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 ampling): digitalizace v prostorových souřadnic adnicíchch Kvantizace (quantization uantization): digitalizace v úrovních
Vzorkování a kvantizace obrazu
Vzorkování a kvantizace obrazu
Vzorkování a kvantizace obrazu
Reprezentace obrazu RGB R G B
Reprezentace obrazu CIE Lab L a b šedotonový (luminosity) chrominační chrominanční
Reprezentace obrazu Srovnání RGB CIE Lab u = v = 4x 2x + 12y + 3 9y 2x + 12y + 3 Kolorimetrický diagram stejných rozdílů
Reprezentace obrazu Srovnání RGB CIE Lab Další možnosti: CMYK tiskový prostor (doplňkov kové barvy) Indexovaná barva Barevné profily a přizpp izpůsobení zařízen zení! 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 Histogram Distribuční (rozdělovací) funkce úrovní (pro daný kanál) v obraze.
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 Histogram Distribuční (rozdělovací) funkce úrovní (pro daný kanál) v obraze.
Vyrovnání (ekvalizace)) histogramu
Vyrovnání (ekvalizace)) histogramu
Převodní charakteristika Zesvětlení podání světel
Převodní charakteristika Ztmavení podání stínů
Negativ Převodní charakteristika
Převodní charakteristika 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 g( x, y) = 1/ 9 1 1 1 1 1 1 1 1
Vstup 2D konvoluce - příklady Po konvoluci Horní propust (zvýraznění detailů) 1 g( x, y) = 1/1 1 1 1 5 1 1 1 1
Vstup 2D konvoluce - příklady Po konvoluci Horní propust Prewitové filtr (zvýraznění horiz. hran) 1 g( x, y) = 1/1 0 1 1 0 1 1 0 1
Vstup 2D konvoluce - příklady Po konvoluci 0 g( x, y) = 1/1 1 0 Horní propust Laplaceův filtr (zvýraznění horiz.i ver. hran) 1 4 1 0 1 0
Vstup Sobelova filtrace Po filtraci Dvě směrové filtrace horizintální, vertikální G V 1 ( x, y) = 1/1 2 1 0 0 0 1 2 1 G H 1 ( x, y) = 1/1 0 1 2 0 2 1 0 1 Fáze a modul fáze
Mediánov nová filtrace 100 256 108 101 0 106 106 110 104 (100 101 106 256 0 110 108 106 104) (0 100 101 104 106 106 108 110 256) Šum Salt and Pepper Mediánová filtrace 3x3 Medián je 106 a hodnota 0 se nahradí 106 Odstranění: defektů, impulsového šumu a rušení, škrábance, hot a cool pixels
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 snímac mací soustavy Aditivní zkreslení (šum) odstranění pomocí temného snímku, filtrací Multiplikativní (vinětace) 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 = 2 πτ D 4 L cos θ 4 f 2 D E = c f 2 Minimalizace Vhodná konstrukce objektivu cl.číslo, průměr, ohnisko Korekce následným zpracováním θ 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 F k ( 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 = Aexp( B k B ) T 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 snímek 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.
Temný snímek Tepelný šum Kvantové jevy nenulová teplota I d = Aexp( B k B ) T 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!
Temný snímek Tepelný šum Kvantové jevy nenulová teplota I d = Aexp( B k B ) T Korekce: F d ( 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