ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΑΣ Ενότητα 2: Βελτιστοποίηση Εικόνας Ιωάννης Έλληνας Τμήμα Υπολογιστικών Συστημάτων
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη 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. 2
1. Σκοποί ενότητας... 4 2. Περιεχόμενα ενότητας... 4 3. Τεχνικές σημείου... 5 3.1 1 η Άσκηση... 5 3.1.1 Άσκηση 1.1... 5 3.1.2 Άσκηση 1.2... 6 3.1.3 Άσκηση 1.3... 7 3.1.4 Άσκηση 1.4... 7 3.2 2 η Άσκηση... 8 3.3 3 η Άσκηση... 9 3.4 4 η Άσκηση... 9 3.5 5 η Άσκηση... 10 3.6 6 η Άσκηση... 11 4. Τεχνικές χώρου... 13 4.1 1 η Άσκηση... 13 4.2 2 η Άσκηση... 14 4.3 3 η Άσκηση... 15 3
1. Σκοποί ενότητας Στην ενότητα αυτή εξετάζονται διάφοροι αλγόριθμοι βελτιστοποίησης μιας εικόνας, όπως η επέκταση της φωτεινότητας ή η βελτίωση της αντίθεσης. Ακόμα εξετάζονται οι τεχνικές χώρου με τις οποίες δημιουργούμε φίλτρα τα οποία κυρίως χρησιμοποιούνται για την αποκατάσταση μιας εικόνας από το θόρυβο. Σκοπός της ενότητας είναι η πρακτική εξοικείωση των εκπαιδευομένων με τις παραπάνω έννοιες με την επίλυση ασκήσεων. 2. Περιεχόμενα ενότητας H ενότητα αυτή καλύπτει με τις αντίστοιχες 9 πρακτικές ασκήσεις τις εξής βασικές έννοιες: Τι είναι ο εμπλουτισμός εικόνας Τεχνικές σημείου Αντιστροφή φωτεινότητας Επέκταση της αντίθεσης Κλιμάκωση φωτεινότητας Κόψιμο φωτεινότητας Τεμαχισμός κλίμακας φωτεινότητας Ανάλυση σε δυαδικές εικόνες Λογαριθμική συμπίεση κλίμακας φωτεινότητας Εκθετική συμπίεση κλίμακας φωτεινότητας Πράξεις επί των εικόνων Εξισορρόπηση ιστογράμματος Προσαρμογή ιστογράμματος σε δεδομένο ιστόγραμμα Τεχνικές χώρου-φίλτρα Γραμμικά φίλτρα Μη γραμμικά φίλτρα Τετραδικό δέντρο 4
3. Τεχνικές σημείου 3.1 1 η Άσκηση Να διαβαστεί η εικόνα spine.mat. Χρησιμοποιείστε τη συνάρτηση inverse (βλέπε Σημειώσεις) για να αντιστρέψετε τη φωτεινότητα. Απεικονίστε την αρχική και την ανεστραμμένη εικόνα. Πως μπορείτε να επιτύχετε το ίδιο αποτέλεσμα με τη συνάρτηση imadjust; Εικόνα 1 Εικόνα 2 3.1.1 Άσκηση 1.1 (α) Να διαβαστεί η εικόνα pout.tif. Να απεικονιστεί η εικόνα και το ιστόγραμμά της. Σχολιάστε το. Εικόνα 5
3.1.2 Άσκηση 1.2 (β) Χρησιμοποιείστε την εντολή imshow(x,[]). Απεικονίστε την εικόνα και το ιστόγραμμά της. Σχολιάστε το σε σύγκριση με το προηγούμενο. Εικόνα 6
3.1.3 Άσκηση 1.3 (γ) Χρησιμοποιείστε την εντολή z=imadjust(y,[low high],[0 1]), όπου y=im2double(x) (μετατροπή από uint8 σε double), low=min(min(y)) και high=max(max(y)). Απεικονίστε την εικόνα και το ιστόγραμμά της. Σχολιάστε το σε σύγκριση με τα προηγούμενα. Εικόνα 3.1.4 Άσκηση 1.4 (δ) Χρησιμοποιείστε την εντολή w=imadjust(x,stretchlim(x),[0 1]). Απεικονίστε την εικόνα και το ιστόγραμμά της. Σχολιάστε το σε σύγκριση με τα προηγούμενα. Εικόνα 7
3.2 2 η Άσκηση Να διαβαστεί η εικόνα spine.mat. Ποια είναι η ελάχιστη και η μέγιστη τιμή φωτεινότητας; Χρησιμοποιείστε τη συνάρτηση rescale (βλέπε Σημειώσεις) για να κλιμακώσετε τη φωτεινότητα. Απεικονίστε την αρχική και την τελική εικόνα. Εξηγείστε τη διαφορά. Αρχική Εικόνα Τελική Εικόνα 8
3.3 3 η Άσκηση Στον τεμαχισμό της κλίμακας φωτεινότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί η συνάρτηση slice (βλέπε σημειώσεις) ή η συνάρτηση imadjust. Διαβάστε την εικόνα spine και εφαρμόστε τις δυο τεχνικές τεμαχισμού με τη βοήθεια της πρώτης συνάρτησης στην περιοχή φωτεινότητας [55 128]. Απεικονίστε τις εικόνες. Εφαρμόστε τη δεύτερη συνάρτηση για τον ίδιο σκοπό και βεβαιωθείτε για το ίδιο αποτέλεσμα απεικόνισης. Εικόνα πρώτης τεχνικής Εικόνα δεύτερης τεχνικής 3.4 4 η Άσκηση Διαβάστε την εικόνα Lenna.bin και χρησιμοποιείστε τη συνάρτηση bitplane (βλέπε σημειώσεις) για την ανάλυσή της σε δυαδικές εικόνες. Απεικονίστε τις εικόνες των συντελεστών α7, α5, α1, α0. Εικόνα συντελεστή α 7 Εικόνα συντελεστή α 5 9
Εικόνα συντελεστή α 1 Εικόνα συντελεστή α 0 3.5 5 η Άσκηση Πραγματοποιείστε εξισορρόπηση ιστογράμματος για την εικόνα sphere.png με το πρόγραμμα των σημειώσεων και με το histeq του Matlab. Είναι το αποτέλεσμα ίδιο; Απεικονίστε την αρχική και την τελική εικόνα με το αντίστοιχο ιστόγραμμα. Αρχική εικόνα 10
Τελική εικόνα 3.6 6 η Άσκηση Να διαβαστεί η εικόνα sphere.png. Να παραχθεί δεύτερη εικόνα με άλλη κλίμακα φωτεινότητας (βλέπε σημειώσεις). Να δημιουργηθεί τρίτη εικόνα, με τη βοήθεια της συνάρτησης histeq, της οποίας το ιστόγραμμα να είναι προσαρμοσμένο στο ιστόγραμμα της πρώτης εικόνας. Να απεικονιστούν οι τρεις εικόνες με τα ιστογράμματά τους. Αρχική εικόνα 11
Ενδιάμεση εικόνα Τελική εικόνα 12
4. Τεχνικές χώρου 4.1 1 η Άσκηση Να διαβαστεί η εικόνα moon.tif. Να χρησιμοποιηθεί η συνάρτηση imfilter με μια μάσκα 5Χ5 και με συσχέτιση (correlation) για την παραγωγή της εικόναςεξόδου. Να απεικονιστεί το αποτέλεσμα για όλες τις περιπτώσεις επέκτασης των ορίων της εικόνας (zero padding, replicate, symmetric, circular). Να επαναληφθεί για συνέλιξη (convolution). Σχολιάστε τα αποτελέσματα. Zero padding (correlation) Replicate(correlation) Symmetric(correlation) Circular(correlation) Zero padding (convolution) Replicate(convolution) 13
Symmetric(convolution) Circular(convolution) 4.2 2 η Άσκηση Η ίδια εικόνα να φιλτραριστεί με τη συνάρτηση imfilter, αλλά με μάσκα την οποία δίνει η συνάρτηση fspecial. Να δοκιμαστούν οι μάσκες average 3x3, laplacian με α=0.5 (βλέπε σημειώσεις) και sobel. Να γραφτεί η τιμή της μάσκας σε κάθε περίπτωση και να απεικονιστούν οι τελικές εικόνες. Αρχική εικόνα Τελική με average 14
Τελική με laplacian Τελική με sobel 4.3 3 η Άσκηση Να διαβαστεί η εικόνα cameraman.tif. Να προστεθεί θόρυβος τύπου salt & pepper και να φιλτραριστεί με φίλτρο τύπου median, το οποίο παρέχει η συνάρτηση medfilt2 (συμμετρική επέκταση). Να επαναληφθεί το ίδιο με το προηγούμενο φίλτρο average και να συγκριθούν τα αποτελέσματα. Αρχική εικόνα Εικόνα με θόρυβο 15
Τελική εικόνα με φίλτρο median Τελική εικόνα με φίλτρο average 16