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1 Retina : a Bio mimetic human retina model
2 *****************************************
3
4 .. highlight:: cpp
5
6 Retina
7 ======
8
9 .. ocv:class:: Retina
10
11 Class which provides the main controls to the Gipsa/Listic labs human  retina model. Spatio-temporal filtering modelling the two main retina information channels :
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13 * foveal vision for detailled color vision : the parvocellular pathway).
14
15 * periphearal vision for sensitive transient signals detection (motion and events) : the magnocellular pathway.
16
17 **NOTE : See the Retina tutorial in the tutorial/contrib section for complementary explanations.**
18
19 The retina can be settled up with various parameters, by default, the retina cancels mean luminance and enforces all details of the visual scene. In order to use your own parameters, you can use at least one time the *write(std::string fs)* method which will write a proper XML file with all default parameters. Then, tweak it on your own and reload them at any time using method *setup(std::string fs)*. These methods update a *Retina::RetinaParameters* member structure that is described hereafter. ::
20
21   class Retina
22   {
23   public:
24     // parameters setup instance
25     struct RetinaParameters; // this class is detailled later
26
27     // constructors
28     Retina (Size inputSize);
29     Retina (Size inputSize, const bool colorMode, RETINA_COLORSAMPLINGMETHOD colorSamplingMethod=RETINA_COLOR_BAYER, const bool useRetinaLogSampling=false, const double reductionFactor=1.0, const double samplingStrenght=10.0);
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31     // main method for input frame processing
32     void run (const Mat &inputImage);
33
34     // output buffers retreival methods
35     // -> foveal color vision details channel with luminance and noise correction
36     void getParvo (Mat &retinaOutput_parvo);
37     void getParvo (std::valarray< float > &retinaOutput_parvo);
38     const std::valarray< float > & getParvo () const;
39     // -> peripheral monochrome motion and events (transient information) channel
40     void getMagno (Mat &retinaOutput_magno);
41     void getMagno (std::valarray< float > &retinaOutput_magno);
42     const std::valarray< float > & getMagno () const;
43
44     // reset retina buffers... equivalent to closing your eyes for some seconds
45     void clearBuffers ();
46
47     // retreive input and output buffers sizes
48     Size inputSize ();
49     Size outputSize ();
50
51     // setup methods with specific parameters specification of global xml config file loading/write
52     void setup (std::string retinaParameterFile="", const bool applyDefaultSetupOnFailure=true);
53     void setup (FileStorage &fs, const bool applyDefaultSetupOnFailure=true);
54     void setup (RetinaParameters newParameters);
55     struct Retina::RetinaParameters getParameters ();
56     const std::string printSetup ();
57     virtual void write (std::string fs) const;
58     virtual void write (FileStorage &fs) const;
59     void setupOPLandIPLParvoChannel (const bool colorMode=true, const bool normaliseOutput=true, const float photoreceptorsLocalAdaptationSensitivity=0.7, const float photoreceptorsTemporalConstant=0.5, const float photoreceptorsSpatialConstant=0.53, const float horizontalCellsGain=0, const float HcellsTemporalConstant=1, const float HcellsSpatialConstant=7, const float ganglionCellsSensitivity=0.7);
60     void setupIPLMagnoChannel (const bool normaliseOutput=true, const float parasolCells_beta=0, const float parasolCells_tau=0, const float parasolCells_k=7, const float amacrinCellsTemporalCutFrequency=1.2, const float V0CompressionParameter=0.95, const float localAdaptintegration_tau=0, const float localAdaptintegration_k=7);
61     void setColorSaturation (const bool saturateColors=true, const float colorSaturationValue=4.0);
62     void activateMovingContoursProcessing (const bool activate);
63     void activateContoursProcessing (const bool activate);
64   };
65
66 .. Sample code::
67
68    * An example on retina tone mapping can be found at opencv_source_code/samples/cpp/OpenEXRimages_HighDynamicRange_Retina_toneMapping.cpp
69    * An example on retina tone mapping on video input can be found at opencv_source_code/samples/cpp/OpenEXRimages_HighDynamicRange_Retina_toneMapping.cpp
70    * A complete example illustrating the retina interface can be found at opencv_source_code/samples/cpp/retinaDemo.cpp
71
72 Description
73 +++++++++++
74
75 Class which allows the `Gipsa <http://www.gipsa-lab.inpg.fr>`_ (preliminary work) / `Listic <http://www.listic.univ-savoie.fr>`_ (code maintainer) labs retina model to be used. This class allows human retina spatio-temporal image processing to be applied on still images, images sequences and video sequences. Briefly, here are the main human retina model properties:
76
77 * spectral whithening (mid-frequency details enhancement)
78
79 * high frequency spatio-temporal noise reduction (temporal noise and high frequency spatial noise are minimized)
80
81 * low frequency luminance reduction (luminance range compression) : high luminance regions do not hide details in darker regions anymore
82
83 * local logarithmic luminance compression allows details to be enhanced even in low light conditions
84
85 Use : this model can be used basically for spatio-temporal video effects but also in the aim of :
86
87 * performing texture analysis with enhanced signal to noise ratio and enhanced details robust against input images luminance ranges (check out the parvocellular retina channel output, by using the provided **getParvo** methods)
88
89 * performing motion analysis also taking benefit of the previously cited properties  (check out the magnocellular retina channel output, by using the provided **getMagno** methods)
90
91 For more information, refer to the following papers :
92
93 * Benoit A., Caplier A., Durette B., Herault, J., "Using Human Visual System Modeling For Bio-Inspired Low Level Image Processing", Elsevier, Computer Vision and Image Understanding 114 (2010), pp. 758-773. DOI <http://dx.doi.org/10.1016/j.cviu.2010.01.011>
94
95 * Please have a look at the reference work of Jeanny Herault that you can read in his book :
96
97 Vision: Images, Signals and Neural Networks: Models of Neural Processing in Visual Perception (Progress in Neural Processing),By: Jeanny Herault, ISBN: 9814273686. WAPI (Tower ID): 113266891.
98
99 This retina filter code includes the research contributions of phd/research collegues from which code has been redrawn by the author :
100
101 * take a look at the *retinacolor.hpp* module to discover Brice Chaix de Lavarene phD color mosaicing/demosaicing and his reference paper: B. Chaix de Lavarene, D. Alleysson, B. Durette, J. Herault (2007). "Efficient demosaicing through recursive filtering", IEEE International Conference on Image Processing ICIP 2007
102
103 * take a look at *imagelogpolprojection.hpp* to discover retina spatial log sampling which originates from Barthelemy Durette phd with Jeanny Herault. A Retina / V1 cortex projection is also proposed and originates from Jeanny's discussions. ====> more informations in the above cited Jeanny Heraults's book.
104
105 Demos and experiments !
106 =======================
107
108 **NOTE : Complementary to the following examples, have a look at the Retina tutorial in the tutorial/contrib section for complementary explanations.**
109
110 Take a look at the provided C++ examples provided with OpenCV :
111
112 * **samples/cpp/retinademo.cpp** shows how to use the retina module for details enhancement (Parvo channel output) and transient maps observation (Magno channel output). You can play with images, video sequences and webcam video.
113     Typical uses are (provided your OpenCV installation is situated in folder *OpenCVReleaseFolder*)
114
115     * image processing : **OpenCVReleaseFolder/bin/retinademo -image myPicture.jpg**
116
117     * video processing : **OpenCVReleaseFolder/bin/retinademo -video myMovie.avi**
118
119     * webcam processing: **OpenCVReleaseFolder/bin/retinademo -video**
120
121    **Note :** This demo generates the file *RetinaDefaultParameters.xml* which contains the default parameters of the retina. Then, rename this as *RetinaSpecificParameters.xml*, adjust the parameters the way you want and reload the program to check the effect.
122
123
124 * **samples/cpp/OpenEXRimages_HighDynamicRange_Retina_toneMapping.cpp** shows how to use the retina to perform High Dynamic Range (HDR) luminance compression
125
126    Then, take a HDR image using bracketing with your camera and generate an OpenEXR image and then process it using the demo.
127
128    Typical use, supposing that you have the OpenEXR image *memorial.exr* (present in the samples/cpp/ folder)
129
130    **OpenCVReleaseFolder/bin/OpenEXRimages_HighDynamicRange_Retina_toneMapping memorial.exr**
131
132       Note that some sliders are made available to allow you to play with luminance compression.
133
134
135 Methods description
136 ===================
137
138 Here are detailled the main methods to control the retina model
139
140 Retina::Retina
141 ++++++++++++++
142
143 .. ocv:function:: Retina::Retina(Size inputSize)
144 .. ocv:function:: Retina::Retina(Size inputSize, const bool colorMode, RETINA_COLORSAMPLINGMETHOD colorSamplingMethod = RETINA_COLOR_BAYER, const bool useRetinaLogSampling = false, const double reductionFactor = 1.0, const double samplingStrenght = 10.0 )
145
146     Constructors
147
148     :param inputSize: the input frame size
149     :param colorMode: the chosen processing mode : with or without color processing
150     :param colorSamplingMethod: specifies which kind of color sampling will be used
151         * RETINA_COLOR_RANDOM: each pixel position is either R, G or B in a random choice
152         * RETINA_COLOR_DIAGONAL: color sampling is RGBRGBRGB..., line 2 BRGBRGBRG..., line 3, GBRGBRGBR...
153         * RETINA_COLOR_BAYER: standard bayer sampling
154     :param useRetinaLogSampling: activate retina log sampling, if true, the 2 following parameters can be used
155     :param reductionFactor: only usefull if param useRetinaLogSampling=true, specifies the reduction factor of the output frame (as the center (fovea) is high resolution and corners can be underscaled, then a reduction of the output is allowed without precision leak
156     :param samplingStrenght: only usefull if param useRetinaLogSampling=true, specifies the strenght of the log scale that is applied
157
158 Retina::activateContoursProcessing
159 ++++++++++++++++++++++++++++++++++
160
161 .. ocv:function:: void Retina::activateContoursProcessing(const bool activate)
162
163     Activate/desactivate the Parvocellular pathway processing (contours information extraction), by default, it is activated
164
165     :param activate: true if Parvocellular (contours information extraction) output should be activated, false if not... if activated, the Parvocellular output can be retrieved using the **getParvo** methods
166
167 Retina::activateMovingContoursProcessing
168 ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
169
170 .. ocv:function:: void Retina::activateMovingContoursProcessing(const bool activate)
171
172     Activate/desactivate the Magnocellular pathway processing (motion information extraction), by default, it is activated
173
174     :param activate: true if Magnocellular output should be activated, false if not... if activated, the Magnocellular output can be retrieved using the **getMagno** methods
175
176 Retina::clearBuffers
177 ++++++++++++++++++++
178
179 .. ocv:function:: void Retina::clearBuffers()
180
181     Clears all retina buffers (equivalent to opening the eyes after a long period of eye close ;o) whatchout the temporal transition occuring just after this method call.
182
183 Retina::getParvo
184 ++++++++++++++++
185
186 .. ocv:function:: void Retina::getParvo( Mat & retinaOutput_parvo )
187 .. ocv:function:: void Retina::getParvo( std::valarray<float> & retinaOutput_parvo )
188 .. ocv:function:: const std::valarray<float> & Retina::getParvo() const
189
190     Accessor of the details channel of the retina (models foveal vision)
191
192     :param retinaOutput_parvo: the output buffer (reallocated if necessary), format can be :
193
194         * a Mat, this output is rescaled for standard 8bits image processing use in OpenCV
195
196         * a 1D std::valarray Buffer (encoding is R1, R2, ... Rn), this output is the original retina filter model output, without any quantification or rescaling
197
198 Retina::getMagno
199 ++++++++++++++++
200
201 .. ocv:function:: void Retina::getMagno( Mat & retinaOutput_magno )
202 .. ocv:function:: void Retina::getMagno( std::valarray<float> & retinaOutput_magno )
203 .. ocv:function:: const std::valarray<float> & Retina::getMagno() const
204
205     Accessor of the motion channel of the retina (models peripheral vision)
206
207     :param retinaOutput_magno: the output buffer (reallocated if necessary), format can be :
208
209         * a Mat, this output is rescaled for standard 8bits image processing use in OpenCV
210
211         * a 1D std::valarray Buffer (encoding is R1, R2, ... Rn), this output is the original retina filter model output, without any quantification or rescaling
212
213 Retina::getParameters
214 +++++++++++++++++++++
215
216 .. ocv:function:: Retina::RetinaParameters Retina::getParameters()
217
218     Retrieve the current parameters values in a *Retina::RetinaParameters* structure
219
220     :return: the current parameters setup
221
222 Retina::inputSize
223 +++++++++++++++++
224
225 .. ocv:function:: Size Retina::inputSize()
226
227     Retreive retina input buffer size
228
229     :return: the retina input buffer size
230
231 Retina::outputSize
232 ++++++++++++++++++
233
234 .. ocv:function:: Size Retina::outputSize()
235
236     Retreive retina output buffer size that can be different from the input if a spatial log transformation is applied
237
238     :return: the retina output buffer size
239
240 Retina::printSetup
241 ++++++++++++++++++
242
243 .. ocv:function:: const std::string Retina::printSetup()
244
245     Outputs a string showing the used parameters setup
246
247     :return: a string which contains formatted parameters information
248
249 Retina::run
250 +++++++++++
251
252 .. ocv:function:: void Retina::run(const Mat & inputImage)
253
254     Method which allows retina to be applied on an input image, after run, encapsulated retina module is ready to deliver its outputs using dedicated acccessors, see getParvo and getMagno methods
255
256     :param inputImage: the input Mat image to be processed, can be gray level or BGR coded in any format (from 8bit to 16bits)
257
258 Retina::setColorSaturation
259 ++++++++++++++++++++++++++
260
261 .. ocv:function:: void Retina::setColorSaturation(const bool saturateColors = true, const float colorSaturationValue = 4.0 )
262
263     Activate color saturation as the final step of the color demultiplexing process -> this saturation is a sigmoide function applied to each channel of the demultiplexed image.
264
265     :param saturateColors: boolean that activates color saturation (if true) or desactivate (if false)
266     :param colorSaturationValue: the saturation factor : a simple factor applied on the chrominance buffers
267
268
269 Retina::setup
270 +++++++++++++
271
272 .. ocv:function:: void Retina::setup(std::string retinaParameterFile = "", const bool applyDefaultSetupOnFailure = true )
273 .. ocv:function:: void Retina::setup(FileStorage & fs, const bool applyDefaultSetupOnFailure = true )
274 .. ocv:function:: void Retina::setup(RetinaParameters newParameters)
275
276     Try to open an XML retina parameters file to adjust current retina instance setup => if the xml file does not exist, then default setup is applied => warning, Exceptions are thrown if read XML file is not valid
277
278     :param retinaParameterFile: the parameters filename
279     :param applyDefaultSetupOnFailure: set to true if an error must be thrown on error
280     :param fs: the open Filestorage which contains retina parameters
281     :param newParameters: a parameters structures updated with the new target configuration
282
283 Retina::write
284 +++++++++++++
285
286 .. ocv:function:: void Retina::write( std::string fs ) const
287 .. ocv:function:: void Retina::write( FileStorage& fs ) const
288
289     Write xml/yml formated parameters information
290
291     :param fs: the filename of the xml file that will be open and writen with formatted parameters information
292
293 Retina::setupIPLMagnoChannel
294 ++++++++++++++++++++++++++++
295
296 .. ocv:function:: void Retina::setupIPLMagnoChannel(const bool normaliseOutput = true, const float parasolCells_beta = 0, const float parasolCells_tau = 0, const float parasolCells_k = 7, const float amacrinCellsTemporalCutFrequency = 1.2, const float V0CompressionParameter = 0.95, const float localAdaptintegration_tau = 0, const float localAdaptintegration_k = 7 )
297
298     Set parameters values for the Inner Plexiform Layer (IPL) magnocellular channel this channel processes signals output from OPL processing stage in peripheral vision, it allows motion information enhancement. It is decorrelated from the details channel. See reference papers for more details.
299
300     :param normaliseOutput: specifies if (true) output is rescaled between 0 and 255 of not (false)
301     :param parasolCells_beta: the low pass filter gain used for local contrast adaptation at the IPL level of the retina (for ganglion cells local adaptation), typical value is 0
302     :param parasolCells_tau: the low pass filter time constant used for local contrast adaptation at the IPL level of the retina (for ganglion cells local adaptation), unit is frame, typical value is 0 (immediate response)
303     :param parasolCells_k: the low pass filter spatial constant used for local contrast adaptation at the IPL level of the retina (for ganglion cells local adaptation), unit is pixels, typical value is 5
304     :param amacrinCellsTemporalCutFrequency: the time constant of the first order high pass fiter of the magnocellular way (motion information channel), unit is frames, typical value is 1.2
305     :param V0CompressionParameter: the compression strengh of the ganglion cells local adaptation output, set a value between 0.6 and 1 for best results, a high value increases more the low value sensitivity... and the output saturates faster, recommended value: 0.95
306     :param localAdaptintegration_tau: specifies the temporal constant of the low pas filter involved in the computation of the local "motion mean" for the local adaptation computation
307     :param localAdaptintegration_k: specifies the spatial constant of the low pas filter involved in the computation of the local "motion mean" for the local adaptation computation
308
309 Retina::setupOPLandIPLParvoChannel
310 ++++++++++++++++++++++++++++++++++
311
312 .. ocv:function:: void Retina::setupOPLandIPLParvoChannel(const bool colorMode = true, const bool normaliseOutput = true, const float photoreceptorsLocalAdaptationSensitivity = 0.7, const float photoreceptorsTemporalConstant = 0.5, const float photoreceptorsSpatialConstant = 0.53, const float horizontalCellsGain = 0, const float HcellsTemporalConstant = 1, const float HcellsSpatialConstant = 7, const float ganglionCellsSensitivity = 0.7 )
313
314     Setup the OPL and IPL parvo channels (see biologocal model) OPL is referred as Outer Plexiform Layer of the retina, it allows the spatio-temporal filtering which withens the spectrum and reduces spatio-temporal noise while attenuating global luminance (low frequency energy) IPL parvo is the OPL next processing stage, it refers to a part of the Inner Plexiform layer of the retina, it allows high contours sensitivity in foveal vision. See reference papers for more informations.
315
316     :param colorMode: specifies if (true) color is processed of not (false) to then processing gray level image
317     :param normaliseOutput: specifies if (true) output is rescaled between 0 and 255 of not (false)
318     :param photoreceptorsLocalAdaptationSensitivity: the photoreceptors sensitivity renage is 0-1 (more log compression effect when value increases)
319     :param photoreceptorsTemporalConstant: the time constant of the first order low pass filter of the photoreceptors, use it to cut high temporal frequencies (noise or fast motion), unit is frames, typical value is 1 frame
320     :param photoreceptorsSpatialConstant: the spatial constant of the first order low pass filter of the photoreceptors, use it to cut high spatial frequencies (noise or thick contours), unit is pixels, typical value is 1 pixel
321     :param horizontalCellsGain: gain of the horizontal cells network, if 0, then the mean value of the output is zero, if the parameter is near 1, then, the luminance is not filtered and is still reachable at the output, typicall value is 0
322     :param HcellsTemporalConstant: the time constant of the first order low pass filter of the horizontal cells, use it to cut low temporal frequencies (local luminance variations), unit is frames, typical value is 1 frame, as the photoreceptors
323     :param HcellsSpatialConstant: the spatial constant of the first order low pass filter of the horizontal cells, use it to cut low spatial frequencies (local luminance), unit is pixels, typical value is 5 pixel, this value is also used for local contrast computing when computing the local contrast adaptation at the ganglion cells level (Inner Plexiform Layer parvocellular channel model)
324     :param ganglionCellsSensitivity: the compression strengh of the ganglion cells local adaptation output, set a value between 0.6 and 1 for best results, a high value increases more the low value sensitivity... and the output saturates faster, recommended value: 0.7
325
326
327 Retina::RetinaParameters
328 ========================
329
330 .. ocv:struct:: Retina::RetinaParameters
331
332   This structure merges all the parameters that can be adjusted threw the **Retina::setup()**, **Retina::setupOPLandIPLParvoChannel** and **Retina::setupIPLMagnoChannel** setup methods
333   Parameters structure for better clarity, check explenations on the comments of methods : setupOPLandIPLParvoChannel and setupIPLMagnoChannel. ::
334
335     class RetinaParameters{
336         struct OPLandIplParvoParameters{ // Outer Plexiform Layer (OPL) and Inner Plexiform Layer Parvocellular (IplParvo) parameters
337                OPLandIplParvoParameters():colorMode(true),
338                   normaliseOutput(true), // specifies if (true) output is rescaled between 0 and 255 of not (false)
339                   photoreceptorsLocalAdaptationSensitivity(0.7f), // the photoreceptors sensitivity renage is 0-1 (more log compression effect when value increases)
340                   photoreceptorsTemporalConstant(0.5f),// the time constant of the first order low pass filter of the photoreceptors, use it to cut high temporal frequencies (noise or fast motion), unit is frames, typical value is 1 frame
341                   photoreceptorsSpatialConstant(0.53f),// the spatial constant of the first order low pass filter of the photoreceptors, use it to cut high spatial frequencies (noise or thick contours), unit is pixels, typical value is 1 pixel
342                   horizontalCellsGain(0.0f),//gain of the horizontal cells network, if 0, then the mean value of the output is zero, if the parameter is near 1, then, the luminance is not filtered and is still reachable at the output, typicall value is 0
343                   hcellsTemporalConstant(1.f),// the time constant of the first order low pass filter of the horizontal cells, use it to cut low temporal frequencies (local luminance variations), unit is frames, typical value is 1 frame, as the photoreceptors
344                   hcellsSpatialConstant(7.f),//the spatial constant of the first order low pass filter of the horizontal cells, use it to cut low spatial frequencies (local luminance), unit is pixels, typical value is 5 pixel, this value is also used for local contrast computing when computing the local contrast adaptation at the ganglion cells level (Inner Plexiform Layer parvocellular channel model)
345                   ganglionCellsSensitivity(0.7f)//the compression strengh of the ganglion cells local adaptation output, set a value between 0.6 and 1 for best results, a high value increases more the low value sensitivity... and the output saturates faster, recommended value: 0.7
346                   {};// default setup
347                bool colorMode, normaliseOutput;
348                float photoreceptorsLocalAdaptationSensitivity, photoreceptorsTemporalConstant, photoreceptorsSpatialConstant, horizontalCellsGain, hcellsTemporalConstant, hcellsSpatialConstant, ganglionCellsSensitivity;
349            };
350            struct IplMagnoParameters{ // Inner Plexiform Layer Magnocellular channel (IplMagno)
351                IplMagnoParameters():
352                   normaliseOutput(true), //specifies if (true) output is rescaled between 0 and 255 of not (false)
353                   parasolCells_beta(0.f), // the low pass filter gain used for local contrast adaptation at the IPL level of the retina (for ganglion cells local adaptation), typical value is 0
354                   parasolCells_tau(0.f), //the low pass filter time constant used for local contrast adaptation at the IPL level of the retina (for ganglion cells local adaptation), unit is frame, typical value is 0 (immediate response)
355                   parasolCells_k(7.f), //the low pass filter spatial constant used for local contrast adaptation at the IPL level of the retina (for ganglion cells local adaptation), unit is pixels, typical value is 5
356                   amacrinCellsTemporalCutFrequency(1.2f), //the time constant of the first order high pass fiter of the magnocellular way (motion information channel), unit is frames, typical value is 1.2
357                   V0CompressionParameter(0.95f), the compression strengh of the ganglion cells local adaptation output, set a value between 0.6 and 1 for best results, a high value increases more the low value sensitivity... and the output saturates faster, recommended value: 0.95
358                   localAdaptintegration_tau(0.f), // specifies the temporal constant of the low pas filter involved in the computation of the local "motion mean" for the local adaptation computation
359                   localAdaptintegration_k(7.f) // specifies the spatial constant of the low pas filter involved in the computation of the local "motion mean" for the local adaptation computation
360                   {};// default setup
361                bool normaliseOutput;
362                float parasolCells_beta, parasolCells_tau, parasolCells_k, amacrinCellsTemporalCutFrequency, V0CompressionParameter, localAdaptintegration_tau, localAdaptintegration_k;
363            };
364             struct OPLandIplParvoParameters OPLandIplParvo;
365             struct IplMagnoParameters IplMagno;
366     };