2011

Z´ısk´av´an´ı a anal´yza obrazov´e informace Obraz jako data

Biofyzik´ aln´ı u ´stav L´ ekaˇrsk´ e fakulty Masarykovy univerzity Brno ˇˇ prezentace je souˇ c´ ast´ı projektu FRVS c.2487/2011

Osnova

1

Datov´e form´aty obrazu

2

Datov´e form´aty videa

3

Form´at DICOM

4

Z´akladn´ı operace s obrazem

Datov´e form´aty obrazu Rastrov´ a grafika

Obr´azek je pops´an pomoc´ı jednotliv´ych barevn´ych bod˚ u (pixel˚ u) uspoˇr´adan´ych do (pravo´ uhl´e) mˇr´ıˇzky. Kaˇzd´y bod m´a definovanou pˇresnou polohu a hodnotu (napˇr. barvu). Kvalitu z´aznamu urˇcuje zejm´ena rozliˇsen´ı (ploˇsn´a hustota obrazov´ych bod˚ u) a barevn´a hloubka (poˇcet hodnot, kter´ych m˚ uˇze kaˇzd´y obrazov´y bod nab´yvat). S rastrovou grafikou pracuj´ı monitory, skenery, tisk´arny, fotoapar´aty, videokamery a jin´a podobn´a zaˇr´ızen´ı. Patˇr´ı sem form´aty: BMP, GIF, JPEG, PNG, TIFF a dalˇs´ı.

Datov´e form´aty obrazu BMP (Windows Bitmap)

Nekomprimovan´y rastrov´y form´at. Obr´azky jsou ukl´ad´any po jednotliv´ych pixelech. Poˇcet bit˚ u pro kaˇzd´y pixel ud´av´a mnoˇzstv´ı barevn´ych odst´ın˚ u: 1 bit = 2 barvy, 8bit˚ u = 256 barev, 24 bit˚ u = 16,7 milionu barev, atd. Obvykle se nepouˇz´ıv´a ˇz´adn´a komprese, proto maj´ı obr´azky vˇetˇs´ı velikost a nejsou vhodn´e pro zas´ıl´an´ı a sd´ılen´ı dat. Novˇejˇs´ı modifikace form´atu kompresi umoˇzn ˇuj´ı. V´yhodou je extr´emn´ı jednoduchost a voln´e pouˇzit´ı.

Datov´e form´aty obrazu JFIF / JPEG

JPEG File Interchange Format = skuteˇcn´y n´azev form´atu. Joint Photographic Experts Group = spoleˇcnost, kter´a form´at navrhla. JPEG je form´at ztr´atov´e komprese dat. Informace, kterou lidsk´e oko nevn´ım´a, nebo ji vn´ım´a jen velmi slabˇe nem´a vliv na celkov´y vjem a m˚ uˇze b´yt proto z´amˇernˇe potlaˇcena. Voliteln´a m´ıra komprese urˇcuje v´yslednou velikost datov´eho souboru. Form´at je vhodn´y pro komplexn´ı obrazov´a data (fotografie, biomedic´ınsk´e obrazy, aj.). Nevhodn´y je naopak pro ukl´ad´an´ı mal´ych grafick´ych prvk˚ u. Pro pr´aci s biomedic´ınsk´ymi obrazy je tˇreba m´ıt na pamˇeti, ˇze pˇri kompresi dat doch´az´ı ke ztr´atˇe informace a vzniku obrazov´ych artefakt˚ u. V´yhodou je velk´a rozˇs´ıˇrenost form´atu. Pr´aci s t´ımto form´atem umoˇzn ˇuje velk´a ˇrada editor˚ u a aplikac´ı.

Datov´e form´aty obrazu GIF (Graphics Interchange Format)

Je rastrov´y form´at s bezztr´atovou kompres´ı. Nev´yhodou form´atu je omezen´y maxim´aln´ı poˇcet barev pro kaˇzd´y pixel. Kaˇzd´y obrazov´y bod m˚ uˇze b´yt reprezentov´an pouze 256 barvami (8 bit˚ u). Tuto nev´yhodu odstraˇ nuje napˇr. form´at PNG. Form´at je vhodn´y pˇredevˇs´ım pro internetovou grafiku (pomocn´e grafick´e elementy: loga, n´apisy, jednoduch´e obr´azky, aj.), umoˇzn ˇuje i jednoduch´e animace. Nevhodn´y je pro komplexn´ı obrazov´a data (fotografie, biomedic´ınsk´e obrazy, aj.).

Datov´e form´aty obrazu PNG (Portable Network Graphics)

Je rastrov´y form´at s bezztr´atovou kompres´ı. Byl vyvinut jako n´ahrada za form´at GIF. Umoˇzn ˇuje zobrazen´ı 24 bit˚ u = 16,7 milionu barev. Form´at m˚ uˇze n´est informaci o pr˚ uhlednosti – tzv. alfa kan´al (8 bit˚ u). Obrazov´e body k´ odovan´e pomoc´ı bit˚ u pr˚ uhlednosti z´ısk´avaj´ı barvu stejnou jako je barva pozad´ı. PNG se pouˇz´ıv´a zejm´ena v internetov´e grafice, ale je vhodn´y tak´e pro pr´aci s poˇc´ıtaˇcovou grafikou nebo pro archivaci obraz˚ u (fotografi´ı, biomedic´ınsk´ych obraz˚ u, apod.).

Datov´e form´aty obrazu TIFF (Tag Image File Format)

Je neofici´aln´ı standard pro ukl´ad´an´ı sn´ımk˚ u urˇcen´ych pro tisk. Lze volit bezztr´atovou kompresi i kompresi se ztr´atami. Form´at umoˇzn ˇuje v´ıcestr´ankov´e soubory, a proto se pouˇz´ıv´a napˇr. pro ukl´ad´an´ı pˇrijat´ych fax˚ u. Hojnˇe slouˇz´ı jako form´at pro ukl´ad´an´ı barevn´ych obraz˚ u ve vysok´em rozliˇsen´ı nebo pro pr´aci s velkoploˇsnou grafikou. Form´at je vhodn´y pro ukl´ad´an´ı fotografi´ı i biomedic´ınsk´ych obraz˚ u.

Datov´e form´aty obrazu Vektorov´ a grafika

Obr´azek je sloˇzen z vektor˚ u – z´akladn´ıch geometrick´ych u ´tvar˚ u (body, pˇr´ımky, kˇrivky, mnoho´ uheln´ıky, aj.). Uzavˇren´e kˇrivky mohou m´ıt r˚ uznou barevnou v´yplˇ n. Vektorov´a grafika slouˇz´ı zejm´ena k tvorbˇe ilustrac´ı, diagram˚ u a poˇc´ıtaˇcov´ych animac´ı. Ke zpracov´an´ı se pouˇz´ıvaj´ı vektorov´e editory: napˇr. Adobe Illustrator, CorelDraw, Inkspace, Zoner Callisto, aj. V´ yhody: pˇri zvˇetˇsov´an´ı a zmenˇsov´an´ı obr´azku nedoch´az´ı ke ztr´atˇe kvality; s kaˇzd´ym objektem je moˇzno pracovat oddˇelenˇe; pamˇet’ov´a n´aroˇcnost je obvykle mnohem menˇs´ı neˇz u rastrov´e grafiky. Nev´ yhody: sloˇzitˇejˇs´ı poˇr´ızen´ı obr´azku; pˇri velk´e sloˇzitosti obr´azku rostou pamˇet’ov´e a v´ypoˇcetn´ı n´aroky. Patˇr´ı sem form´aty: EPS, PDF, CDR, SVG, ZMF a dalˇs´ı.

Datov´e form´aty obrazu Vektorov´ a grafika

Datov´e form´aty obrazu PDF (Portable Document Format)

Je form´at vyvinut´y spoleˇcnost´ı Adobe. Form´at slouˇz´ı pro ukl´ad´an´ı dat nez´avisle na hardwaru a softwaru, na kter´em byla poˇr´ızena. Zobrazen´ı dokumentu je vˇzdy stejn´e. Soubor PDF m˚ uˇze obsahovat text i grafiku. Pro vytvoˇren´ı a zobrazen´ı PDF soubor˚ u je tˇreba m´ıt vhodn´y software. V´yhodou form´atu je jeho velk´a rozˇs´ıˇrenost.

Datov´e form´aty videa Kodeky

Jsou zaˇr´ızen´ı nebo poˇc´ıtaˇcov´e programy schopn´e transformovat (k´odovat) datov´y tok nebo sign´al na formu vhodnou pro pˇrenos, uchov´an´ı, zobrazen´ı nebo ˇsifrov´an´ı. Dek´odov´an´ı je proces opaˇcn´y, kdy je potˇreba pˇresnˇe nebo alespoˇ n pˇribliˇznˇe obnovit p˚ uvodn´ı formu dat. Autoˇri kodek˚ u obvykle n´aslednˇe vyv´ıjej´ı softwarov´e nebo hardwarov´e doplˇ nky, kter´e s dan´ym kodekem pracuj´ı. Pˇr´ıkladem mohou b´yt napˇr. kodeky MPEG, DivX, Xvid, aj.

Datov´e form´aty videa MPEG (Motion Picture Experts Group)

Je n´azev pracovn´ı skupiny, kter´a vyv´ıj´ı standardy pro k´odov´an´ı audiovizu´aln´ıch informac´ı pomoc´ı digit´aln´ıho kompresn´ıho algoritmu. Form´aty MPEG vyuˇz´ıvaj´ı algoritm˚ u ztr´atov´e komprese dat. Jednotliv´e standardy MPEG popisuj´ı pouze form´at bitov´eho toku a dekod´er. Patˇr´ı sem napˇr. standardy MPEG-1 (video CD), MPEG-2 (super video CD, DVD), MPEG-3, MPEG-4, aj. Souˇc´ast´ı standardu MPEG-3 je napˇr. zvukov´y form´at MP3, souˇc´ast´ı standardu MPEG-4 potom napˇr. form´at MP4.

Datov´e form´aty videa AVI (Audio Video Interleave)

Vyvinut´y spoleˇcnost´ı Microsoft pro zobrazov´an´ı videa ve Windows. Slouˇz´ı k synchronn´ımu pˇrehr´av´an´ı zvuku a videa. Form´at m˚ uˇze obsahovat v´ıce datov´ych stop – zvukovou stopu, video stopu, textovou stopu (napˇr. titulky), aj. Kaˇzd´a stopa obsahuje digit´alnˇe zak´ odovan´y datov´y tok. K´oduje se pomoc´ı kodek˚ u (napˇr. Xvid, DivX, aj.). Navzdory limituj´ıc´ım faktor˚ um a dostupnosti nov´ych form´at˚ u je form´at AVI st´ale velmi popul´arn´ı a pouˇz´ıvan´y. Je kompatibiln´ı s mnoha video-pˇrehr´avaˇci. Je vyuˇz´ıv´an napˇr. u digit´aln´ıch kamer a fotoapar´at˚ u.

Datov´e form´aty videa MOV (QuickTime Movie)

QuickTime je multimedi´aln´ı prostˇred´ı vyvinut´e spoleˇcnost´ı Apple. Slouˇz´ı pro pr´aci s mnoha form´aty digit´aln´ıho obrazu, zvuku, videa, textu. Form´at MOV m˚ uˇze obsahovat, podobnˇe jako form´at AVI, mnoho datov´ych stop pro k´ odov´an´ı zvuku, videa, textu, aj. Datov´e toky v jednotliv´ych stop´ach jsou k´ odov´any pomoc´ı kodek˚ u standardu MPEG. Form´at je obl´ıben hlavnˇe na internetu. Umoˇzn ˇuje napˇr. streamov´an´ı.

Form´at DICOM

Form´at DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) se pouˇz´ıv´a pro pˇrenos, ukl´ad´an´ı a tisk l´ekaˇrsk´ych obraz˚ u, napˇr´ıklad z ultrazvuku, rentgenu, CT, MRI, atd. Soubory DICOM obsahuj´ı obrazov´a data a z´ahlav´ı, ve kter´em se ukl´adaj´ı informace o pacientovi a l´eˇcebn´em obrazu (napˇr. jm´eno, identifikaˇcn´ı ˇc´ıslo, rodn´e ˇc´ıslo, aj.). DICOM soubory lze otevˇr´ıt, upravit nebo uloˇzit pouze ve vhodn´ych aplikac´ıch: napˇr. Photoshop Extended, Image J, Dicompass, Microdicom, DicomWorks, aj.

Z´akladn´ı operace s obrazem Bodov´e a lok´ aln´ı u ´pravy obrazu

Bodov´ e operace: Kaˇzd´y bod v´ystupn´ıho obrazu je ovlivnˇen jedn´ım bodem vstupn´ıho obrazu. Pouˇz´ıvaj´ı se pˇri u ´pravˇe barev (zmˇena barevn´e ˇsk´aly, pseudobarven´ı), dynamick´eho rozsahu, jasu nebo kontrastu.

Lok´ aln´ı operace: Kaˇzd´y bod v´ystupn´ıho obrazu je ovlivnˇen jen body vstupn´ıho obrazu pokryt´ymi vhodnou maskou. Slouˇz´ı zejm´ena k potlaˇcen´ı ˇsumu, ostˇren´ı obrazu, pˇr´ıpravˇe pro segmentaci nebo pro morfologick´e operace s obrazem.

Z´akladn´ı operace s obrazem Glob´ aln´ı u ´pravy obrazu

Kaˇzd´y bod v´ystupn´ıho obrazu je ovlivnˇen kaˇzd´ym bodem vstupn´ıho obrazu. Patˇr´ı sem zejm´ena restauraˇcn´ı mechanismy (odstranˇen´ı zkreslen´ı v obraze, rekonstrukce obrazu z projekc´ı, rekonstrukce hloubkov´eho rozmˇeru, potlaˇcen´ı ˇsumu, aj.) nebo dvourozmˇern´e transformace obrazu (napˇr. Fourierova transformace, kosinov´a transformace, aj.).

Z´akladn´ı operace s obrazem Konvoluce

Je matematick´a operace zpracov´avaj´ıc´ı dvˇe funkce: g (x, y ) = h(x, y ) ∗ f (x, y ) Funkce h(x, y ) se oznaˇcuje jako konvoluˇcn´ı j´adro a vyjadˇruje transformaˇcn´ı vztah mezi tvarem vstupn´ı funkce f (x, y ) a v´ystupn´ı funkce g (x, y ). Konvoluce spojit´e/diskr´etn´ı 2D funkce je definov´ana vztahem: Z ∞Z ∞ g (x, y ) = h(x − α, y − β)f (α, β) dαdβ −∞

−∞

Na z´akladˇe tvaru transformaˇcn´ı funkce lze definovat obrazov´e filtry prov´adˇej´ıc´ı definovanou ˇcinnost – napˇr. vyhlazov´an´ı (odstranˇen´ı ˇsumu), ostˇren´ı, detekci hran, apod.

Z´akladn´ı operace s obrazem

Z´akladn´ı operace s obrazem Bodov´e u ´pravy obrazu

Kaˇzd´y bod g(x,y) v´ystupn´ıho obrazu je ovlivnˇen jedn´ım bodem f(x,y) vstupn´ıho obrazu. Obraz lze snadno transformovat bod po bodu. Poˇzadovan´a z´avislost je obvykle realizov´ana modifikaˇcn´ı tabulkou LUT (Look Up Table), kter´a nese informaci o transformaci dan´eho bodu. Bodov´e u ´pravy obrazu se typicky pouˇz´ıvaj´ı pˇri u ´pravˇe barev (zmˇena barevn´e ˇsk´aly, pseudobarven´ı), dynamick´eho rozsahu, jasu nebo kontrastu. Bodov´e u ´pravy lze aplikovat tak´e pˇri zv´yrazˇ nov´an´ı nebo segmentaci obrazu (napˇr. prost´e prahov´an´ı nebo v´ıceprahov´a segmentace podle zvolen´eho parametru).

Dˇekuji v´am za pozornost