  sp rea d  ou t  fr om   their   aver a ge  value   and  they   giv e   an  in dicat io n  of  the   fl uctuati on  or  cha otic  na ture  of  the   nu m ber s.  For  i nst ance,  le t’s  con si der   a n  arr ay   of  num ber s ,  S 1   =  [2 ,  2,  2,   2,   9,   9,  9,   9] .  The  sta nd a rd  dev ia ti on   of   the  el e m ents  of  S 1   is  3.74   a nd  the v a riance is  14 . N ow, let ’s  reo r de r  the n um ber s  o f  S 1   and  let ’s  co ns ide r  S 2   = [ 2 ,  9 ,  2 ,  9 ,  2 ,  9 ,  2 ,  9 ] .  Fo r  S 2 ,  the  st and a r d  de viati on   is  3.7 4   a nd  the  va riance   is  14 .  H ere,  we  see  that  sta nd a r d  de viati on   a nd  var ia nce  do  no t  change  eve n  if  the  num ber s  are  re order e d.   The  num ber s  in  S 2   has  m or e  changes  with  r espect   to  it s  nex t  num ber   than  in  S 1 ,  an d  S 2   fl uc tuate s  m or e  than  S 1 .  H owe ver,  sta ndar d  dev ia ti on  a nd   var ia nce  cannot   ac know le dg e t his  diff e ren ce .    Let ’s  c onsider  a  2D  case  o f  num ber s.  An  im age  is  a  2 D   ar r ay   of  num ber s i.e. p ixel value s  [ 2 ] .  Fi gure   1a  a nd  Fig ure   1 b  s hows  t wo  arti fici al   i m ages  w her e   they   ha ve  the   sam e  nu m ber   of  wh it e  an d  black   pi xels.  In  an  8  bit  gray scal e  i m age,  the  wh it e  pix el   ha s  the  value  of  255  an d  the  bl ack  pix el   ha s  the  value  of   0.   Fig.  2a   and   Fi g.   2b  shows  tw o  nat ural   gr ay scal e  im ages  hav i ng   diff e re nt  te xtu r es.  The  sta nda rd   de viati on,  va riance ,   and  ent ropy  of   the  im age   pixe ls   in  Fig ure   1  an d  in  Fig ure   2  a re  s how n  i n  Ta ble  1   an d  in  Ta ble  2   na m el y.   Fr om  Tab le   1 , we see t hat the  stand a r d dev ia ti on , va riance,   and ent ropy [3 ] - [5 ]   of   Fig ur e   1a  a nd Fig ure   1b are   exactl y  the   sam e.  Ho we ve r,  intuit ively   Fi gure   1b  is  m o re  r an dom   or   unpredict able  than  Fi gure   1a .   Fr om   Table  2 ,   we   se e  that  the   sta ndar d  de viati on ,   va riance,   a nd  entr op y  of  Fi g ur e   2a   a nd  Fig ur e   2b  a re  ve r y  cl os e   even   t hough  t he y  hav e  differ ent  te xtures.  F or   i ns ta nce,  Fi g ure   3a  an d  Fi g ure   3b   s how s   the  cha nges  of  pi xel  values  with  res pect  to  it s  adj a cent  le ft  pi xel  value  f or   row  127  f or   Fi gure   2a  an d  Fig ure   2b   nam el y.  He re,  we   see that  Fig ure   2b h as  m or e fl uctuati ons  of pi xel v al ue s tha n  Fi g ure   2a.   Q uan ti ti vely ,  av erag e  ab s olu te   chang e   for  Fi gure   3a  is   9.3 4  a nd Fig ur e   3b is  22. 49.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   4253   -   4257   4254   The  sta ndar d  st at ist ic al  m easur es  su c h  as  sta nd a r d  de viati on ,  va riance ,  an d  entr opy  cannot  recog nize   the  diff e ren c e   betwee n  t he  i m age  pair s  in   Figure  1  an d  F igure   2  beca use   they   do  no t  c on si der  the   or de r  of  the  num ber s. In  a n im age,  the orde r  of the  nu m ber s ( i.e . p i xel val ues)  a re s ig nificant b eca us e  changin g  thei r orde r   will   change  t he  im age.  Th us   if  t hese  st and a r d  sta ti sti cal   m et ho ds   a re  use d  t o  fi nd  the  ra ndomness  or  fluctuati on  of  t he  te xt ur e   of  a n  im age,  they   m ay   le ad  to  m i sle adin g  resu lt s.  I n  t his  pap e r ,  an   ef fici ent  s olu ti on   of  this  pro blem   is  pro po se d.  The   pr opos e d  m et ho d  s um s   up  t he  c hang es  of  c onsecut ive  num ber s  a nd  c a n  recog nize  the   diff e re nt  te xture  of  im ages  even  th ough  t hey  ha ve   sam e  sta ndar d  de viati on ,   var ia nc e,  a nd   entr op y.  T he  pro posed  m et hod  can  be  us e d  to  ge ner at e  a  f eat ur e  vect or   i n  cl assify ing   t extu res  of  sto ne   [6 ] ,  woo d  [ 7],  batik  m otif [ 8] etc .          (a)     (b)     Fig ure   1.  A rtific ia l im ages h a ving the  sam e n um ber   of whi te  an d blac k pi xels . (a)   Pixels  d ist rib uted  in   an  order ly   fash i on w it h fe wer   flu ct uations ;  ( b)   P ixels dist ri bu te d ran dom l y hav in g  m or e fl uc tuati on s         (a)     (b)     Fig ure  2. Nat ural  i m ages h a vin g di ff e ren t t e xtures.  (a) Pixe ls distrib uted  havin g fewe r flu ct uations ;  ( b)   P ixels  distrib uted ha vi ng  m or e  fluct uations       Table  1.   Stan da rd Stat ist ic al  Mea su rem ent o f  Fig ur e   1   Fig u re   Stan d ard Deviatio n   Variance   Entro p y   Fig u re   1a   1 2 7 .50   1 6 2 5 6 .25   1   Fig u re   1b   1 2 7 .50   1 6 2 5 6 .25   1       Table  2.   Stan da rd Stat ist ic al  Mea su rem ent o f  Fig ur e   2   Fig u re   Stan d ard Deviatio n   Variance   Entro p y   Fig u re   2a   3 7 .73 7 5   1 4 2 4 .1 0   7 .17 9 4   Fig u re   2b   3 7 .73 9 7   1 4 2 4 .3 0   7 .24 7 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Lo w C omplexi ty  Fluctu atio n Me asurem ent i n Image  Pr oce ssing Co ns ide r ing   Or der  ( T are q  K han)   4255     (a)     (b)     Fig ure   3 .  Cha nges  of the  pix el  v al ue  at r ow  127 wit h res pect  to  it s left  pix el .   (a )  C hanges  of  pix el   values  for  Fig ure   2a. ;  (b) C han ges o f pix el  v al ues  for Fi g ure   2b       2.   THE  PROPO SED   METHO D   The  pro pose d  fluctuati on  m e asur em ent  m eth od,  f 1D ,  f or   th e  1D   ar ray  is  expresse d  in  ( 1).  Her e  x i   is   the  i th   el e m ent   of   the  a rr ay   a nd   N   is  the  siz e  of   the  a rr ay .   The  num erator   co ntains  the  su m   of   the  squar e d  changes  of c onsecuti ve n um ber s a nd the  de nom inator  co nta ins the  total  nu m ber  o f  c ha nges.      1 2 1 1 1 1 N ii i D xx f N   (1)     Fo r   2D  case ,  s uch  as  a n  im a ge,   t he  pr opose d  fl uctuati on  m easur em ent  m et ho d,  f 2D ,    is  ex pr es sed  i n  (2),   (3),  an d  (4).   Her e   (x i ,  y j )   i s  the  num ber   at   the  i th   col um n  an d  the   j th   r ow.  X   a nd  Y   a re  t he  total   c olu m ns   a nd   total   rows  nam el y.  Her e  i n  ( 2),  f h   re pr es ents  the  fluct uatio n  in  the  horizo nt al   directi on  an d  f v   in  (3)  re pr esents  the  fluctuati on in  the  ver ti cal   directi on.  Final ly ,  f 2D ,  in  (4 )  is  the  m ean  of   f h   and   f v   m ulti plied   by  a  facto r  n .   For   instance,   n   co ul d  be  the m axim u m  p ixel value,  i.e . 255  f or   an  8 - bit   im age.      1 2 1 11 ,, 1 YX i j i j ji h x y x y f XY     (2)     1 2 1 11 ,, 1 XY i j i j ij v x y x y f XY     3)     2 2 hv D ff fn    (4)       3.   RESU LT S     Using  ( 1) ,  t he  fluctuati on  of  S 1   is  7  and   the   fluctuati on  of   S 2   is  49   Th us ,   the  propose d  m et ho d  ca n  ackno wled ge  the  existe nce  of  the  fr e qu e nt  changes  in  S 2   and   giv e  hi gh e r  fluctuati on  than  S 1 ,   eve n  thou gh   bo t h  S 1   a nd  S 2   ha ve  the  sam e  el e m ents.  Table  3  an d  Ta bl e  4  show   the   fluctua ti on  f or  the  im age  pairs  in     Fig ure   1  a nd  F ig ure   2  us in g  t he  pro pose d  m et hod  nam el y.  Table  3  s hows  that  the  fluct ua ti on   f or   Fig ur e   1b   is   m uch   la rg er  t ha n  Fig ure   1a .  Fr om   Table  4,   we  see  t hat  the  fl uctuati ons   of   Fig ure   2b  is  m uch   la r ger  than   Fig ure   2a.   Th us ,  t he  pro po s ed  m et ho d  ca n  rec ognize   t he  diff e re nt  am ou nt  of  fl uc tuati on s  bet we en  th e   arti fici al   i m age  pairs  in  Fi g ure   1  a nd   betw een  the  nat ur al   i m age  pairs  in  Fig ure   2.   On  the  oth e r  ha nd  -   th e   sta nd a rd  de via ti on ,  var ia nce,   an d  e ntropy  are  una ble  to   ap pr eci at e  th e  dif fer e nt  am ount  of   fluct ua ti on s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  8 , N o.   6 ,  Dece m ber   201 8   :   4253   -   4257   4256   betwee n  t he  im age p ai rs   in Fig ure   1  a s  s how n  in   Ta ble 1   a nd b et wee n  t he  i m age  pair s   in  Fi gure   2  a s  s ho wn  in   Table  2.       Table  3.   Fluctu at ion  m easur e m ent o f  Fig ur e  1   us i ng prop ose d  m et ho d   Fig u re   Ho rizon tal f lu ctu atio n  ( f h )   Vertica l  f lu ctu atio n  ( f v )   Flu ctu atio n  ( f 2D )   Fig u re   1a   0   1   1 2 7 .50   Fig u re   1b   4 .87   5 .80   1 3 6 0 .3 3       Table  4.   Fluctu at ion  m easur e m ent o f  Fig ur e  2   us i ng prop ose d  m et ho d   Fig u re   Ho rizon tal f lu ctu atio n  ( f h )   Vertica l  f lu ctu atio n  ( f v )   Flu ctu atio n  ( f 2D )   Fig u re   2a   4 1 .05   3 3 .39   9 4 9 1 .2 4   Fig u re   2b   7 7 .68   7 6 .89   1 9 7 0 7 .70       On e e xisti ng m et hod,  m entione d  in [9] - [ 11] , fo r  fin ding the fl uctuati on  of  a n  im age co uld   be  to  us e a  local   sta nd ar d  dev ia ti on  filt er .  This  m e tho d  returns  a  2D   ar ray  wh e re  each   ou tp ut  pix el   c on ta in s  the  sta nd a r d   dev ia ti on  of  th e  3 - by - 3  nei ghbor hood  ar ound  the  c orres pond i ng   pix el   in  the  input  im age.  Sym m et ric  pad di ng   is  us ed  f or   the  pix el s  in  the  bor der.  Taki ng   an  ave rag e  of   t he  retu rn e d  2D  arr ay   can  in dicat e  the   fluctua ti on   of   the  im age.  As  this  m et ho d  use s  3× 3  neig hb or i ng  pi xels  to   cal culat e  the  s ta nd a rd  de viati on  of  eac h  pixe l,  the   pix el   posit ion s   an d  orders  ar e   co ns ide red  in   this  m et ho d.   L ocal  ent ropy  filt er  can  al s o  i m ple m ent   in  th e  sam e   way  w her e  e ntropy  is  cal culat ed   instea d  of   sta nd a rd   de viati on .  I n  Ta ble  5,   the  fluct uation   is  m easur e d  in   Fig ure   2a  a nd  Fig ure   2b  usi ng   local   sta ndar d  de viati on  filt ering ,   loc al   entropy  filt erin g  an d  us i ng   th e   pro po se d  m et ho d. He re, we s ee that  all  o f  th ese m e tho ds  c orrectl y r ep o rts  higher fluct ua ti on  i n  Fig ure   2b tha n  in Fig ure   2a.   On e  s hortc om i ng   of   t he  loca l  sta nd ar d  devi at ion   filt erin g  and   l ocal   entr op y  filt erin g  m et ho ds   a re   their  tim e  co m plexity .  I n  thes e  m et ho ds ,  t he  sta nd a rd  d e viati on   ( or  entr opy)  of  9  pix el s  ne eds  to b e   cal cu la te d  for  each  pix el   i n  the  im age.  H ow e ve r,   in  the  pro po se d  m et ho d,  only   a  difference  betwee n  tw o  pi xels  ne eds  to   be  cal culat ed .  The  local   sta ndar d  dev ia ti on   filt ering ,  l ocal   entr op y  filt eri ng,  an d  the  pr opos e d  m et ho d  we re   i m ple m ented  ( without  im ple m enting  vecto rizat ion   -   f or   pro per   c om par ison)  in  a  c om pu te r  hav i ng  In te l   Pentium   CPU  2117U   r unni ng  at   1.8GHz.   The  e xec ution  tim es  are  sho wn  in  Table  6.  He re,  we  se e  that  the  pro po se d   m et ho d  is  the  faste st  hav i ng  the  l ow est   e xec utio n  ti m e.  The  pr opos e d  m et h od  is  a ppr ox im a te ly   8   tim es  faster  than  local   sta nd ard   dev ia ti on  filt ering   a nd   a ppr ox im at ely  33   ti m es  faste r  than  l ocal  entr op y   filt ering   m et ho d.   F ourier  s pe ct ra  m et ho ds   [ 2] ,   [12]  can  be   us ed  to  m easur e  fl uctuati on ,  howe ver,   the y  hav e   higher  co m pu t at ion al   c om ple xity  than   [ 9] an d  the  pr opos e d m et ho d  -   a nd  will  r eq uire  m or e  ex ec utio n  t i m e.        Table  5.   Fluctu at ion  m easur e m ent o f  Fig ure   2   Fig u re   Local Stan d ard D e v iatio n  Filter in g   Local Entrop y  Filt ering   Prop o sed  M eth o d   Fig u re   2a   1 0 .71   2 .82   9 4 9 1 .2 4   Fig u re   2b   2 4 .58   3 .03   1 9 7 0 7 .70       Table  6.   C om par iso n of exec ut ion  ti m e   (in  S econds )   Fig u re   Local Stan d ard D e v iatio n  Filter in g   Local Entrop y  Filt ering   Prop o sed  M eth o d   Fig u re   2a   3 .39   1 3 .50   0 .39   Fig u re   2b   3 .38   1 3 .56   0 .37       4.   CONCL US I O N     Entr op y,   sta nd ard  de viati on,  and  va riance   m ay   le ad  to  m i sle adin g  re su lt s  if  they   a re  use d  to   m easur e  rand om ness  or  fluctuati on.  I n  this  pap e r,   a  low  com plexity   and   fast  f luctuat io n  m ea su rem ent  m et h od   is  pro po se d  c on si der i ng   the  orde r  of  the  num ber s  f or   bo t h  1D  and   2D  cases.  The  pr opos e d  m et ho d  ca n  be   us ed   in im age p r oce ssing ap plica ti on s  s uch as cla ssifyi ng textu r e.       REFERE NCE S     [1]   R.   W it t e   and   J.   W it te ,   “ Stat ist ic s , ”   W i ley ,   2009.     [2]   W .   K.  Prat t ,   “ Digit al Im age Proc essing ,”   W i ley - I nte rsci enc e ,   200 7.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Lo w C omplexi ty  Fluctu atio n Me asurem ent i n Image  Pr oce ssing Co ns ide r ing   Or der  ( T are q  K han)   4257   [3]   T.  Kva lset h ,  “ On  the   m e asure m ent   of   ran dom ne ss   (unc ert a in t y ):   a  m ore   informa ti ve  ent rop y , ”   E ntropy ,  vo l/ issue :  18(5),   pp .   159 ,  2 016.   [4]   C.   Shannon,   “ A  m at hemati c al   th eor y   of  comm unic a ti on, ”   B el l  S y stem  Techni ca l  J ournal ,  vol/is sue:   27(4),   pp .   623 - 656 ,  1948 .   [5]   Y.  W ua,   e t  a l. ,   “ Shannon  ent rop y   b ase d  ran do m ness  m ea surem en t  and  t est  f or  image  en cr y p ti on , ”   Informati on   Sci en ce s,   El se vier ,  vol .   2016 ,   pp .   1 – 23 ,  2011 .   [6]   P.  V.  Kum ar,   et   al. ,  “ Stone  Im age   Cla ss ifi c at ion  Based  o n  Overl a pped  5 - bit   T - Pat te rns  O cc urre n c e  on  5 - by - 5  Sub  Im ag es, ”   Int ernati onal  Journal  of  El e ct ri cal   an d  Computer  Engi nee ring  ( IJE CE ) ,   vol /i ss ue:   6 ( 3 ) ,   pp.   1152 - 116 0 ,   2016.   [7]   A.  Fahruroz i ,   et   al. ,  “ W ood  Cla ss ifi cation  Based on E dge  Det ec t i ons  and  Te xtur e F ea ture s Sel ec t i on, ”   Int ernati on al  Journal  of   Elec t rical   and   Computer  Eng ine ering   ( IJE CE) ,   vol /i ss ue:   6 ( 5 ) ,   pp .   216 7 - 2175,   2016 .   [8]   I.   Nurhai da ,   e t  al. ,  “ T ext ure   Fu sion  for  Bat ik  Motif  Ret ri eval  S y stem, ”   In te rn ati onal  Journal  of  El e ct ri cal   an d   Computer  Engi n ee ring ( IJE C E) ,   vol /i ss ue:   6 ( 6 ) ,   p p.   3174 - 3187 ,   2 016.   [9]   Standa rd   devi a ti on   fil ters ,   2018.   htt p://s pat i al - ana l y st . net/ILWI S/htm /i lwisapp/ f il te r_ t y pes_stan dar d_deviati on_ fil ters . htm .   [10]   Loc a l  stand ard   d evi a ti on  of   imag e,   2018 .   h tt ps:/ / ww w.m at hwork s.c om /h el p/ images/re f/stdf il t . html .   [11]   S.  S.  Singh,  et .   a l ,  “ Loc a l  cont r ast  enha n c ement  u sing  loc al   stand a rd  devi ation, ”   Inte rnational   Journal  of  Computer   Appl ic a ti ons ( 0975  –   888) ,   vol /i s sue:   47 ( 15 ) ,   pp .   31 - 35,   2012 .   [12]   M.  Coggins  and  A.  K.  Jain,   “A  spati al   fil t ering  appr oac h  to   te xture   an aly si s,”   Pat t ern  Re c ognit ion  Letters ,  vol /i ss ue:   3 ( 3 ) ,   p p.   195 – 203 ,   198 5.       BIOGR AP H I ES   OF  A UTH ORS       Dr.  Ta r eq   Khan   recei ved   his  Ph.D.  degr ee   f ro m   the   depa r tme nt  of  E le c tri c al   and  Com pute r  Engi ne eri ng  of  Univer sit y   of  Sa skatc hewa n ,   Ca nada .   Dr .   Khan  i s  now  an  As sist ant   Profess or  in   the   School  of  En gine er ing  Techn olog y   of  Ea stern   Michi gan  Univ ersity ,   US A.  To  dat e ,   D r.   Khan  has  aut hore d  (a nd  co - aut hore d)   2  books,  1  bo ok  cha pte r ,   18  pee r - rev ie wed  j ourna ls  and  26  int ern at ion al   co nfe ren c e  pape rs.   He  cur ren tly   h as  2  U S  pat ents   gra nte d.   In  a ddit ion  to  his  ac ad emic  r ese ar ch,   h e  h as  al so   industrial  experie nc es  on  embedde d  s y stem  p roje c ts  such  as  designi ng  pr e - p ai d  el e ct r ic i t y   a nd  gas  m eteri ng   sy st em,  aut om at ic   m et er  re adi n g  (AM R),   dat a   ac cusa ti on  and  m onit oring  s y ste m s  et c.   His  rese arc h  intere sts  inc lude   image  pro ce ss ing,   sm art   hom e,   embedde d  s y stems   ta rg eting  healthcare  a ppl icati ons,   Internet   of  Thi ngs  ( IoT) ,   m ac h ine  le arn ing,   and  caps ule   endosc op y .   He  is  a  m ember  of  the   Insti tute  of  El e ct r ic a l  a nd  El ectroni cs   Engi ne ers  (IE EE).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.