ΤΨΣ 150 Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας Εισαγωγή Βασικό Θεωρητικό Υπόβαθρο Νικόλας Τσαπατσούλης Επίκουρος Καθηγητής Π..407/80 Τµήµα ιδακτικής της Τεχνολογίας και Ψηφιακών Συστηµάτων Πανεπιστήµιο Πειραιώς Τι είναι η Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας; Μια Εικόνα είναι ένα διδιάστατο σήµα f(x,y) όπου x και y είναι οι συντεταγµένες επιπέδου (2 -χώρος) και f η τιµή φωτεινότητας (απόχρωση του γκρι) στο σηµείο (x,y). Μια Ψηφιακή Εικόνα είναι µια εικόνα για την οποία oι τιµές των x,y,και f είναι διακριτές και πεπερασµένες Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας (ΨΕΕ) ονοµάζουµε την επεξεργασία Ψηφιακών Εικόνων µε τη χρήση Ψηφιακών Υπολογιστών Το ενδιαφέρον για την ΨΕΕ προκύπτει από δύο θεµελιώδεις περιοχές εφαρµογής: Βελτίωση της οπτικής πληροφορίας για κατανόηση της από τους ανθρώπους Επεξεργασία των δεδοµένων της εικόνας για αποθήκευση, µετάδοση και κατανόηση από µηχανές 1
Τι δεν υπάγεται στη Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας Ένα ερώτηµα για το οποίο δεν υπάρχει κοινή απάντηση είναι που σταµατά το πεδίο της ΨΕΕ και που αρχίζουν άλλα πεδία όπως η Υπολογιστική Όραση και η Τεχνητή Νοηµοσύνη Για την απάντηση στο ερώτηµα αυτό ορίζουµε τρία επίπεδα επεξεργασίας εικόνων Χαµηλό επίπεδο: Τόσο η είσοδος όσο και η έξοδος σε ένα αλγόριθµο επεξεργασίας χαµηλού επιπέδου είναι εικόνες (παραδείγµατα: αποθορυβοποίηση, απαλοιφή θολώµατος κλπ) Ενδιάµεσο επίπεδο: Η είσοδος, σε ένα αλγόριθµο επεξεργασίας ενδιάµεσου επιπέδου, είναι εικόνα αλλά η έξοδος είναι κάποια χαρακτηριστικά ανωτέρου επιπέδου (π.χ. Ακµές, περιγράµµατα περιοχών κλπ.) Υψηλό επίπεδο: Η είσοδος, σε ένα αλγόριθµο επεξεργασίας υψηλού επιπέδου, είναι εικόνα αλλά η έξοδος είναι πληροφορία για το σηµαντικό περιεχόµενο της εικόνας (π.χ. Ποια αντικείµενα αυτή περιέχει) Τι δεν υπάγεται στη Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας (ΙΙ) Η βελτίωση ποιότητας της εικόνας σχετίζεται µε εφαρµογή αλγορίθµων χαµηλού επιπέδου Η ανάλυση εικόνας αναφέρεται σε εφαρµογή αλγορίθµων ενδιάµεσου επιπέδου Αλγόριθµοι των δύο παραπάνω περιπτώσεων θεωρούνται αλγόριθµοι επεξεργασίας εικόνας Εφαρµογή αλγορίθµων υψηλού επιπέδου απαιτεί και τεχνικές Τεχνητής Νοηµοσύνης (ΤΝ) και είναι πεδίο της Υπολογιστικής Όρασης (απαιτεί δηλαδή τόσο τεχνικές ΨΕΕ όσο και τεχνικές ΤΝ) Παράδειγµα: Σκαννάρισµα κειµένου και OCR (Optical Character Recognition) υπάγονται στην επεξεργασία εικόνας. Κατανόηση κειµένου => Τεχνητή Νοηµοσύνη 2
Ιστορικά Στοιχεία 1921: Μετάδοση εικόνας ηλεκτρονικά από Λονδίνο σε Νέα Υόρκη µε υποθαλάσσιο καλώδιο (τηλεγράφου). Κατευθείαν εκτύπωση της εικόνας στη λήψη (όχι αποθήκευση) µε τεχνική Halftoning 1929: Μετάδοση εικόνας ηλεκτρονικά από Λονδίνο σε Νέα Υόρκη και κατευθείαν εκτύπωση της µε χρήση τεχνικών φωτογραφικής αναπαραγωγής και 15 αποχρώσεις του γκρι (Βλέπε κατωτέρω εικόνα) Ιστορικά Στοιχεία (ΙΙ) 1964: Για πρώτη φορά χρησιµοποιούνται Ψηφιακοί Υπολογιστές για την επεξεργασία εικόνων του φεγγαριού που λήφθηκαν από φωτογραφική µηχανή στο διαστηµόπλοιο Ranger 7. Ο στόχος ήταν να απαλειφθούν οι παραµορφώσεις εξαιτίας της κίνησης του διαστηµοπλοίου µαζί µε την φωτογραφική µηχανή. 3
Εφαρµογές Υπάρχουν αµέτρητες περιοχές εφαρµογών της ΨΨΕ, οι οποίες εξελίσσονται ραγδαία. Θα δώσουµε πιο κάτω µερικές από αυτές. ultrasonic imaging microscopy robotic assembly astronomy radiology serveillance "imaging" remote sensing meteorology radar, SAR seismology autonomous navigation inspection oceanography reconnassaince & mapping Ηλεκτροµαγνητική Ακτινοβολία Το ηλεκτροµαγνητικό φάσµα καλύπτει πολλές χρήσιµες ακτινοβολίες που χρησιµοποιούνται στην απεικόνιση: cosm ic rays E le c tr o m a g netic Spectrum gam m a rays X - R a y s visible U V IR m ic ro w a v e (S A R ) radio frequency 10-4 10-2 1 10 2 10 4 10 6 10 8 10 10 10 12 w avelength (A ngstrom s) 1 Å = 1 0-1 0 m 4
Ηλεκτροµαγνητική Ακτινοβολία (ΙΙ) Μερικοί κλάδοι της επιστήµης, π.χ. αστρονοµία, περιέχουν εικόνες από όλο το φάσµα. Συνήθως θα χρησιµοποιήσουµε παραδείγµατα εικόνων από το ορατό φάσµα. Αυτό είναι ένα πολύ µικρό κοµµάτι του φάσµατος ακτινοβολίας! cosm ic rays E le c tr o m a g netic Spectrum gam m a rays X - R a y s visible U V IR m ic ro w a v e (S A R ) radio frequency 10-4 10-2 1 10 2 10 4 10 6 10 8 10 10 10 12 w avelength (A ngstrom s) 1 Å = 1 0-1 0 m ηµιουργία Ψηφιακών Εικόνων Μπορούµε να διακρίνουµε τρεις τύπους εικόνας, οι οποίοι δηµιουργούν διαφορετικούς τύπους πληροφορίας εικόνας: Εικόνες που δηµιουργούνται µε απεικόνιση αντανάκλασης Εικόνες που δηµιουργούνται µε απεικόνιση εκποµπής Εικόνες που δηµιουργούνται µε απεικόνιση απορρόφησης selfluminous object radiation source opaque reflective object emitted radiation emitted radiation transparent/ translucent object emitted radiation reflected radiation altered radiation radiation source sensor(s) electrical signal 5
Απεικόνιση Αντανάκλασης Η πληροφορία της εικόνας είναι η πληροφορία της επιφάνειας, δηλαδή πως ένα αντικείµενο αντανακλά / απορροφά ακτινοβολία Οπτική (ορατή, φωτογραφική, µε βάση τις ακτίνες laser) Radar Sonar, ultrasound (non-em) Υπέρηχοι Electron microscopy - Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο. Απεικόνιση Εκποµπής Απεικόνιση εκποµπής: Η πληροφορία εικόνας είναι εσωτερική πληροφορία, δηλαδή πως ένα αντικείµενο δηµιουργεί ακτινοβολία Θερµική, υπέρυθρη (γεωφυσική, ιατρική, στρατιωτική) Αστρονοµία (άστρα, γαλαξίες, κλπ.) Πυρηνική (εκποµπή σωµατιδίων). 6
Απεικόνιση Απορρόφησης Η πληροφορία της εικόνας είναι εσωτερική πληροφορία, δηλαδή πως ένα αντικείµενο αλλάζει / απορροφά ακτινοβολία που περνά διαµέσου του. Ακτίνες Χ σε πολλές χρήσεις Οπτική µικροσκοπία σε χρήσεις εργαστηρίου Τοµογραφία στην ιατρική ηµιουργία Εικόνων µε Ακτίνες γ Χρήση για τη διάγνωση παθολογιών στα οστά - Εικόνα (α) Ένεση µε ραδιοισότοπα ακτινοβολίας γ χορηγείται στον ασθενή Positron Emission Tomography (PET) Εικόνα (b) Συλλογή ακτινοβολίας γ αστερισµού Συλλογή ακτινοβολίας γ από µια βαλβίδα πυρηνικού αντιδραστήρα 7
ηµιουργία Εικόνων µε Ακτίνες Χ Τυπική ακτινογραφία θώρακος Αγγειογραφία Αξονική Τοµογραφία Βιοµηχανικές εφαρµογές αναγνώριση ατελειών σε ηλεκτρονικά κυκλώµατα όπως διακοπές σε αγώγιµες διαδροµές Αστρονοµία (καταγραφή αστερισµού) ηµιουργία Εικόνων µε Υπεριώδεις Ακτίνες Ακτινοβόληση φθοριζόντων υλικών µε υπεριώδη ακτινοβολία προκαλεί έκκληση ορατού φωτός Ηλεκτρονικό µικροσκόπιο Χρήση στην Αστρονοµία (καταγραφή αστερισµού) καταγραφή θερµικής εκποµπής στην υπεριώδη µπάντα συχνοτήτων 8
Ορατό και Υπέρυθρο Φάσµα Ορατό και Υπέρυθρο Φάσµα 9
Ορατό και Υπέρυθρο Φάσµα Ορατό και Υπέρυθρο Φάσµα 10
Υπέρυθρο Φάσµα Υπέρυθρο Φάσµα (ΙΙ) 11
Μικροκυµατικό Φάσµα Φάσµα Ραδιοσυχνοτήτων 12
Υπερηχογραφήµατα Μεταβάλλονται ανάλογα µε τις κλίµακες που υπάρχουν στην φύση: Κλίµακες Απεικόνισης Hubble Space Telescope 10 28 m The Great Wall (of galaxies) 1 m video camera electron microscope 10-6 m 13
ιαστάσεις Εικόνων dimension 2 Οι εικόνες είναι διδιαστατά σήµατα ενώ το βίντεο είναι τρισδιάστατο σήµα Ο αριθµός των διαστάσεων είναι ο αριθµός των συντεταγµένων που χρειάζονται για να προσδιορισθεί ένα σηµείο photograph two space dimensions dimension 2 dimension 3 sequence of photographs or motion picture two space dimensions and one time dimension dimension 1 dimension 1 Συσχέτιση µε άλλα Ερευνητικά Πεδία Βασικά Βήµατα για τη ΨΕΕ 14
Συσχέτιση µε άλλα Ερευνητικά Πεδία οµικά Στοιχεία Συστηµάτων ΨΕΕ 15