Ψηφιοποίηση και Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας

Transcript

1 Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Ιονίων Νήσων Ψηφιοποίηση και Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας Ενότητα 11: Επεξεργασία εικόνας Το περιεχόμενο του μαθήματος διατίθεται με άδεια Creative Commons εκτός και αν αναφέρεται διαφορετικά Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

2 Ψηφιακό σύστημα καταγραφής Φίλτρο Συνήθως φακός Πάντα εισάγει μια μικρή παραμόρφωση στην εικόνα Μεγεθύνει/μειώνει ή εστιάσει ένα αντικείμενο Απορροφά μέρος της ακτινοβολίας Διαμορφώνει την ένταση της ακτινοβολίας (πχ. μαύρο φίλτρο) Ανιχνευτής Μετατρέπει τη μορφή ενέργειας Π.χ. Μάτι: μετατρέπει την ακτινοβολία σε ηλ. Ρεύμα στα οπτικά νεύρα Φίλμ: καταγράφει την ακτινοβολία σε ειδική επίστρωση Φωτοηλεκτρικός ανιχνευτής : μετατρέπει ακτινοβολία σε ηλεκτρικό. Κυριότερος εκπρόσωπος το CCD (Charged Coupled Device) 1

3 Ανιχνευτής CCD Τα φωτόνια πέφτουν σε ένα υλικό που τα μετατρέπει σε ηλεκτρόνια. Το CCD δεν μετατρέπει κάθε φωτόνιο που πέφτει πάνω σε ηλεκτρόνιο. Σε κάποιο σημείο επέρχεται κορεσμός (δηλαδή τα δοχεία γεμίζουν με ηλεκτρόνια και δεν χωράνε άλλα) Τα ηλεκτρόνια υπό μορφή ηλεκτρικού ρεύματος ενισχύονται από τον ενισχυτή. Στο τέλος ο μετατροπέας μετατρέπει το ρεύμα αυτό σε ψηφιακή τιμή και το αποθηκεύει. Αν θέλουμε να βγάλουμε έγχρωμες φωτογραφίες βάζουμε ένα χρωματικό φίλτρο μπροστά από τα CCD. 2

4 Ψηφιακό σύστημα καταγραφής Ψηφιοποιητής Μετατροπή αναλογικού (δισδιάστατου) σήματος σε ψηφιακό Όσο μικρότερα είναι τα διαστήματα δειγματοληψίας Τ 1, Τ 2 τόσο καλύτερη είναι η δειγματοληψία, και τόσο περισσότερα pixel χρειάζονται για την αποθήκευση της εικόνας. Κβαντισμός : αναπαράσταση ενός εισερχόμενου συνεχούς σήματος με N διακριτές τιμές 3

5 Βελτιστοποίηση εικόνας

6 Τεχνικές βελτιστοποίησης εικόνας Στόχος βελτιστοποίηση οπτικής εμφάνισης πιο κοντά σε αυτό που βλέπει ο άνθρωπος τροποποίηση εικόνας για περαιτέρω επεξεργασία Τεχνικές Μείωση θορύβου Θάμπωση Αντίθεση κλπ 5

7 Εμπλουτισμός εικόνας Τρόποι βελτίωσης μιας εικόνας Μεταβολή φωτεινότητας Βελτίωση αντίθεσης Μεταβολή τονισμού Μεγέθυνση/σμίκρυνση Περιστροφή κλπ 6

8 Μέθοδοι βελτίωσης εικόνας Τεχνικές σημείου ή pixel (point operations) Ενεργούν στα pixels και επηρεάζουν τη φωτεινότητα Τεχνικές στο πεδίο της εικόνας ή χωρικές τεχνικές (spatial operations) Τεχνικές στο πεδίο συχνοτήτων (frequency operations) ή στο πεδίο μετασχηματισμού (transform operations). 7

9 Τεχνικές Αντιστροφή φωτεινότητας Επέκταση αντίθεσης Μερικές εικόνες έχουν χαμηλή αντίθεση λόγω κακού φωτισμού λήψης Π.χ. μπορεί τα επίπεδα φωτεινότητας να περιορίζονται στη περιοχή 70 έως 170 (φτωχό αποτέλεσμα) αν η περιοχή φωτεινότητας επεκταθεί σε ολόκληρη την περιοχή [0, 255] βελτίωση αποτελέσματος 8

10 Τεχνικές Κλιμάκωση φωτεινότητας Σε μερικές περιπτώσεις η επεξεργασία μιας εικόνας καταλήγει με τιμές φωτεινότητας εκτός της επιθυμητής κλίμακας των 256 διαβαθμίσεων του γκρι προκύπτουν αρνητικές τιμές φωτεινότητας στόχος η κλιμάκωση της φωτεινότητας στα κανονικά επίπεδα Κόψιμο φωτεινότητας Περίπτωση επέκτασης της αντίθεσης Αλλιώς κατωφλίωση της φωτεινότητας Χρησιμοποιείται στην απαλοιφή θορύβου 9

11 Τεχνικές Τεμαχισμός κλίμακας φωτεινότητας Διαδικασία ανάδειξης μια συγκεκριμένης περιοχής φωτεινότητας σε μια εικόνα Ανάλυση σε δυαδικές εικόνες Λογαριθμική συμπίεση της κλίμακας φωτεινότητας Επιθυμητή αποτύπωση σε εικόνας ενός πίνακα τιμών πέραν των 255 αποχρώσεων του γκρι Εκθετική συμπίεση της κλίμακας φωτεινότητας 10

12 Θόρυβος Επιπλέον πληροφορία που προστίθεται στην εικόνα κατά την διάρκεια της καταγραφής της και μπορεί να οδηγήσει σε αλλοίωση της εικόνας. Δεν τον χρειαζόμαστε 11

13 Τύποι θορύβου Gaussian θόρυβος: λόγω της απόδοσης του αισθητηρίου λήψης κάτω από συνθήκες μη επαρκούς φωτισμού ή υψηλής θερμοκρασίας. Uniform θόρυβος: δεν δημιουργείται πρακτικά, αλλά είναι χρήσιμος για την εξομοίωση αλγορίθμων απαλοιφής θορύβου. Impulse θόρυβος: δημιουργείται συνήθως από το on/off διακοπτών (μηχανικών ή ηλεκτρονικών) στη διαδικασία λήψης ή μετάδοσης μιας εικόνας. Υπάρχουν και άλλοι τύποι θορύβου, όπως: ο θόρυβος Rayleigh που χαρακτηρίζει εικόνες πεδίων, ο θόρυβος exponential ή ο θόρυβος gamma που χαρακτηρίζουν εικόνες laser κλπ. 12

14 Τεχνικές απαλοιφής θορύβου Φίλτρο αριθμητικής μέσης τιμής Κάθε pixel της εικόνας με θόρυβο αντικαθίσταται από τη μέση τιμή των pixels στη γειτονιά του Η αριθμητική μέση τιμή προκαλεί την εξομάλυνση μιας περιοχής και η αίσθηση μείωσης του θορύβου προκαλείται από το θολό αποτέλεσμα στην περιοχή (blurring). Φίλτρο γεωμετρικής μέσης τιμής Το κάθε pixel της εικόνας με θόρυβο αντικαθίσταται από το γινόμενο των pixels στη γειτονιά του, υψωμένο στη δύναμη 1/mn Φίλτρο μέσης τιμής Το κάθε pixel της εικόνας με θόρυβο αντικαθίσταται από τη μεσαία τιμή των pixels στη γειτονιά του 13

15 Τεχνικές απαλοιφής θορύβου Φίλτρο ενδιάμεσου σημείου υπολογίζει την ενδιάμεση τιμή μεταξύ ελαχίστου και μεγίστου στην περιοχή της μάσκας και τοποθετεί το αποτέλεσμα στη θέση του εξεταζόμενου στοιχείου της περιοχής Φίλτρο ρυθμιζόμενης μέσης τιμής Προσαρμοζόμενο φίλτρο τοπικού θορύβου Προσαρμοζόμενο φίλτρο μεσαίας τιμής 14

16 Τμηματοποίηση εικόνας

17 Τμηματοποίηση Διαδικασία διαχωρισμού σε κατάλληλες περιοχής ή αντικείμενα Ομοιόμορφες και ομογενείς περιοχές Κριτήρια επιλογής τεχνικής τμηματοποίησης Ασυνέχεια (discontinuity) εξετάζει την απότομη μεταβολή τιμών pixel προσδιορισμός απομονωμένων σημείων, ακμών, καμπύλων Ομοιότητα (similarity) έλεγχος ομοιότητας ως προς τα χαρακτηριστικά τμηματοποίηση κατωφλίου 16

18 Κατηγορίες τεχνικών τμηματοποίησης Κατωφλίου πολυκατωφλίωσης Ταξινόμησης στοιχείων Μέθοδοι βασιζόμενες στα όρια περιοχών Μέθοδοι βασιζόμενες σε χαρακτηριστικά περιοχών & ομαδοποίησης Μέθοδοι βασιζόμενες σε σύγκριση προτύπων Ειδικές τεχνικές για τμηματοποίηση εικόνων υφής (texture images) Άλλες τεχνικές 17

19 Τεχνική κατωφλιού εύρεση κατωφλίων (threshold): πολύ ισχυρή τεχνική τμηματοποίησης εικόνων επιπέδων γκρι Μετατροπή εικόνας σε δυαδική Βασική υπόθεση: τα pixel του αντικειμένου ξεχωρίζουν από το παρασκήνιο λόγω αποχρώσεων Κατάλληλο για εικόνες με ξεκάθαρη διαφορά 18

20 Τεχνική πολυκατωφλίωσης Ειδικά η πολυκατωφλίωση για περίπλοκες εικόνες (εικόνες με αντικείμενα διαφορετικής φωτεινότητας) αφού έχει τη δυνατότητα χρήσης πολλαπλών κατωφλιών Δυσκολία επιλογής των κατωφλίων λόγων πολλών αποχρώσεων, μικρών αντικειμένων Δυσκολία προσδιορισμού βέλτιστου πλήθους αποχρώσεων Συνδυασμός φωτεινότητας και τοπικών χωρικών χαρακτηριστικών 19

21 Άλλες τεχνικές Πολυκατωφλίωση μέσω Ιστογράμματος με Ρητές Συναρτήσεις Hill Clustering Otsu Πολύ αποδοτική μέθοδος εύρεσης κατωφλιού Reddi επέκαταση της Otsu Kapur εξαντλητική έρευνα κατωφλιών δαπανηρή Τοπικού κατωφλιού κυρίως σε έγγραφα αρνητικό: η χρήση πολλών παραμέτρων 20

22 Μείωση αποχρώσεων Χρήση αποτελεσματικού ταξινομητή για επιτυχή προσδιορισμό των κλάσεων Αυτό-οργανούμενα νευρωνικά δίκτυα 21

23 Εκτίμηση βέλτιστου βαθμού αποχρώσεων ΠΡΟΣΟΧΗ: Λάθος εκτίμηση επικάλυψη αντικειμένων ή αντικειμένου-φόντου Η ύπαρξη μόνο μιας τιμής απόχρωσης είναι σπάνια 22

24 Συμπίεση Πρότυπο συμπίεσης JPEG Πρότυπο συμπίεσης στατικών εικόνων Μέσα δεκαετίας

25 Μέθοδοι συμπίεσης Συμπίεση χωρίς απώλειες Συμπίεση με απώλειες Εκτεταμένος τρόπος συμπίεσης Ιεραρχικός τρόπος συμπίεσης Μειώνεται το μέγεθος της εικόνας 24

26 Πηγές 1. N. Η. Παπαμάρκος, Ψηφιακή Επεξεργασία και Ανάλυση Εικόνας, Δημοκρίτειο, Ξάνθη Σ. Δ. Κόλλιας, Επεξεργασία, Ανάλυση και Τεχνολογία Εικόνων και Βίντεο, Σημειώσεις ΕΜΠ, Αθήνα I. Pitas, Digital Image Processing Algorithms, Prentice Hall, R. C. Gonzalez, R. E. Woods, Digital Image Processing, Prentice Hall, 2 nd Edition Ιωάννης Έλληνας, ψηφιακή επεξεργασία εικόνας, διαφάνειες ΑΤΕΙ Πειραιά 6. Ιωάννης Καρύδης, Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας Εισαγωγή, διαφάνειες 25

27 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό. Οι όροι χρήσης των έργων τρίτων επεξηγούνται στη διαφάνεια «Επεξήγηση όρων χρήσης έργων τρίτων». Τα έργα για τα οποία έχει ζητηθεί άδεια αναφέρονται στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

28 Επεξήγηση όρων χρήσης έργων τρίτων διαθέσιμο με άδεια CC-BY διαθέσιμο με άδεια CC-BY-SA διαθέσιμο με άδεια CC-BY-ND διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC-SA διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC-ND διαθέσιμο με άδεια CC0 Public Domain διαθέσιμο ως κοινό κτήμα χωρίς σήμανση Δεν επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, παρά μόνο εάν ζητηθεί εκ νέου άδεια από το δημιουργό. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου και η δημιουργία παραγώγων αυτού με απλή αναφορά του δημιουργού. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού, και διάθεση του έργου ή του παράγωγου αυτού με την ίδια άδεια. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η δημιουργία παραγώγων του έργου. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού και διάθεση του έργου ή του παράγωγου αυτού με την ίδια άδεια. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου και η δημιουργία παραγώγων του. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, η δημιουργία παραγώγων αυτού και η εμπορική του χρήση, χωρίς αναφορά του δημιουργού. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, η δημιουργία παραγώγων αυτού και η εμπορική του χρήση, χωρίς αναφορά του δημιουργού. Συνήθως δεν επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου.

29 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.

30 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Ιονίων Νήσων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.