Transcript Digitálne spracovanie obrazu

Digitálne spracovanie obrazu
Základné vlastnosti obrazu
Obraz
•
Farebná plocha
•
Reálny obraz - spojitá plocha so
spojitou farebnou funkciou f(x,y)
•
Analógový obraz - spojité spektrum
farieb (sčernanie emulzie, elektrický
náboj na fotocitlivej ploche
kamery...)
•
Digitálny obraz - konečná matica
bodov s konečným množstvom
farieb
Reprezentácia obrazu v počítači
• Počítač pracuje s číslami
• Transformácia obrazu na čísla – digitalizácia obrazu
– skener
– fotoaparát, kamera s digitálnym čipom
– vytvorenie obrázku v grafickom editore
• Existujú dva základné typy reprezentácie 2-rozmerných grafických
objektov (obrázkov)
– Vektorová grafika
– Bitová mapa (bitmapa)
Vektorová grafika
•
Obrázok pozostáva z rôznych
geometrických tvarov
– úsečka, krivka, obdĺžnik, elipsa, kruh,
mnohouholník, šípka, textové pole
•
Každý objekt má určité vlastnosti
– čiara (hrúbka, farba, tvar, šípky)
– výplň (farba, šrafovanie,
priehľadnosť)
Bitová mapa
• Pravouhlá tabuľka čísel
• Obrázok je rozdelený na malé časti – pixel
• Každý pixel má svoju presnú polohu a obsahuje číslo farebného odtieňa
#6B0800
obrázok prevzatý z: www.infovek.sk/predmety/ biologia/testy/bunka.php
Digitalizácia
•
Prevod obrázku na číselnú maticu
1) Vzorkovanie
2) Kvantizácia odtieňov farieb
•
Analógová fotografia (klasická,
chemická cesta)
– dlhá doba k získaniu obrazu (proces
chemického vyvolávania)
– zložité meracie metódy
– drahý materiál, obmedzené
množstvo záznamových médií
•
Nutnosť digitalizovať
– bezstratová archivácia
– možnosť prenosu a kopírovania
– štandardné formáty obrázkov pre
všetky typy počítačov
– úprava obrázkov, digitálne
spracovanie
– možnosť objetkívneho merania
– jednoduchá manipulácia
01 0
0
0
0
Vzorkovanie (sampling)
• Prvý stupeň digitalizácie obrazu
– Obraz sa rozdelí na malé body
(pixely)
– pixely ležia v pravouhlej matici,
sú to rovnako od seba vzdialené
body
– Svetlocitlivý čip digitálnej kamery
- matica fotodiód
– Rozmer pixelu digitálnej kamery:
5 až 10 μm
– Vzorkovací interval –
vzdialenosť dvoch susedných
pixelov
– Vzorkovacia frekvencia –
prevrátená hodnota
vzorkovacieho intervalu
Kvantizácia farby
• Premena farby na číselný kód
– Každý pixel má svoj farebný
odtieň
– V prípade grayscale (čiernobiely
obrázok) sa mu priradí odtieň
sivej
– Farebný odtieň pixelu je priemer
farby plochy, ktorú na obrázku
zaberá
– Číslo farebného odtieňa udáva
farebný model, ktorý obrázok
používa (Grayscale, RGB,
CMYK, HSL a iné)
– Farebná hlbka – množstvo
farebných odtieňov na jeden
pixel (v bitoch)
Rozmery obrazu a rozlíšenie
• Veľkosť bitmapy sa udáva ako horiznotálny počet pixelov krát vertikálny
počet pixelov
•
počet pixelov
Rozlíšenie = 2,54
skutočná veľkosť (cm)
199
• Skutočná veľkosť: cm, mm
241
• Ak je skutočná veľkosť v palcoch (1 in = 2,54 cm), tak sa rozlíšenie
udáva v bodoch na palec (Dots Per Inch – DPI)
• Veľkosť obrázka je 241 x 199 pixelov, skutočná veľkosť je 4,1 x 3,4 cm
• Horiznotálne rozlíšenie: 241/4,1cm = 58,78 pixelov na cm
• 58,78 x 2,54 = 150 DPI
obrázok prevzatý z http://www.healthsystem.virginia.edu/internet/microscopy/images/23MITOSIS.jpg
Pixelizácia – aliasing
8
6
•
Pri nízkom rozlíšení sa strácajú
detaily
•
Objavujú sa štruktúry, ktoré v
skutočnom obraze nie sú
•
Na mieste „miním“ sa objavia
maximá a naopak
•
Hrubá pixelizácia posúva a
deformuje spektrum priestorových
frekvencií
4
2
0
0
2
4
6
8
Hladká krivka
8
8
6
6
4
4
2
2
0
0
0
2
4
32 bodov
6
8
0
2
4
8 bodov
6
8
Priestorová frekvencia
• Obraz je dvojrozmerná funkcia f (x,y) priestorových súradníc
• Digitálny obraz – diskrétna funkcia
– možno zapísať pomocou Fourierovho radu
– Priestorové spektrum
– Najmenšie detaily zodpovedajú najväčšej priestorovej frekvencii
– Najväčšie detaily zodpovedajú najmenšej priestorovej frekvencii
– Najvyššie frekvencia zodpovedá najmenšej vzdialenosti medzi dvomi
miestami s rozličnou intenzitou (pri grayscale)
fmax ~ 1/dmin
– Súvis medzi najväčšou priestorovou frekvenciou a rozmerom pixelu čipu
kamery - Nyquistovo kritérium
Nyquistovo kritérium
• Vzorkovacia frekvencia musí byť minimálne dvakrát väčšia, ako najvyššia
priestorová frekvencia pozorovanej vzorky
Dôsledky
– Dva pixely na najmenší bod v obraze
– Nemožno rozlíšiť dva body, ktoré sú bližšie, ako dva pixely
– Dva pixely treba na rozlíšenie intenzitného prechodu v najjemnejšom detaile
– Podobné kritérium pre FFT
Veľkosť pixelu vs. difrakčný krúžok
Objektív (N.A.)
Difrakčný krúžok
(premietnutý) μm
Rozlíšenie μm
4x (0,10)
11,2
2,8
10x (0,25)
11,0
1,1
20x (0,40)
13,8
0,69
40x (0,65)
16,8
0,42
60x (0,85)
19,2
0,32
100x (0,90)
31,0
0,31
100x (1,40)
20,0
0,20
Požadovaný rozmer pixel 5÷10 μm (λ = 550 nm), premietací
nadstavec zv. 1x ÷ 2x
Bitová hĺbka – Grayscale
• Ľudské oko rozoznáva asi 50 odtieňov sivej
• 8-bitový obrázok – 256 úrovní
• 12-bitový – 4096 úrovní
• 16-bitový až 65 536 úrovní
• najtmavšia úroveň – čierna
• najsvetlejšia úroveň – biela
• každý odtieň má svoje číslo, ktoré sa pridelí danému pixelu
256 úrovní sivej
Farby
• Farebné palety:
– RGB (Red Green Blue) – červená, zelená, modrá
• farby, z ktorých možno poskladať ľubovoľný odtieň
• skladanie farieb
– CMYK (Cyan, Magenta, Yellow) – azúrová, purpurová, žltá
• odoberanie farieb (biela bez zelenej = azúrová, atď.)
• používa sa pri tlači
Farebná paleta
• RGB
– 8-bitová RGB mapa: každý pixel obsahuje trojicu čísel od 0 do 255. Prvé
číslo určuje množstvo červenej, druhé zelenej a tretie modrej
• (255, 0, 0) sýtočervená
• (0, 255, 0) sýto zelená
• (0, 0 , 255) sýto modrá
• (0, 0, 0) čierna
• (255, 255, 255) biela
• (n,n,n) odtieň sivej
Šestnástková sústava
Niekedy sa trojica určujúca farbu
udáva v hexadecimálnej sústave
(0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C,
D, E, F)
Výber farby v programe Adobe Photoshop Elements
Histogram
• Graf početností jednotlivých úrovní
farieb alebo urovní sivej v danom
obrázku
• x-ová os úroveň farby
• y-ová os počet (početnosť) pixelov
s danou úrovňou
• Intenzitný histogram
• okamžitá kontrola úrovne
jednotlivých farieb a osvetlenia
Vlastnosti obrazu
•
Jas
– upravuje celkový jas všetkých
farebných zložiek
•
Kontrast
– upravuje rozdiely medzi najtmavšími
a najsvetlejšími bodmi
•
Gama korekcia
– vyváženie nelinearít zobrazovacích
systémov
– pre každú farbu zvlášť
– podľa tzv. gama krivky upravuje
hodnoty zastúpenia jednotlivých
farieb, prípadne stupňa sivej
Zdroj: Wikipedia
Veľkosť súboru s obrázkom
• Existuje množstvo obrazových formátov (BMP, JPG, GIF, TIFF,...)
• BMP je formát, v ktorom sú priamo uložené pixely s hodnotami
farebných odtieňov
– veľkosť sa dá odhadnúť: počet pixelov x bitová hĺbka farieb
– obrázok: 241 x 199 = 47 959 pixelov, každý pixel obsahuje 3x8 bitov farebnej
informácie (255 = 8 bitov úrovní v každej farbe)
– 47 959 x 24 bit = 1 151 016 bit = 143 877 B = 140 kB
• JPG je komprimovaný formát, má oveľa menšie pamäťové nároky, ale
stráca sa kvalita. Pri malých kompresiách je kvalita dostatočná
– analógia: WAW a MP3 v hudbe
Digitálne spracovanie obrazu
Digitálna kamera a mikroskop
Digitálna kamera
• Opticky rovnaká, ako filmová kamera (fotoaparát)
• Film nahradil elektronický čip
• Obsahuje spojnú optickú sústavu (objektív), ktorá vytvára v rovine čipu
(filmu) skutočný prevrátený a zmenšený obraz
Digitálny čip
• Integrované pole (matica) svetlocitlivých mikroskopických súčiastok,
fotodiód (pixel)
• Rozmer jedného pixela 5 až 10 μm
• Konštrukčne existujú dva základné typy takýchto čipov (1970):
– CCD (Charge-Coupled Device)
– CMOS (Compementary Metal Oxid Semiconductor)
• Donedávna boli preferované CCD
• Dnes zaznamenávame nástup CMOS – menší šum, čipy väčších
rozmerov (viac pixelov), pixel menších rozmerov, menšia spotreba
energie
• Základný princíp – fotoelektrický jav (premieňa svetlo na elektrický
náboj)
Fotoelektrický jav
•
1905, Albert Einstein – objasnil
fotoelektrický jav, 1921 Nobelova cena
•
Elektricky neutrálna Zn platnička sa po
osvietení UV žiarením kladne nabila
•
–
UV fotón narazí do elektrónu v štruktúre
zinku
–
Ak je energia UV fotónu dostatočná, môže
„vyraziť“ elektrón z látky
–
látka sa nabije kladným elektrickým
nábojom
e-
Digitálne kamery využívaju tzv. vnútorný
fotoelektrický jav
–
vzniká v polovodičoch
–
svetlo (aj viditeľné) spôsobuje zvýšenie ich
vodivosti
–
fotóny narážajú do elektrónov, ale nemajú
dostatočnú energiu, aby ich dostali mimo
objem látky
–
elektróny zostávajú v polovodiči, ale majú
vyššiu energiu od fotónov, preto sa v látke
môžu voľne pohybovať – vodivostné
elektróny
Zn
epolovodič (napr. Si)
CCD
•
Charge-coupled device
•
Svetlo dopadá na jednotlivé pixely
(fotodiódy), „zbiera sa“ náboj
•
Potom sa elektrický náboj postupne
po riadkoch alebo stĺpcoch vyčítava
do analogovej zbernice
•
Zbernica posiela do zosilňovača
signál po riadkoch
•
Z čipu odchádza elektrický (nie
digitálny) signál
•
Signál sa digitalizuje v tzv. A/D
prevodníku
•
Digitalizovaný signál sa posiela do
počítača na ďalšie spracovanie
alebo uloženie
CMOS
•
Complementary Metal Oxide
Semiconductor
•
Optický signál sa mení na napätie a
zosilňuje priamo v každom pixeli
•
Snímacia plocha pixelu je menšia,
celá plocha čipu je „deravá“
•
Rieši sa prídavnou mikrošošovkou
nad každý pixel
•
Z čipu odchádza už digitálny signál,
A/D prevodník je integrovaný na čipe
CCD
CMOS
Snímanie farieb
•
Fotodiódy na čipe sú rovnakého
druhu
•
Použitie farebných filtrov
– farebný filter prepustí len jednu
zložku bieleho svetla
•
Jeden pixel pozostáva zo 4
detektorov (2 zelené, modrý a
červený)
•
Ak máme 6 megapixelový čip, v
skutočnosti vie zaznamenať len 6/4
= 1,5 miliónov bodov na jeden
obrázok!
•
Výsledná farba pixelu sa vypočíta z
údajov z jednotlivých fotodiód
Bayerov filter
Skutočný CCD čip
Merania CCD čipu pomocou SIMS
Vyzualizácia modrého a zeleného filtra
modrá
zelená
Fotografický/elektronický záznam mikroskopického obrazu
•
Optické zosúladenie mikroskopu s maloformátovým fotoaparátom resp.
CCD kamerou / digitálnym fotoaparátom
– Mikroskopický systém spolu s okulárom vytvára neskutočný obraz 
nemožno ho premietnuť na tienidlo, ani na film resp CCD čip – skutočný
obraz je vo vnútri tubusu
– možno využiť premietací okulár (zväčšenie 1 ÷ 6,3x)
– využitie špeciálneho premietacieho nádstavca (CCD kamery)
– Treba pritom zabezpečiť vhodný rozmer premietaného obrazu (24x36 mm
resp. podľa formátu CCD kamery)
– Dôležité je tiež zabezpečenie planarity premietaného obrazu
(planapochromáty)
Rozlíšenie zachyteného obrazu
• Obraz z mikroskopu možno provizórne zachytiť aj pomocou vlastného
objektívu fotokamery
– nekvalitný obraz + problém s rozmermi zorného poľa
• Zabezpečenie „prenosu“ užitočnej rozlišovacej schopnosti objektívu
– Film – rozlíšenie 5÷10 μm
– CCD čip – rozlíšenie 5÷10 μm (veľkosti pixelov)
– Nyquistovo pravidlo – pixel musí byť min. 2x menší ako je priemer
difrakčného krúžku
– priemer difrakčného krúžku – N.A. objektívu
– veľkosť premietnutého obrazu – zväčšenie objektívu (rozmer premietnutého
obrazu je väčšinou vhodný – rozmer CCD čipu sa príliš nelíši od zorného
poľa okulárov, 10 ÷ 22 mm)
Veľkosť pixelu vs. difrakčný krúžok
Objektív (N.A.)
Difrakčný krúžok
(premietnutý) μm
Rozlíšenie μm
4x (0,10)
11,2
2,8
10x (0,25)
11,0
1,1
20x (0,40)
13,8
0,69
40x (0,65)
16,8
0,42
60x (0,85)
19,2
0,32
100x (0,90)
31,0
0,31
100x (1,40)
20,0
0,20
Požadovaný rozmer pixel 5÷10 μm (λ = 550 nm), premietací
nadstavec zv. 1x ÷ 2x
Dynamický rozsah CCD kamery
•
Ľudské oko rozlíši max. 50 stupňov šedých poltónov
•
bežná prax (najčastejší frame grabber + CCD) 256 úrovní (8 bitov)
– výhoda pre image processing voči oku
– 12 bit - 4096 úrovní šedej (obmedzenie šumom kamery)
Priestorové rozlíšenie: Určuje schopnosť zachytenia jemných detailov pričom pixely nie sú
na obrázku viditeľné
Intenzitné rozlíšenie: Definuje dynamický rozsah alebo počety stupňov šedej, ktoré sú
rozlíšiteľné na obrázku
Časové rozlíšenie: Rýchlosť vzorkovania (rýchlosť záznamu obazov) určuje schopnosť
sledovať pohyb živých vzoriek alebo rýchlych kinetických procesov
Pomer signál/šum: Určuje detekovateľnosť obrazového signálu vzhľadom k šumovému
pozadiu obrazu
Digitálne spracovanie obrazu
Digitálne filtre
Význam digitálneho spracovania obrazu
• Nasnímaný obrázok nie je uspokojivý
– Zlé farby
– jas, kontrast
– nesprávna gama korekcia snímača
– nerovnomerné osvetlenie
– nevýrazné detaily
• Analogové techniky úpravy obrázkov
– nepraktické, zdlhavé
– závislé na vonkajších podmienkach (stabilita napätia v sieti, teplota)
• Výhoda použitia digitálnych filtrov
– lacné a dostupné počítače
– dostupné programy
– vratné zmeny
Použitie digitálnych metod
• Komerčný softvér
– Adobe Photoshop, Corel Photopaint, GIMP
• Špecializovaný softvér k snímaciemu zariadeniu
– IMPOR
– vlastné algoritmy naprogramované v niektorom z programovacích jazykov
(C, C++, Java, Visual Basic, LabView atď.)
• Väčšinou ide o drahé dodatky k bežným programom
• Niektoré filtre sú štandardnou súčasťou bežného grafického softvéru
Jednopixelové operácie
• Operácia na každom pixeli zvlášť:
Iout (x,y) = F •Iin(x,y)
kde Iin a Iout sú vstupná a výstupná intenzita pixelu a F je lineárna
transformačná funkcia
•
Transformačná funkcia býva zväčša tabelovaná (look-up table)
– každá vstupná intenzita má tabelovanú svoju výstupnú hodnotu
– pri 8-bitovom obrázku môže zaberať F až 256 bajtov pamäte
•
Príklad: gama krivka
•
Možnosť rýchlych transformácií, netreba takmer žiadne výpočty
•
Operácie iba na obrazovke, originálne dáta zostanú neporušené
Uprava histogramu
zo stránky http://micro.magnet.fsu.edu/primer/
Priestorové konvolúcie
• Široká paleta filtrov
• Výsledná intenzita daného pixelu závisí aj od intenzít susedných pixelov
• Použitie masky (matica 3x3, 5x5 alebo 7x7 čísel)
– V strede masky sa nachádza práve spracovávaný pixel
– susedné pixely sa vynásobia príslušným číslom masky a výsledok sa pričíta
k prostrednému pixelu
• Zaostrenie, rozostrenie, derivácia (zvýraznenie hrán), atď...
Vyhladenie
smoothing
Zaostrenie
sharpening
Fouriovské filtre
zo stránky http://micro.magnet.fsu.edu/primer/
Meranie rozmerovej distribúcie častíc - granulometria
Počítanie častíc
Digitálny systém merania geometrických rozmerov
Plugin MEASURE
Meranie
•Rozmery
•Uhly
•Kružnice
•Vzdialenosti
•Výpočet plochy
Balistická expertíza zbraní
Balistická expertíza zbraní – komparácia obrazov
3-D rekonštrukcia mikroskopickej scény
• Systém pre rekonštrukciu 3-D
obrazových dát v hĺbke
objektu identifikovaných z
obrazov nasnímaných v
niekoľkých rovinách
• Digitálne vytvorenie obrazu s
veľkou hĺbkou ostrosti