Zpracování obrazu a fotonika 2006

Základy zpracování obrazu

Zpracování obrazu a fotonika 2006

Reprezentace obrazu Barevný obrázek „Na laně“ • rozměry: 1329 x 2000 obrazových bodů • 3 barevné RGB kanály • 8 bitů na barevný kanál •FUJI Superia 400 – filmový skener Nikon • nasnímáno v prostoru Adobe RGB

Vzorkování a kvantizace obrazu

• Vzorkování (sampling): digitalizace v prostorových souřadnicích • Kvantizace (quantization): digitalizace v úrovních




Reprezentace obrazu

RGB

R

G

B

Reprezentace obrazu

CIE Lab

L

a

b

šedotonový (luminosity)

chrominační

chrominanční

Reprezentace obrazu ¾ Srovnání RGB – CIE Lab

4x u= − 2 x + 12 y + 3 9y v= − 2 x + 12 y + 3 Kolorimetrický diagram stejných rozdílů

Reprezentace obrazu ¾ Srovnání RGB – CIE Lab ¾ Další možnosti: z z

CMYK – tiskový prostor (doplňkové barvy) Indexovaná barva

¾ Barevné profily a přizpůsobení zařízení! ¾ Zpracování v kanálu L – není změna

barevného podání

Popis obrázku - histogram

Luminosity

Histogram Distribuční (rozdělovací) funkce úrovní (pro daný kanál) v obraze.

Popis obrazu - histogram Funkce – pravděpodobnost = f(úrovně) Normování na počet bodů v obraze. Součet úrovní v histogramu = 1, resp. počet bodů v obraze Neexistuje vztah mezi polohou v histogramu a v obraze! Informace o „správné expozici“


Popis obrazu - histogram Saturace do bílé – ztráta kresby Hodnoty: Mean – střední hodnota Std Dev. – odchylka Median – medián (ve spojení s mean informace o tvaru h.) Pixels – počet obr. bodů

Pozadí snímku


Vyrovnání (ekvalizace) histogramu

Vyrovnání (ekvalizace) histogramu

Převodní charakteristika

Zesvětlení – podání světel


Ztmavení – podání stínů


Negativ


Binarizace obrazu

2D konvoluce Integrální podoba: ∞ ∞

( f ∗ g )( x , y ) =

∫ ∫ f ( u, v ) g( x − u, y − v )dudv

−∞ −∞

FT ( f ∗ g )( x, y )) = F (u, v).G (u , v) Diskrétní tvar:

( F ∗ G )( i , j ) = ∑ ∑ G( k , l ) F ( i − k + 1, j − l + 1 ) k

l

Vstup

2D konvoluce - příklady Po konvoluci

Dolní propust (průměrování) ⎛ 1 1 1⎞ ⎜ ⎟ g ( x, y ) = 1 / 9⎜1 1 1⎟ ⎜ 1 1 1⎟ ⎝ ⎠

Vstup


Horní propust (zvýraznění detailů) ⎛ − 1 − 1 − 1⎞ ⎟ ⎜ g ( x, y ) = 1 / 1⎜ − 1 5 − 1⎟ ⎜ − 1 − 1 − 1⎟ ⎠ ⎝

Vstup


Horní propust Prewitové filtr (zvýraznění horiz. hran) ⎛1 1 1⎞ ⎟ ⎜ g ( x, y ) = 1 / 1⎜ 0 0 0 ⎟ ⎜ − 1 − 1 − 1⎟ ⎠ ⎝

Vstup


Horní propust Laplaceův filtr (zvýraznění horiz.i ver. hran)

⎛0 1 0⎞ ⎟ ⎜ g ( x, y ) = 1 / 1⎜ 1 − 4 1 ⎟ ⎜0 1 0⎟ ⎠ ⎝

Vstup

Sobelova filtrace Po filtraci

Dvě směrové filtrace horizintální, vertikální ⎛ −1 0 1 ⎞ ⎜ ⎟ GV ( x, y ) = 1 / 1⎜ 2 0 2 ⎟ ⎜ −1 0 1 ⎟ ⎝ ⎠ ⎛ − 1 − 2 − 1⎞ ⎜ ⎟ GH ( x, y ) = 1 / 1⎜ 0 0 0⎟ ⎜1 2 1 ⎟⎠ ⎝

Fáze a modul fáze

Mediánová filtrace ⎛ 100 101 106 ⎞ ⎜ ⎟ 256 0 110 ⎜ ⎟ ⎜ 108 106 104 ⎟ ⎝ ⎠

(100 101 106 256 0 110 108 106 104) (0 100 101 104 106 106 108 110 256)

Medián je 106 a hodnota 0 se nahradí 106 Odstranění: defektů, impulsového šumu a rušení, škrábance, hot a cool pixels Šum Salt and Pepper Mediánová filtrace 3x3

Korekce RAW snímku RAW símek přímo z kamery Obsahuje temný proud šum elektroniky vinětaci Jak má vypadat?

Korekce RAW snímku

RAW símek přímo z kamery

Korigovaný snímek

Obr. převzaty z http://ccd.mii.cz

Korekce snímací soustavy ¾ Aditivní zkreslení (šum) z

odstranění pomocí temného snímku, filtrací

¾ Multiplikativní (vinětace) z

odstranění flat fieldem, modelem

Korekce RAW snímku

RAW símek přímo z kamery

Korigovaný snímek

Obr. převzaty z http://ccd.mii.cz

Multiplikativní zkreslení - vinětace Změna osvětlení v závislosti na vzdálenosti od středu

E=

πτ ⎛ D ⎞

⎜⎜ ⎟⎟ L cos 4 θ 4 ⎝ f ⎠ 2

⎛D⎞ E ≈ ⎜⎜ ⎟⎟ = c 2 ⎝ f ⎠

θ

2

Minimalizace • Vhodná konstrukce objektivu – cl.číslo, průměr, ohnisko • Korekce následným zpracováním

Úhel paprsků, které vstupují do soustavy. Nevyhnutelná vada!

Vinětace Změna osvětlení v závislosti na vzdálenosti od středu

Snímek před úpravou

Snímek po úpravě - Photoshop

Flat Field Kompenzace • vinětace • defektů v obraze (prach) „Vyrovnání pole“

Fk ( x, y ) = K

F ( x, y ) FF ( x, y )

Technika získání: homogenní osvětlení snímací a zobrazovací soustavy (odrazná deska). model soustavy – obnova nejdéle po každé změně! je třeba RAW flat field korigovat na temný proud.

Temný snímek Temný snímek – dark frame Zdroje: Tepelně generovaný náboj ve struktuře Šum součástek Typický charakter (vadné sloupce), histogram

Temný snímek Tepelný šum Kvantové jevy – nenulová teplota

I d = A exp(− B

k BT

)

Kodak KAF-0400 CCD produkuje 1e–/s na pixel při 0 °C Čtecí šum (elektronika + CCD!): Kodak KAF-0400 CCD je 15 e– RMS – tj. nelze mít nikdy lepší přesnost bez ohledu na teplotu! Pozn. Čtecí šum elektroniky lze vyjádřit i ve Voltech – KAF-0400 CCD má výstupní uzel, který převede 1 elektron na 10 μV. Výsledný parametr za A/D převodníkem (typicky 16 bitů rozsah 2V) Parametr e–/ADU.

Temný sn í mek Výsledný parametr za A/D převodníkem (typicky 16 bitů rozsah 2V). Např. Předpokládejme že kamera je vybavena 16 bitovým A/D převodníkem se vstupním rozsahem 2 V. Tj. 2 V signál je rozdělen na 65 536 jednotek. 1 jednotka reprezentuje 2 V / 65 536 = 30,5 μV. Předpokládejme že výstupní uzel použitého CCD snímače generuje napětí 10 μV na elektron. Výsledný poměr je (30,5 μV / ADU) / (10 μV / e–) = 3 e– / ADU. To znamená že každé 3 elektrony v potenciálové jámě pixelu způsobí jeden inkrement čísla ve výsledném obrazu. Typicky také 2,3 e– / ADU nebo 1,5 e– / ADU.


I d = A exp(− B

k BT

)

Kodak KAF-0400 CCD produkuje 1e–/s na pixel při 0 °C BIAS FRAME: základní úroveň hodnoty pixelů definovaná elektronikou kamery. Tj. temný snímek s nulovou expoziční dobou.

Temný proud x fix pattern noise!


I d = A exp(− B

Korekce:

k BT

)

Fd ( x, y ) = F ( x, y ) − D( x, y )

Podmínky snímání: Stejná teplota, expoziční doba a rozlišení. Nepříliš velký časový odstup Jinak – model „superdark“ z více snímků nebo použití filtrace (např. medián).

Postup korekce RAW snímku

RAW – nekorigovaný - snímek

Postup korekce RAW snímku RAW – nekorigovaný – snímek - F

Temný snímek - D

Po korekci temným snímkem - Fd

Postup korekce RAW snímku Po korekci temným snímkem - Fd

Flat field - FF

Korigovaný snímek - Fk

Postup korekce RAW snímku

RAW – nekorigovaný - snímek

Korigovaný snímek - Fk

Zpracování obrazu a fotonika 2006

Recommend Documents