Seminar - Osnove Dig. Obrade Slike

8/3/2019 Seminar - Osnove Dig. Obrade Slike

http://slidepdf.com/reader/full/seminar-osnove-dig-obrade-slike 1/50

Poslovna primjena biometrijskih

tehnologija

Digitalna obrada slike



Uvod - Programiranje sa slikama

Editiranje slike - manipulacija slike korištenjempostojećih aplikacija kao što su Adobe Photoshop iliCorel Paint

Digitalna obrada slike - dizajn, razvoj i poboljšanjeaplikacija za editiranje slika

Računalna grafika – koncentrira se na sintezudigitalnih slika iz geometrijskih opisa kao što sutrodimenzionalni objekti



Uvod - Analiza slika i kompjuterski vid

Često se na prvi pogled čini da će odreĎeni zadatakdigitalne obrade slike imati jednostavno rješenje,posebno kada je to nešto što se lako može postići našimvizualnim sustavom

U praksi je razvoj pouzdanih i robusnih rješenja vrlo težak ili gotovo nemoguć – kada je potrebna analiza slike (cilj jedobiti odreĎene informacije iz slike)

Kompjuterski vid se suočava s problemom kreiranjaumjetnih vizualnih sustava koji su sposobni shvatiti iinterpretirati naš stvarni trodimenzionalni svijet



Uvod-područja primjene

2 područja primjene: Poboljšanje slike za ljudsku interpretaciju

Procesiranje podataka slike za računalnu percepciju

1964. godine radilo se na korištenju računalnihtehnika za poboljšanje slika dobivenih sa svemirskesonde




Od 1964. godine do danas, polje digitalne obrade slika seznačajno proširilo

Koristi se u

Medicini (poboljšanje kontrasta i razine intenziteta slike zalakšu interpretaciju rendgenskih slika)

Geografiji (proučavanje uzoraka zagaĎenja iz slika iz zraka ilisatelita)

Arheologiji (restauracija zamućenih slika vrijednih artefakata)

Fizici, astronomiji, biologiji, nuklearnoj medicini, industrijskimaplikacijama...




Tipični problemi su Automatsko prepoznavanje slova

Industrijski računalni vid za sastavljanje i inspekcijuproizvoda

Automatsko procesiranje otisaka prsta

Prikaz rendgenskih slika i uzoraka krvi

Procesiranje slika iz zraka i satelita za prognozuvremena...





Reprezentacija digitalnih slika 2/2

Digitalna slika je slika f(x,y) koja ima i prostornekoordinate i svjetlinu

Digitalna slika se može promatrati i kao matrica čijekolone i redovi identificiraju točku na slici, aodgovarajući element matrice sadrži vrijednost nivoasivila u toj točki

Pikseli - elementi takvog digitalnog polja



Podjela slika

Vidljive slike

Slike

Crteži

Fotografije Slike

Optičke slike

Nevidljive fizikalne slike

Matematičke funkcije Kontinuirane

Diskretne



Digitalizacija slike

Osnovni uvjet za digitalnu obradu slike jest da jeslika u digitalnom obliku odnosno u obliku poljabrojeva prikazanih u konačnoj preciznosti

Za dobivanje slike u digitalnom obliku potrebno jekontinuiranu sliku prostorno otipkati i svaki uzorakkvantizirati koristeći konačan broj bitova



Osnovni koraci u obradi digitalnih slika 1/3

Prvi korak - prikupljanje slike (image acquisition) Da bi se slika prikupila potreban je senzor za slike i mogućnost

digitaliziranja signala dobivenog iz senzora

Drugi korak - predprocesiranje dobivene slike Glavna zadaća predprocesiranja je poboljšati sliku kako bi se

povećale šanse za uspjeh ostalih procesa (tehnike za poboljšanjekontrasta, uklanjanje šumova...)

Treći korak – segmentacija

Segmentacija particionira ulaznu sliku na dijelove ili objekte (kodprepoznavanja slova, glavna uloga segmentacije je dobivanjeindividualnih znakova i riječi sa pozadine)

Izlaz segmentacije najčešće sadrži ili granicu regije ili sve točkeunutar regije




Četvrti korak – odabir karakteristika

Bavi se ekstrakcijom karakteristika koje rezultirajukvantitativnim informacijama

Peti korak - prepoznavanje i interpretacija

Prepoznavanje je proces dodijeljivanja „naljepnica“objektima ovisno o informacijama dobivenim iz

deskriptora Interpretacija uključuje dodjeljivanje značenja skupini

prepoznatih objekata




Znanje o problemskoj domeni je kodirano u sustav zaobradu slike u obliku baze znanja

To znanje može biti Jednostavno (npr. definiranje regije gdje se informacije koje su

nam od interesa nalaze)

Kompleksno (npr. popis svih mogućih pogrešaka kod problemainspekcije materijala)

Osim što vodi operacije svakog modula za obradu slika,baza znanja kontrolira i interakciju izmeĎu modula



Elementi sustava za digitalnu obradu slika

Takav tip sustava najčešće obavlja: Prikupljanje slike

Pohranjivanje slike

Procesiranje slike Komunikaciju

Prikaz slike



Prikupljanje slike

Potrebna su dva elementa za prikupljanje digitalnihslika

Fizički ureĎaj osjetljiv na zrake spektra elektromagnetske

energije (x zrake, ultraljubičaste zrake, vidljive iliinfracrvene zrake) čiji izlaz je električni signalproporcionalan razini energije

UreĎaj za pretvorbu električnog izlaza u digitalni oblik



Pohranjivanje slike 1/2

Dizajn pohranjivanja - velik izazov - slika od 8 bitova,veličine 1024 X 1024 zahtjeva milijun bajtova prostora

Digitalna pohrana aplikacija za obradu slike ima tri

kategorije: Kratkoročna pohrana za korištenje tokom obrade slike On-line pohrana za relativno brzo dohvaćanje (najčešće u

obliku magnetskih diskova) Arhivska pohrana koju karakterizira rijetki pristup

Prostor za pohranu se mjeri u bajtovima (B), kilobajtima(KB), megabajtima (MB), gigabajtima (GB) i terabajtima(TB)



Pohranjivanje slike 2/2

Kratkoročna pohrana Jedna metoda za kratkoročnu pohranu je memorija računala

Druga metoda je korištenje specijaliziranih ploča frame buffers Pohranjuju jednu ili više slika i omogućuju brz pristup

Veličina prostora za pohranu na frame buffer -u je ograničenafizičkom veličinom kartice

Arhivska pohrana

Masivne potrebe za prostorom za pohranu, ali rijetka potrebaza pristupom

Najčešće se koriste magnetske vrpce i optički diskovi



Procesiranje slike

Uključuje procedure koje su najčešće izražene u oblikualgoritma

Većina funkcija za procesiranje slike može se programskiimplementirati

Teži se minijaturizaciji i spajanju malih računala shardwareom za procesiranje slike

Tehnike za procesiranje slike koje rade dobro na jednompodručju mogu biti potpuno neadekvatne za neko drugopodručje





Prikaz slike

Monitori u boji su najčešće korišteni ureĎaji za prikazu sustavima za obradu slika



Digitalne slike

Bavit ćemo se slikama koje su sastavljene odslikovnih elemenata (piksela), rasporeĎenih upravilnu pravokutnu mrežu

Tipovi digitalnih slika Fotografije u boji ljudi i prirode

Slike skenirane u grayscale

Ispisani dokumenti

Planovi zgrada

Faksirani dokumenti

Medicinske slike (rendgenske slike i ultrazvuci)...



Veličina i rezolucija slike

Pretpostavljamo da su slike pravokutnog oblika (iako je tonajčešće tako, postoje i iznimke)

Veličina slike je odreĎena širinom M (broj kolona) i

visinom N (broj redova) matrice slike I

Rezolucija slike specificira prostorne dimenzije slike ustvarnom svijetu i dana ja kao broj slikovnih elemenata

po jedinici mjere (npr. točaka po inču)

Rezolucija slike je jednaka u horizontalnom i vertikalnomsmjeru



Koordinatni sustav slike

Kako bi znali koja pozicija na slici odgovara kojemslikovnom elementu, potrebno je primijenitikoordinatni sustav

Koordinatni sustav koji se primjenjuje na slikurazlikuje se od klasičnog matematičkog koordinatnogsustava

Ishodište sustava je u gornjem lijevom kutu slike, a y

os počinje na vrhu i ide prema dolje



Vrijednosti piksela 1/4

Informacija unutar slikovnog elementa ovisi o tipupodataka koji se koristi za prikaz

Vrijednosti piksela su gotovo uvijek binarne riječidužine k tako da piksel može predstavljati 2 k

različitih vrijednosti

Vrijednost k ovisi o bitnoj dubini slike i veličini riječiprocesora




Grayscale slike (slike intenziteta)

Slikovni podaci u grayscale slici sadrže jedan kanal kojipredstavlja intenzitet, svjetlinu ili gustoću slike

Samo pozitivne vrijednosti imaju smisla

Tipična grayscale slika koristi k=8 bitova po pikselu i vrijednostiintenziteta u rasponu od [0...255], gdje vrijednost 0 predstavlja

minimalnu svjetlinu (crna), a 255 maksimalnu svjetlinu (bijela)

Bitna dubina se odnosi na broj bitova potrebnih da se predstavi jedna boja, a ne cijeli piksel




Binarne slike

Poseban tip slika intenziteta gdje piksel može poprimiti jednu od dvije vrijednosti, crnu ili bijelu

Te vrijednosti su najčešće kodirane korištenjem jednogbita (0 ili 1) po pikselu





Formati digitalnih slika

Kod odabira pravilnog formata datoteke slike potrebno jerazmotriti: Tip slike: Da li je to crno bijela slika, grayscale slika, skenirani

dokument, slika u boji, grafika u boji?

Kompresiju i količinu mjesta koju zauzima: Da li su zahtjevi zaspremanjem datoteke potencijalan problem i da li je kompresijas gubitkom podataka prikladna?

Kompatibilnost: Koliko je bitna razmjena slikovnih podataka?

Domena primjene: U kojoj domeni će se slikovni podaci najvišekoristiti?



Raster vs. Vektor

Raster slike - slike koje sadrže piksele u matrici i koristediskretne koordinate

Vektor slike - prikazuju geometrijske objekte korištenjemkontinuiranih koordinata, koje se rasteriziraju samo kadaih je potrebno prikazati na fizičkom ureĎaju kao što jemonitor ili printer

Postoje razni formati vektorskih slika kao što su

SVG (Scalable Vector Graphics) AI (Adobe Illustrator) PICT(QuickDraw Graphics Metafile from Apple) PS (PostScript), EPS (Encapsulated PostScript)



Tagged Image File Format (TIFF)

Široko korišten i fleksibilan format

Podržava grayscale slike, indeksirane slike i true

color slike

TIFF datoteka može sadržavati nekoliko slika srazličitim svojstvima i osigurava različite metodekompresije (ZIP, JPEG) i prostor boja

Moguće pohraniti nekoliko varijacija slike u različitimveličinama i reprezentacijama u jednu TIFF datoteku



Graphics Interchange Format (GIF)

Jedan od najčešće korištenih formata za prikaz slika naWebu

Za popularnost je zaslužna vrlo rana podrška

indeksiranih boja u nekoliko bitovnih dubina i sposobnostkodiranja jednostavnih animacija spremanjem nekolikoslika u jednu datoteku za kasnije prikazivanje u nizu

Dizajniran za slike u boji i grayscale slike s maksimalnomdubinom od 8 bitova

Ima oznaku za prozirnost



Portable Network Graphics (PNG)

Razvijen kao zamjena za GIF format kada su se javili problemi s licencom zbog korištenja LZWkompresije

Uključuje i Alpha kanal za prozirnost s maksimalnomširinom od 16 bitova

Dozvoljava slikama da budu do 230 x 230 piksela

Format podržava kompresiju bez gubitka podataka



Joint Photographic Experts Group (JPEG)

Definira metodu kompresije za kontinuirane grayscaleslike i slike u boji

Danas je najrašireniji format za spremanje slika

Podržava slike sa do 256 komponenti boje i CMYK slike

Suprotno vjerovanjima, JPEG nije format datoteke većsamo metoda kompresije slikovnih podataka

Ono na što se misli dok se kaže JPEG datoteka jenajčešće JFIF



Windows Bitmap (BMP)

Jednostavan i često korišten format podWindowsima

Podržava grayscale slike, indeksirane slike i truecolor slike

Podržava i binarne slike ali neefikasno jer zaspremanje svakog piksela koristi jedan bajt





Slike u boji

Slike u boji su u svakom aspektu naših života gdjeigraju važnu ulogu u svakodnevnim aktivnostima kaošto je televizija, fotografija i ispis



RGB slike u boji 1/2

RGB shema boja kodira boju kao kombinaciju triboje: crvene (R-Red)

zelene (G-Green)

plave (B-Blue)

Ova shema se koristi za prijenos, spremanje i prikazslika u boji na analognim i digitalnim ureĎajima

RGB je aditivni sustav boja - svaka boja počinjecrnom i kreira se dodavanjem osnovnih boja



RGB slike u boji 2/2

RGB sustav boja se može vizualizirati kaotrodimenzionalna jedinična kocka u kojoj tri osnovneboje formiraju koordinatne osi

RGB vrijednosti su pozitivne i u rasponu [0,Cmax]. Zavećinu digitalnih slika Cmax=255. Svaka moguća boja Ci

odgovara jednoj točki unutar RGB kocke oblika

Ci = (Ri, Gi, Bi)

gdje je 0≤ Ri, Gi, Bi≤ Cmax



Odnosi izmeĎu piksela

Slika je označena s f(x,y)

Kada se govori o odreĎenom pikselu, koriste se

mala slova p i q

Podskup piksela f(x,y) se označava sa S



Susjedi piksela 1/2

Piksel p na koordinatama (x,y) ima 4 horizontalna ivertikalna susjeda čije su koordinate

(x+1,y), (x-1,y), (x,y+1), (x,y-1)

Ovaj set piksela, pod nazivom 4-susjeda od p, seoznačava s N4(p)

Svaki piksel je jedinicu udaljenosti od (x,y), a nekisusjedi od p leže izvan digitalne slike ako je (x,y) nagranici slike



Susjedi piksela 2/2

Četiri dijagonalna susjeda od p imaju koordinate

(x+1,y+1), (x+1,y-1), (x-1,y+1), (x-1,y-1)

i označavaju se sa ND(p)

Te točke, zajedno sa 4-susjeda nazivaju se 8-susjeda od p, a označavaju se sa N8(p)

Neke točke u ND(p) i N8(p) leže izvan slike ako je(x,y) na granici slike



Povezanost 1/2

Koncept korišten za odreĎivanje granica objekata ikomponenata regije na slici

Da bi se odredilo da li su dva piksela povezana, mora se

odrediti Da li su na neki način u susjedstvu (npr. 4-susjedi)

Da li im razine sivila zadovoljavaju odreĎeni kriterij sličnosti(npr. da li su jednaki)

Na primjer u binarnim slikama s vrijednostima 0 i 1, dvapiksela mogu biti 4-susjedi, ali nisu povezani ako nemajuistu vrijednost



Povezanost 2/2

Ako je V set vrijednosti nivoa sivila korištenih zadefiniranje povezanosti, postoje tri tipa povezanosti: 4-povezanost – dva piksela p i q s vrijednostima iz V su 4-

povezana ako je q u setu N4(p)

8-povezanost – dva piksela p i q s vrijednostima iz V su 8-povezana ako je q u setu N8(p)

M-povezanost – dva piksela p i q s vrijednostima iz V su m-povezana ako je q u N4(p) ili je q u ND(p) i set N4(p) ∩ N4(q)prazan

M-povezanost je modifikacija 8-povezanosti ipredstavljena je kako bi se eliminirale višestruke vezekoje se često pojavljuju kada se koristi 8-povezanost



Udaljenost izmeĎu piksela 1/2

Za piksele p, q i z s koordinatama (x,y), (s,t) i (u,v), D je funkcija udaljenosti ako

D(p,q) ≥ 0 (D(p,q)=0 ako i samo ako je p=q)

D(p,q) = D(q,p) D(p,z) ≤ D(p,q) + D(q,z)

Euklidova udaljenost izmeĎu p i q je definirana kao

De(p,q)= [(x-s)2 + (y-t)2]1/2



Udaljenost izmeĎu piksela 2/2

D4 udaljenost izmeĎu p i q je definirana kao

D4(p,q)=|x-s|+|y-t|

Pikseli s D4 =1 su 4-susjedi od (x,y)

D8 udaljenost izmeĎu p i q je definirana kao

D8(p,q)=max(|x-s|,|y-t|)

Pikseli s D8=1 su 8-susjedi od (x,y)



Aritmetički i logički operatori 1/3

Aritmetički i logički operatori izmeĎu piksela sekoriste u većini grana digitalne obrade slika

Aritmetički operatori izmeĎu dva piksela p i qobilježavaju se na sljedeći način: Zbrajanje: p+q

Oduzimanje: p-q

Množenje: p*q (pq,p X q) Dijeljenje: p÷q




Aritmetičke operacije cijelih slika izvršavaju se piksel popiksel

Zbrajanje se najčešće koristi za smanjivanje šumova na slici

Oduzimanje je osnovni alat u medicinskoj obradi slika, gdje se

koristi za uklanjanje statičnih informacija iz pozadine Množenje i dijeljenje se koristi za korekciju nivoa sivila zbog

nejednakog osvjetljenja

Rezultati izvršavanja aritmetičkih operacija se moguspremati izravno na sliku koja se koristi jer se korištenalokacija neće koristiti ponovno




Logički operatori koji se koriste označavaju se na sljedećinačin: AND: pANDq (p ∙ q) OR: pORq (p + q) COMPLEMENT: NOTp

Prikazani operatori se mogu kombinirati kako bi se dobilabilo koja druga logička operacija

Logičke operacije se primjenjuju samo na binarnimslikama

Aritmetičke operacije se mogu primjenjivati i na pikselimas više mogućih vrijednosti



Geometrija slike 1/2

Translacija

Ako je zadatak prenijeti točku s koordinatama (X,Y,Z) nanovu lokaciju koristeći pomak (X0,Y0,Z0), translacija selako izvršava korištenjem jednakosti:

X*=X + X0

Y*=Y + Y0

Z*=Z + Z0

gdje su (X*,Y*,Z*) koordinate nove točke



Geometrija slike 2/2

Promjena veličine Promjena veličine po faktorima Sx, Sy i Sz po X, Y i Z osi

dana je sljedećom matricom:

S=

Documents

Seminar - Osnove Dig. Obrade Slike