Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Ιονίων Νήσων Ψηφιοποίηση και Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας Ενότητα 10: Εισαγωγή στην 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.
Εικόνα Οτιδήποτε μπορούμε να δούμε ή να απεικονίσουμε σε 2 διαστάσεις Μια εικόνα χίλιες λέξεις Μια ψηφιακή εικόνα αποχρώσεων του γκρι, διαστάσεων Μ x Ν, παριστάνεται από έναν δισδιάστατο πίνακα ακεραίων αριθμών Μ x Ν Δισδιάστατο σήμα Σήμα είναι μια ποσότητα που μεταβάλλεται σε συνάρτηση με κάτι άλλο Το σήμα της εικόνας περιγράφει την μεταβολή φωτεινότητας σε σχέση με τις συντεταγμένες κάθε σημείου (pixel) στο δισδιάστατο χώρο. 1
Αναλογικά σήματα Ψηφιακά σήματα Αναλογικό σήμα εικόνας ψηφιακή εικόνα Μια ψηφιακή εικόνα μπορεί να είναι: δυαδική (binary image). μονοχρωματική με αποχρώσεις του γκρι (gray level ή gray scale image). έγχρωμη (color image). 2
Χαρακτηριστικά εικόνων Τύπος εικόνας Ν Μ m bits bytes δυαδική 100 100 1 10.000 1.250 αποχρώσεων γκρι 100 100 8 80.000 10.000 έγχρωμη 100 100 24 240.000 30.000 3
Ψηφιακή επεξεργασία εικόνας Ένα σύστημα επεξεργασίας εικόνων... Καταγράφει εικόνες Επεξεργάζεται εικόνες με ψηφιακό τρόπο Εξάγει νέες εικόνες Παραδείγματα επεξεργασίας εικόνων Βελτίωση ποιότητας Φιλτράρισμα/Αφαίρεση θορύβων Αποκατάσταση υποβαθμισμένων εικόνων/αποκατάσταση εικόνας Συμπίεση/αποθήκευση/μετάδοση Ανακατασκευή από προβολές Υδατογράφηση Ανάλυση εικόνας Περιγραφή περιεχομένου εικόνας Αναγνώριση περιεχομένου εικόνας 4
Εμφάνιση πληροφορίας που δεν είναι ορατή 5
Lena Söderberg 1973 - η εικόνα για δοκιμές αλγορίθμων επεξεργασίας εικόνας 6
Εφαρμογές βελτίωσης/αποκατάστασης εικόνας Ιατρική εύκολη διάγνωση από ακτινογραφίες κλπ Έρευνα καταγραφή/παρακολούθηση αλλαγών Πολιτισμός ανακάλυψη λεπτομερειών/ψηφιοποίηση Καλλιτεχνικά βελτίωση φωτογραφιών 7
Ανάλυση εικόνας (Computer vision) Βιομηχανία γραμμή παραγωγής προϊόντων Ασφάλεια/παρακολούθηση - ανίχνευση κίνησης, αναγνώριση προσώπου κλπ Τεχνητή νοημοσύνη - κατανόηση κόσμου από μηχανές 8
Χρώμα Δεν είναι απόλυτα κατανοητή η διαδικασία αντίληψης χρωμάτων Sir Isaac Newton (1666) παρατηρεί τη διάσπαση του ηλιακού φωτός σε ένα συνεχές φάσμα χρωμάτων 9
Διάφορες έννοιες Βάθος χρώματος: αποδίδει το πλήθος των αποχρώσεων (μεγαλύτερο βάθος περισσότερες διαθέσιμες αποχρώσεις) Ευκρίνεια: πόσο καλά βλέπουμε λεπτομέρειες d.p.i ( dots per inch ) πόσα pixels ανά μονάδα επιφάνειας Αντίθεση ή contrast: Κλίμακα από τη σκοτεινότερη στη φωτεινότερη περιοχή. 10
Στοιχεία χρώματος Ο συνδυασμός των 3 βασικών χρωμάτων δεν αρκεί για να δημιουργηθούν όλα τα υπαρκτά χρώματα αλλά απαιτείται και μεταβολή μήκους κύματος Άχρωμο φως: μόνη ιδιότητα ένταση Χρωματικό φως 400nm - 700nm του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος Χαρακτηριστικά ακτινοβολία - τελικό ποσό ενέργειας που εκπέμπεται, watt φωτεινότητα - ποσό ενέργειας που λαμβάνει ο παρατηρητής - lumens λαμπρότητα - υποκειμενικό μέγεθος, περιγραφή αίσθησης χρώματος 11
Διαχωρισμός χρωμάτων - χαρακτηριστικά Λαμπρότητα (brightness) ένταση φωτός (intensity) Απόχρωση (hue) το υπερισχύον χρώμα που αντιλαμβάνεται αυτός που βλέπει την εικόνα Χρωματική καθαρότητα/ποσότητα χρώματος (saturation) ποσότητα λευκού φωτός αναμειγμένου με μια απόχρωση Ο βαθμός χρωματικής καθαρότητας είναι αντιστρόφως ανάλογος της ποσότητας λευκού φωτός το κόκκινο έχει πλήρη χρωματική καθαρότητα, ενώ το ροζ (κόκκινο και άσπρο) έχει μικρότερη χρωματική καθαρότητα. Απόχρωση + χρωματική καθαρότητα κάθε χρώμα μπορεί να εκφραστεί πλήρως με χρωματικότητα & λαμπρότητα 12
Χρωματικό σύστημα RGB Κάθε χρώμα συντίθεται από τρία βασικά Red, Green, Blue x X X Y Z y X Y Y Z z Z x y z X Y Z 1 13
Οι εικόνες RGB αποτελούνται από 3 ανεξάρτητα επίπεδα, 1 για κάθε βασικό χρώμα 14
Χρωματικό σύστημα CMY ή CMYK Cyan - Κυανό (πράσινο και μπλε) Magenta ματζέντα (κόκκινο και μπλε) Yellow κίτρινο C = 1 R M = 1 G Y = 1 B Αν προστεθεί και το μαύρο τότε έχουμε το σύστημα CMYK 15
Χρωματικό μοντέλο HSI Hue - απόχρωση Saturation - καθαρότητα Intensity φωτεινότητα Το χρώμα καθορίζεται από τη μεταβολή του Η. Δεν χρειάζεται η αναλογία των RGB Η μεταβολή του S δίνει διαφορετική καθαρότητα στο ίδιο χρώμα. Για παράδειγμα το σκούρο κόκκινο μπορεί να γίνει ροζ με μεταβολή του S. Το Ι καθορίζει τη φωτεινότητα. Στο μοντέλο HIS, το Η είναι γωνία 0 έως 360 0, το S είναι ακτίνα 0 έως 1 και το Ι είναι ο άξονας z με τιμές 16 0 για το μαύρο και 1 για το άσπρο
Χρωματικό μοντέλο YC b C r Το μοντέλο αυτό διαχωρίζει τη φωτεινότητα (Υ) από την πληροφορία του χρώματος (μπλε και κόκκινο C b C r ) 17
Χρωματικό μοντέλο YIQ φωτεινότητα (Υ) η απόχρωση (I) χρωματική καθαρότητα (Q) Χρησιμοποιείται στην τηλεόραση 18
Χρωματικό μοντέλο CIELAB Ιδιαίτερη ευαισθησία σε μικρές χρωματικές μεταβολές Δύο μοντέλα με μικρή διαφορά μεταξύ τους CIELUV (L*u*v*) & CIELAB (L*a*b*) L* (αντιληπτή φωτεινότητα perceived lightness) (L*u*v*) και 2 συνιστώσες που καθορίζουν την ανάμειξη κόκκινου - πράσινου (L*a*b*) και 2 συνιστώσες που καθορίζουν την ανάμειξη κίτρινου μπλε 19
PPI Pixels per inch Μονάδα για την ευκρίνεια μιας ψηφιακής εικόνας Οι συσκευές ψηφιοποίησης δημιουργούν pixels per inch 20
DPI Dots per inch Μονάδα για την ευκρίνεια μιας μονάδας εξόδου π.χ. ενός εκτυπωτή Πόσα σημεία χρώματος έχει τη δυνατότητα μια τέτοια συσκευή να τοποθετεί πάνω σε μια ίντσα 21
Περιοχές ψηφιακής επεξεργασίας και ανάλυσης εικόνας 2D σήματα και συστήματα Δειγματοληψία και ψηφιοποίηση Καταγραφή εικόνας Αναπαράσταση και μοντελοποίηση Βελτίωση εικόνας Αποκατάσταση εικόνας (μείωση θορύβου, θολώματος κλπ) Συμπίεση Τεράστιος όγκος Αποσυμπίεση χωρίς απώλειες 22
Περιοχές ψηφιακής επεξεργασίας και ανάλυσης εικόνας Ανακατασκευή από προβολές Ιατρική, Βιομηχανία, Γεωλογία 3D σώματα Στερεοσκοπική όραση Επεξεργασία έγχρωμων εικόνων Από την επεξεργασία στην Ανάλυση Επεξεργασία και Ανάλυση ακολουθίας εικόνων Υδατογράφηση, Ανάκτηση πληροφορίας από ΒΔ κλπ 23
Πηγές 1. N. Η. Παπαμάρκος, Ψηφιακή Επεξεργασία και Ανάλυση Εικόνας, Δημοκρίτειο, Ξάνθη 2001. 2. Σ. Δ. Κόλλιας, Επεξεργασία, Ανάλυση και Τεχνολογία Εικόνων και Βίντεο, Σημειώσεις ΕΜΠ, Αθήνα 2001. 3. I. Pitas, Digital Image Processing Algorithms, Prentice Hall, 1992. 4. R. C. Gonzalez, R. E. Woods, Digital Image Processing, Prentice Hall, 2 nd Edition 2002. 5. Ιωάννης Έλληνας, ψηφιακή επεξεργασία εικόνας, διαφάνειες ΑΤΕΙ Πειραιά 6. Ιωάννης Καρύδης, Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας Εισαγωγή, διαφάνειες 24
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] http://creativecommons.org/licenses/από-nc-sa/4.0/ 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.
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.
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.
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.