Εργαστήριο ADICV2. Image filtering. Κώστας Μαριάς

Transcript

1 Εργαστήριο ADICV2 Image filtering Κώστας Μαριάς

2 Image Filtering ADICV Kostas Marias TEI Crete

3 Matlab Σκοπός εργαστηρίου Θα φτιάξουμε ένα ΦΙΛΤΡΟ ΜΕΣΗΣ ΤΙΜΗΣ (mean FILTER) σε matlab Στη συνέχεια θα το συγκρίνουμε με το έτοιμο ΦΙΛΤΡΟ ΜΕΣΗΣ ΤΙΜΗΣ που υπάρχει στη matlab. Τέλος θα συγκρίνουμε τα δυο φίλτρα και θα βρούμε πόσο αποκλίνουν υπολογίζοντας το σφάλμα ανα pixel μεταξύ του δικού μας φλιτρου και της matlab. 3

4 Παράδειγμα Επεξεργασίας Εικόνας με χωρικά φίλτρα Αρχική εικόνα: Εικόνα φιλτραρισμένη με 3x3 φίλτρο ομαλοποίησης (x,y) f(x,y)=f(2,2)=11 Νέα τιμή g(x,y)=t[f(x,y)] = = 47/9 =

5 Παράδειγμα Επεξεργασίας Εικόνας με χωρικά φίλτρα Αρχική εικόνα: Εικόνα φιλτραρισμένη με 3x3 φίλτρο ομαλοποίησης Νέα τιμή = = 47/9 =

6 Παράδειγμα Επεξεργασίας Εικόνας με χωρικά φίλτρα Αρχική εικόνα: Εικόνα φιλτραρισμένη με 3x3 φίλτρο ομαλοποίησης Νέα τιμή = = 60/9 =

7 Παράδειγμα Επεξεργασίας Εικόνας με χωρικά φίλτρα Αρχική εικόνα: Εικόνα φιλτραρισμένη με 3x3 φίλτρο ομαλοποίησης Στην επόμενη διαφάνεια θα δούμε την επίδραση (ομαλοποίηση) του 3x3 φίλτρου αυτού σε μια εικόνα. 7

8 ΦΙΛΤΡΟ ΜΕΣΗΣ ΤΙΜΗΣ (mean FILTER) Η λειτουργία του φίλτρου μέσης τιμής συνίσταται με την αντικατάσταση της φωτεινότητας σε κάθε εικονοστοιχείο με τη μέση φωτεινότητα σε μια γειτονιά του. Είναι Χαμηλοπερατά (lowpass) φίλτρα μιας και αντικαθιστούμε τη τιμή του pixel με τη μέση τιμή της γειτονιάς του οπότε και μειώνουμε βαθμιαία απότομες αλλαγές στην ένταση των pixels. Ενώ μειώνουμε των τυχαίο θόρυβο όμως χάνουμε συνήθως ευκρίνεια στις ακμές τις εικόνας (edge blurring θόλωμα ακμών). 8

9 ΦΙΛΤΡΟ ΜΕΣΗΣ ΤΙΜΗΣ (mean FILTER) Η γειτονιά Ν είναι συνήθως καθορισμένη για κάθε επεξεργασία και συνήθως αντιστοιχεί σε τετράγωνες μάσκες. Έτσι για ακτίνα ίση με ένα έχουμε ουσιαστικά μια γειτονιά διαστάσεων 3 3. Ένα 3 3 φίλτρο μέσης τιμής μπορεί πρακτικά να υλοποιηθεί με μια μάσκα της μορφής: ή

10 Φιλτράρισμα στο Χωρικό πεδίο Η αρχή γραμμικού φιλτραρίσματος στο χώρο παρουσιάζεται στο σχήμα: y Εικόνα f w(- 1, - 1) w(- 1, 0) w(- 1, 1) x w(0, - 1) w(0,0) w(0, 1) w( 1, - 1) w(1, 0) w( 1, 1) (x - 1, y - 1) (x - 1, y) (x - 1, y + 1) (x, y - 1) (x,y) (x, y + 1) Συντελεστές του φίλτρου (x + 1, y - 1) (x + 1, y) (x + 1, y + 1) Pixels εικόνας f που θα φιλτραριστούν 10

11 Φιλτράρισμα στο Χωρικό πεδίο Η αρχή γραμμικού φιλτραρίσματος στο χώρο δίνεται από τη σχέση: f(x - 1, y - 1) f(x - 1, y) f(x - 1, y + 1) w(- 1, - 1) w(- 1, 0) w(- 1, 1) f(x, y - 1) f(x,y) f(x, y + 1) w(0, - 1) w(0,0) w(0, 1) f(x + 1, y - 1) f(x + 1, y) f(x + 1, y + 1) w( 1, - 1) w(1, 0) w( 1, 1) 11

12 Φιλτράρισμα στο Χωρικό πεδίο Η αρχή γραμμικού φιλτραρίσματος στο χώρο δίνεται από τη σχέση συσχέτισης: f(x - 1, y - 1) f(x - 1, y) f(x - 1, y + 1) w(- 1, - 1) w(- 1, 0) w(- 1, 1) f(x, y - 1) f(x,y) f(x, y + 1) w(0, - 1) w(0,0) w(0, 1) f(x + 1, y - 1) f(x + 1, y) f(x + 1, y + 1) w( 1, - 1) w(1, 0) w( 1, 1) g(x, y) = w(-1, -1) f(x - 1, y - 1)+ w(-1, 0) f(x - 1, y) + w(-1, 1)f(x - 1, y+1) + w(0, -1) f(x, y - 1) + w(0, 0) f(x, y) + w(0, 1) f(x, y+1) + w(1,-1) f(x+1, y - 1) + w(1, 0) f(x+1, y) + w(1, 1) f(x +1, y+1) 12

13 Matlab ΦΙΛΤΡΟ ΜΕΣΗΣ ΤΙΜΗΣ παράδειγμα με Matlab Εφαρμογή φίλτρου mean 3x3 αφού η αρχική εικόνα επιμολυνθεί θόρυβο Gauss. Χρησιμοποιούμε στη Matlab τη συνάρτηση imfilter(i,h) όπου I και h είναι πολυδιάστατοι πίνακες της εικόνας εισόδου και του φίλτρου. Το 3X3 φίλτρο μέσης τιμής δεν ανταποκρίνεται όσο καλά όσο το 5x5 το οποίο απομακρύνει καλύτερα τον θόρυβο με κόστος όμως το περαιτέρω θόλωμα της εικόνας. E. Jebamalar Leavline, D. Asir Antony Gnana Singh, On Teaching Digital Image Processing with MATLAB, American Journal of Signal Processing, Vol. 4 No. 1, 2014, pp doi: /j.ajsp % Teaching gaussian noise removal using a simple 3X3 %average filter clc;clear all; close all; Im = imread('cameraman.tif');i = imnoise(im,'gaussian'); h1 = ones(3,3) / 9;h2 = ones(5,5) / 25; I1 = imfilter(i,h1);i2 = imfilter(i,h2); subplot(2,2,1);imshow(im,[ ]);title('original Image'); subplot(2,2,2);imshow(i,[ ]);title('image with Gaussian noise'); subplot(2,2,3);imshow(i1,[ ]); title('filtered Image with 3X3 average filter'); subplot(2,2,4);imshow(i2,[ ]); title('filtered Image with 5X5 average filter'); 13

14 Matlab ΦΙΛΤΡΟ ΜΕΣΗΣ ΤΙΜΗΣ παράδειγμα με Matlab % Teaching gaussian noise removal using a simple 3X3 %average filter clc;clear all; close all; Im = imread('cameraman.tif');i = imnoise(im,'gaussian'); h1 = ones(3,3) / 9; I1 = imfilter(i,h1); subplot(2,2,1);imshow(im,[ ]);title('original Image'); subplot(2,2,2);imshow(i,[ ]);title('image with Gaussian noise'); subplot(2,2,3);imshow(i1,[ ]); title('filtered Image with 3X3 average filter'); subplot(2,2,4);imshow(im-i1,[ ]); title( Diafora anamesa se arxikh kai filtrarismenh'); 14

15 Matlab Φιλτράρισμα στο Χωρικό πεδίο Matlab Θα φτιάξουμε κώδικα matlab για να φίλτρο μέσης τιμής 3x3 : w=zeros(3,3); w(-1, -1) =; w(-1, 0)=; w(-1, 1)=; w(0, -1) =; w(0, 0)=; w(0, 1) =; w(1,-1)=; w(1, 0)=; w(1, 1) =; f = imread('cameraman.tif'); [m,n]=size(f); g=zeros(m,n); for x=1:m for y=1:n end End g(x, y) = w(-1, -1) f(x - 1, y - 1)+ w(-1, 0) f(x - 1, y) + w(-1, 1)f(x - 1, y+1) + w(0, -1) f(x, y - 1) + w(0, 0) f(x, y) + w(0, 1) f(x, y+1) + w(1,-1) f(x+1, y - 1) + w(1, 0) f(x+1, y) + w(1, 1) f(x +1, y+1) Ο ΚΩΔΙΚΑΣ ΑΥΤΟΣ ΕΊΝΑΙ ΛΑΘΟΣ!!!!!!!!!!!!!!!!!! Γιατι όμως???? 15

16 Matlab Φιλτράρισμα στο Χωρικό πεδίο Matlab Για να φτιάξουμε ένα πρόγραμμα Matlab πρέπει να μεταφέρουμε τις θεωρητικές συντεταγμένες της μάσκας 3x3 σε indexing ου είναι αποδεκτό από τη matlab (δηλ. από (1,1) έως (3,3)): w(- 1, - 1) w(- 1, 0) w(- 1, 1) w(1,1) w(1,2) w(1,3) w(0, - 1) w(0,0) w(0, 1) w(2,1) w(2,2) w(2,3) w( 1, - 1) w(1, 0) w( 1, 1) w( 3, 1) w(3,2) w( 3,3) 16

17 Matlab Φιλτράρισμα στο Χωρικό πεδίο κώδικα matlab για να φίλτρο μέσης τιμής 3x3 : w=zeros(3,3); w(:,:)=; f = imread('cameraman.tif'); [m,n]=size(f); g=uint8(zeros(m,n)); for x=2:m-1 for y=2:n-1 g(x,y)=w(1,1) *f(x-1, y-1)+ w(1,2)* f(x-1, y)+w(1,3)*f(x-1,y+1)+w(2,1)*f(x, y-1) + w(2,2)*f(x, y) + w(2,3)*f(x, y+1)+w(3,1)*f(x+1, y-1) + w(3,2)*f(x+1, y) + w(3,3)*f(x+1, y+1); end end % Η εικόνα g είναι τώρα η φιλτραρισμένη εικόνα f με φίλτρο 3x3 μέσης τιμής figure, imshow(g,[]) 17

18 Matlab Building a basic filtering code f = imread('cameraman.tif'); w=()*ones(3,3); g=zeros(size(f)); for x=2:size(f,1)-1 for y=2:size(f,2)-1 g(x,y)=w(1,1) *f(x-1, y-1)+ w(1,2)* f(x-1, y)+w(1,3)*f(x-1,y+1)+w(2,1)*f(x, y-1) + w(2,2)*f(x, y) + w(2,3)*f(x, y+1)+w(3,1)*f(x+1, y-1) + w(3,2)*f(x+1, y) + w(3,3)*f(x+1, y+1); end end subplot(1,2,1), imshow(f), title('original image') subplot(1,2,2), imshow(uint8(g)), title('filtered image') 18

19 19

20 Matlab Σύγκριση των 2 φίλτρων subplot(2,2,1);imshow(f,[]), title('original Image'); subplot(2,2,2);imshow(i,[]), title('image with Gaussian noise '); subplot(2,2,3);imshow(i1,[]), title('image filtered with Matlab s mean filter '); subplot(2,2,4);imshow(g,[]), title('filtered Image with our method'); figure, imshow(i1-g,[]), title('difference Image between the two methods'); sum(sum(i1-g))/(m*n) 20

21 ΦΙΛΤΡΑ GAUSS (Θόλωση Gauss) Είναι φίλτρα θόλωσης εικόνας που χρησιμοποιούν τη συνάρτηση Gauss (η οποία εκφράζει την κανονική κατανομή στη στατιστική)για να υπολογίσει τους συντελεστές του φίλτρου για τον μετασχηματισμό κάθε pixel: G x, y = 1 x 2 +y 2 2πσ 2 e 2σ 2 Όπου x,y είναι οι αποστάσεις από την αρχή των αξόνων και σ είναι η τυπική απόκλιση (standard deviation) της κατανομής Gauss. Στις 2 διαστάσεις η εξίσωση αυτή δίνε μια επιφάνεια της οποία τα περιγράμματα είναι ομόκεντροι κύκλοι με Γκαουσιανη κατανομή από το κεντρικό σημείο. 21

22 ΦΙΛΤΡΑ GAUSS (Θόλωση Gauss) Μια προσέγγιση στο σχεδιασμό φίλτρων Gauss είναι να υπολογίσουμε τα βάρη της μάσκας απευθείας από την ασυνεχή κατανομή Gauss: G i, j = 1 2πσ 2 e i 2 +j 2 2σ 2 Προαιρετικά μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μια είναι σταθερά κανονικοποίησης c: G(i, j) c G i, j = 1 i 2 +j 2 2πσ 2 e 2σ 2 22

23 Matlab ΦΙΛΤΡΑ GAUSS στη Matlab Η εντολή h = fspecial('gaussian', hsize, sigma) Δίνει ένα περιφερειακά συμμετρικό φίλτρο Gauss (lowpass filter) μεγέθους hsize και τυπικής απόκλισης sigma (θετικός). Το hsize μπορεί να έιναι ένα διάνυσμα που να καθορίζει τον αριθμό γραμμών/στηλών στο h, η μπορεί να είναι βαθμωτη τιμή οπότε το h θα είναι τετράγωνος πίνακας. Η προεπιλεγμένη τιμή για το hsize είναι [3 3]και για το sigma

24 Matlab ΦΙΛΤΡΑ GAUSS στη Matlab h=fspecial('gaussian', [ ],2); figure, imshow(h,[]) figure, imagesc(h,[]) h=fspecial('gaussian', [ ],7); figure, imagesc(h), colormap jet figure, surf(h), shading interp, colormap jet 24

25 Build 2 Gaussian masks a)5x5και σ=1.5, b)μια7x7και σ=1.5 and filter Image I. What happens? % Teaching gaussiannoise removal using a simple 3X3 Gaussian filter clc;clearall; close all; Im= imread('cameraman.tif');i = imnoise(im,'gaussian'); h1 = fspecial('gaussian'); h2 = fspecial('gaussian', [3 3],1.5); I1 = imfilter(i,h1); I2 = imfilter(i,h2); subplot(2,2,1);imshow(im,[ ]);title('original Image'); subplot(2,2,2);imshow(i,[ ]);title('image with Gaussian noise'); subplot(2,2,3);imshow(i1,[ ]); title('filtered Image with 3X3 Gaussian filter σ=0.5'); subplot(2,2,4);imshow(i2,[ ]); title('filtered Image with 3X3 Gaussian filter σ=1.5'); 25

26 Matlab ΦΙΛΤΡΑ GAUSS στη Matlab 26

27 Matlab ΦΙΛΤΡΑ GAUSS στη Matlab 27