Diskrétní 2D konvoluce



Podobné dokumenty
DETEKCE HRAN V BIOMEDICÍNSKÝCH OBRAZECH

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

2010 Josef Pelikán, CGG MFF UK Praha

HLEDÁNÍ HRAN. Václav Hlaváč. Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze katedra kybernetiky, Centrum strojového vnímání.

Lineární a adaptivní zpracování dat. 3. SYSTÉMY a jejich popis ve frekvenční oblasti

Grafika na počítači. Bc. Veronika Tomsová

Analýza a zpracování digitálního obrazu

Kosinová transformace 36ACS

Operace s obrazem I. Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity Brno. prezentace je součástí projektu FRVŠ č.

PSK1-9. Číslicové zpracování signálů. Číslicový signál

Úvod do zpracování signálů

VY_32_INOVACE_INF4_12. Počítačová grafika. Úvod

Obraz matematický objekt. Spojitý obraz f c : (Ω c R 2 ) R

Jasové transformace. Karel Horák. Rozvrh přednášky:

Číslicová filtrace. FIR filtry IIR filtry. ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická

Úpravy rastrového obrazu

Hledání hran. Václav Hlaváč. České vysoké učení technické v Praze

Analýza a zpracování signálů

Číslicové filtry. Honza Černocký, ÚPGM

DZDDPZ6 Filtrace obrazu. Doc. Dr. Ing. Jiří Horák - Ing. Tomáš Peňáz, Ph.D. Institut geoinformatiky VŠB-TU Ostrava

Hledání hran. Václav Hlaváč. České vysoké učení technické v Praze

Restaurace (obnovení) obrazu při známé degradaci

Roman Juránek. Fakulta informačních technologíı. Extrakce obrazových příznaků 1 / 30

NOVÉ METODY HODNOCENÍ OBRAZOVÉ KVALITY

Multimediální systémy

Osvědčené postupy pro zpracování tiskových dat s vynikající kvalitou tisku

Modelov an ı syst em u a proces

MĚŘENÍ A ANALÝZA ELEKTROAKUSTICKÝCH SOUSTAV NA MODELECH. Petr Kopecký ČVUT, Fakulta elektrotechnická, Katedra Radioelektroniky

Modelování systémů a procesů (11MSP) Bohumil Kovář, Jan Přikryl, Miroslav Vlček. 8. přednáška 11MSP pondělí 20. dubna 2015

31SCS Speciální číslicové systémy Antialiasing

Operace s obrazem. Biofyzikální ústav LF MU. Projekt FRVŠ 911/2013

Analýza a zpracování signálů. 1. Úvod

Geometrické transformace

[ n. Konvoluce. = 0 jinak. 0 jinak. Užitečné signály (diskrétní verze) Jednotkový skok 1 pro n = 0

Neparametrické odhady hustoty pravděpodobnosti

Motivace příklad použití lokace radarového echa Význam korelace Popis náhodných signálů číselné charakteristiky

základní vlastnosti, používané struktury návrhové prostředky MATLAB problém kvantování koeficientů

Operace s obrazem II

POČÍTAČOVÁ GRAFIKA. Počítačová grafika 1

Systém GIMP (barvy, vrstvy, transformace, průhlednost)

Flexibilita jednoduché naprogramování a přeprogramování řídícího systému

FILTRACE VE FOURIEROVSKÉM SPEKTRU

1. Přednáška: Obecné Inf. + Signály a jejich reprezentace

Zpracování obrazu a fotonika 2006

REALIZACE HRANOVÉHO DETEKTORU S VYUŽITÍM VLNKOVÉ TRANSFORMACE

Základní metody číslicového zpracování signálu část I.

1. března Organizace Základní informace Literatura Úvod Motivace... 3

Filtrace obrazu ve frekvenční oblasti

Počítače a grafika. Ing. Radek Poliščuk, Ph.D. Přednáška č.7. z předmětu

Zpracování obrazů. Honza Černocký, ÚPGM

DIGITÁLNÍ FOTOGRAFIE

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

Obraz jako data. Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity Brno. prezentace je součástí projektu FRVŠ č.2487/2011

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

Dodatky k FT: 1. (2D digitalizace) 2. Více o FT 3. Více k užití filtrů. 7. přednáška předmětu Zpracování obrazů

ROZPOZNÁVÁNÍ ZNAKŮ POMOCÍ UMĚLÉ INTELIGENCE CHARACTERS RECOGNIZING BY ARTIFICIAL INTELLIGENCE

MATLAB. F. Rund, A. Novák Katedra radioelektroniky, FEL ČVUT v Praze. Abstrakt

Algoritmy a struktury neuropočítačů ASN - P11

Lineární a adaptivní zpracování dat. 1. ÚVOD: SIGNÁLY a SYSTÉMY

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

Z OBRAZOVÉHO ZÁZNAMU. Jan HAVLÍK. Katedra teorie obvodů, Fakulta elektrotechnická

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ DETEKTOR OBJEKTŮ S VYUŽITÍM VLNKOVÉ TRANSFORMACE DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS

polyfázové filtry (multirate filters) cascaded integrator comb filter (CIC) A0M38SPP - Signálové procesory v praxi - přednáška 8 2

Lineární a adpativní zpracování dat. 3. Lineární filtrace I: Z-transformace, stabilita

Digitalizace převod AS DS (analogový diskrétní signál )

Ing. Jan Buriánek. Katedra softwarového inženýrství Fakulta informačních technologií České vysoké učení technické v Praze Jan Buriánek, 2010

Direct Digital Synthesis (DDS)

PARCIÁLN LNÍ ROVNICE

Konverze grafických rastrových formátů

Vlastnosti konvoluce. ÚPGM FIT VUT Brno,

3. Restrukturalizace nebo manipulace s údaji - práce s rastrovými daty

ZPRACOVÁNÍ OBRAZU přednáška 4

1. Polotóny, tisk šedých úrovní

ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘICÍ TECHNIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně 1. ÚVOD...

Počítačové vidění Počítačová cvičení. Autoři textu: Ing. Karel Horák, Ph.D.

Reprezentace bodu, zobrazení

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

Pulzní (diskrétní) modulace

7.1. Číslicové filtry IIR

Kompresní metody první generace

VY_32_INOVACE_INF.10. Grafika v IT

Využití lokálních filtrací ve zpracování obrazu

Číslo DUM: VY_32_INOVACE_04_01 Autor: Mgr. Ivana Matyášková Datum vytvoření: březen 2013 Ročník: prima Vzdělávací obor: informační technologie

13 Barvy a úpravy rastrového

UNIVERZITA PARDUBICE. 4.4 Aproximace křivek a vyhlazování křivek

Předzpracování obrazů v prostoru obrazů, operace v lokálním sousedství

Jaroslav Tuma. 8. února 2010

8. Sběr a zpracování technologických proměnných

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

IVT. Úprava fotografií. 8. ročník

Lineární a adaptivní zpracování dat. 1. ÚVOD: SIGNÁLY, ČASOVÉ ŘADY a SYSTÉMY

Binární data. Číslicový systém. Binární data. Klávesnice Snímače polohy, dotykové displeje, myš Digitalizovaná data odvozená z analogového signálu

Počítačová grafika 1. Úvod do grafiky, základní pojmy. Rastrová grafika.

Videosignál. A3M38VBM ČVUT- FEL, katedra měření, přednášející Jan Fischer. Před. A3M38VBM, 2015 J. Fischer, kat. měření, ČVUT FEL, Praha

ROZ II cv. 01 Dekonvoluce KM - FJFI - ČVUT

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Kapitola 1. Signály a systémy. 1.1 Klasifikace signálů

1. Vlastnosti diskretních a číslicových metod zpracování signálů... 15

Transkript:

ČVUT FEL v Praze 6ACS. prosince 2006 Martin BruXy Bruchanov bruxy@regnet.cz

Diracův impuls jednotkový impulz, δ-impulz, δ-funkce; speciální signál s nulovou šířkou impulzu a nekonečnou amplitudou; platí pro něj {, t = 0 + δ(t) = lim f (t) = t 0 0, t 0, δ(t)dt = v DSP technice se definuje δ-funkce δ(n) jako normalizovaný impulz, který má ve vzorku 0 hotnodu a ostatní vzorky mají hodnotu 0.

Popis vzorkovaného signálu A analogový vstup t sample and hold A vzorky analogového signálu n Č 7 6 5 4 2 0 n 00000000000 analogově číslicový převodník číslicová data násobení signálu posloupností Diracových impulzů je ekvivalentní vzorkování signálu v okamžicích těchto impulzů jakýkoliv impulz může být reprezentován jako posunutá a škálované δ-funkce.

Reprezentaze impulzu Jakýkoliv impulz může být reprezentován jako posunutá a škálované δ-funkce, např. 2 0 2 0 2 4 5 6 x(n) = 2,5δ(n )

Odezva systému h(n) na jednotkový impulz Delta funkce [n] Impulzní odezva 2 2 0 0 2 0 2 4 5 6 2 0 2 4 5 6 [n] Lineární systém h[n] Odezvou lineárního systému na Diracův impulz je impulzní odezva (váhová funkce) h(n). Konvolucí impulzní odezvy systému a vstupního signálu je výstupní signál systému.

Diskrétní konvoluce Jak rozumět tomu, jak lin. systém mění vstupní signál x(n) na výstupní y(n)? Vstupní signál je dekomponován na množinu impulzů, každý impulz představuje posunutá a škálovaná δ-funkce. Výsledný výstup každého impulzu je škálovaná a posunutá verze impulzní odezvy. x(n) = 2,5δ(n ) y(n) = 2,5h(n ) Znalost impulzní odezvy systému umoňuje stanovit výstup pro libovolný vstupní signál. Pokud je lineární systém koncipován jako filtr, pak impulzní odezva se nazývá konvoluční jádro (convolution kernel), nebo maska.

Konvoluce y(n) = x(n) h(n) = h(n) x(n) y(n) = M j 0 h(j) x(i j) x(n) h(n) 4,0,0 2,0,0 0,0,0 2,0 4,0,0 2,0,0 0,0,0 2,0,0 2 4 5 6 7 8,0 0 2

Příklad konvoluce I. x 0 5 = {0,0;,0;,2; 2,0;,4;,4} x(0)h(n 0) x()h(n ) x(2)h(n 2) 4,0 4,0 4,0,0,0,0 2,0 2,0 2,0,0,0,0 0,0 0,0 0,0,0,0,0 2,0 2,0 2,0,0 0 2 4 5 6 7 8 9 0,0 0 2 4 5 6 7 8 9 0,0 0 2 4 5 6 7 8 9 0 x()h(n ) x(4)h(n 4) x(5)h(n 5) 4,0 4,0 4,0,0,0,0 2,0 2,0 2,0,0,0,0 0,0 0,0 0,0,0,0,0 2,0 2,0 2,0,0 0 2 4 5 6 7 8 9 0,0 0 2 4 5 6 7 8 9 0,0 0 2 4 5 6 7 8 9 0

Příklad konvoluce II. x 6 8 = {0,5; 0,0; 0,6} x(6)h(n 6) x(7)h(n 7) 4,0 4,0 4,0 x(8)h(n 8),0 2,0,0 0,0,0 2,0,0 2,0,0 0,0,0 2,0,0 2,0,0 0,0,0 2,0,0 0 2 4 5 6 7 8 9 0,0 0 2 4 5 6 7 8 9 0,0 0 2 4 5 6 7 8 9 0 4,0 Po sečtění všech složek y(n):,0 2,0,0 0,0,0 2,0,0 0 2 4 5 6 7 8 9 0

aplikace v počítačové grafice a pro zpracování obrazu y(m, n) = y(m, n) = x(m, n) h(m, n) M k=0 ( N l=0 ( ) ) h(m k, n l) x(k, l) pomocí konvolučních jader lze definovat filtry provádějící: vyhlazování (filtr dolní propust) doostřování (filtr horní propust) detekce hran (gradientní operátory)

Jak udělat z jednorozměrné 2D Filtr pro klouzavé průměrování Převod do 2D: Binomický fitr H = (,, ) H 2 = (, 4, 6, 4, ) 6 6 h = (,, ) = 9 h 2 = (, 4, 6, 4, ) 6 4 6 4 = 256 4 6 4 4 6 4 4 4 6 24 6 4 6 6 24 6 24 6 4 4 6 24 6 4 4 6 4

Výpočet 2D diskrétní konvoluce 0 2 4 5 0 2 4 5 75 /9 79 /9 27 2 220 /9 26 2 /9 /9 /9 /9 22 /9 2 /9 H = 9 9 75 + 9 26 + 9 2+ 9 79 + 9 27 + 9 22+ 9 2 + 9 220 + 9 2+ = 2 Postup: Máme vstupní a výstupní bitmapu, konvoluční jádro zpracovává bod po bodu vstup(i, j) a vypočítanou hodnotu zapisuje na odpovídající pozici výstup(i, j).

Kde běžný uživatel využije konvoluční jádra Tvorba vlastních filtrů a úpravy obrazu v rastrových editorech: Adobe Photoshop, Paint Shop Pro, GIMP,... Dávkové zpracování obrazu pomocí ImageMagick www.imagemagick.org. Podpora v některých vektorových editorech. Úprava vektorových elementů ve formátu SVG http://www.w.org/tr/svg/.

Grafické editory a konvoluce Zadávání konvolučních jader v graf. editoru GIMP.

Vyhlazovací filtry I. Originál zarušeného snímku.

Vyhlazovací filtry II. H = 9

Vyhlazovací filtry III. H 2 = 6 2 2 4 2 2

Vyhlazovací filtry IV. H = 256 4 6 4 4 6 24 6 4 6 24 6 24 6 4 6 24 6 4 4 6 4

Gaussovo rozostření I. G(x, y) = x 2 +y 2 2πσ 2 e 2σ 2 0, 0,2 0,2 0,2 0, 0, 0,0 2 0 2 2 0 2 Rozptyl σ = 0,75.

Gaussovo rozostření II. H G = 59 2 4 5 4 2 4 9 2 9 4 5 2 5 2 5 4 9 2 9 4 2 4 6 4 2 =

Vyhlazovací filtry závěr H =, H 2 = 9 6 2 2 4 2 2, H = 256 4 6 4 4 6 24 6 4 6 24 6 24 6 4 6 24 6 4 4 6 4 Průměrovací filtry mají střední hodnotu všech členů, např. pro H 2 je průměr 6 ( + 2 + + 2 + 4 + 2 + + 2 + ) =. Nevýhodou průměrovacích filtrů je to, že při vyhlazení dojde na ostrých barevných přechodech k mírnému rozmazání a kvůli tomu utrpí i tenké čáry a další detaily.

Detekce hran Hrany se v digitálním obrazu nacházejí v místech, kde se prudce mění jas. Vylepšování hran souvisí s doostřováním a dokáže zlepšit vnímání lidksého zraku. Důležité pro předzpracování obrazu v počítačovém vidění: rozeznávání objektů identifikace zpracování otisků prstů, tvarů obličeje určování pozice vzhledem ke kameře Optical Character Recognition (OCR)

Princip detekce hran Hrana je v obraze dána obrazovým elementem a jeho okolím, je určena tím, že se náhle změní hodnota obrazové funkce f (x, y). Pro studium změn funkce dvou proměnných se používají parciální derivace a změnu funkce udává její gradient, který určuje směr největšího růstu ψ funkce a strmost tohoto růstu f (x, y) : f (x, y) = ( f x Laplaceův operátor, vychází z 2. derivací: ) 2 ( ) f 2 + y 2 f (x, y) = 2 f x 2 + 2 f y 2

Princip detekce hran, pokračování Laplaceův operátor 2 f (x, y) = 2 f y 2 V diskrétním obraze aproximujeme derivace pomocí diferencí: x 2 + 2 f 2 f x 2 ( f (i, j) f (i, j) ) ( f (i, j) f (i +, j) ) 2 f y 2 ( f (i, j + ) f (i, j) ) ( f (i, j) f (i, j ) ) 2 f x 2 f (i, j) 2f (i, j) + f (i +, j))... (, 2, ) 2 f f (i, j + ) 2f (i, j) + f (i, j )... 2 y 2 H 4 = 0 0 4 0 0 H 5 = 8

Laplacián, filtr typu horní propust H 4 = 0 0 4 0 0 + 28 Laplacián je invariantní vůči otočení. Přičtení 28 slouží k posunutí jasu pixelů.

Operátor Prewittové Příklad operátoru, který aproximuje první derivaci (další možnosti např. Sobel, Kirch, Robinson,... ). Slouží pro odhad gradientu v okolí pro osm směrů (ty se získají pootočením matice). H P = 0 0 0, 0 0 H P = 0, H P = 0 0 0 Větší matice s vyšším rozlišením může sloužit k vytváření reliéfu v různých směrech.

Operátor Prewittové, příklad všechny směry

Doostřování Ostrost vidění je pro lidské vnímání velmi důležitou vlastností. Často se stává, že obraz pro sejmutí kamerou, vyfotografování nebo naskenování nemá moc ostré hrany. Tady nám pomůžou filtry pro ostření, které zvýrazní hrany v obrazu. Nevýhoda dále popsaných filtrů je to, že kromě hran zvýrazní v obraze také šum a některé další nechtěné detaily. Pro doostřování využijeme Laplacián jehož hodnotu odečteme od hodnoty původního pixelu: g(i, j) = f (i, j) ( f (i, j) + f (i +, j) + + f (i, j + ) + f (i, j ) 4f (i, j) ) = = 5f (i, j) f (i, j) f (i +, j) f (i, j + ) f (i, j ) H 6 = 0 0 5 0 0

Příklad pro programátory int sharpen filter[][]={{0,,0}, {,5, }, {0,,0}}; for(x = 0 ; x < PIX WIDTH; x++){ for(y = 0; y < PIX HEIGHT; y++){ for(k = 0; k < ; k++){ for(l = 0; l < ; l++){ y = getpixel (INPUT, (x ) + k, (y ) + l); sum y += y sharpen filter[k][l]; } } putpixel(output, i, j, sum y); } }

Doostřování, příklady I. Digitalizovaný videosignál snímku z CCD kamery.

Doostřování, příklady II. H 6 = 0 0 5 0 0

Doostřování, příklady III. H 7 = 9

Příklad uživatelského filtru pro vylepšení obrazu Originál

Příklad uživatelského filtru pro vylepšení obrazu Detekce hran pomocí jádra H 4 + 28

Příklad uživatelského filtru pro vylepšení obrazu Gaussovo rozostření, rozptyl 5 pixelů

Příklad uživatelského filtru pro vylepšení obrazu Překrytí Rozostření R Sloučení zrnitosti Detekované hrany D Originál O Sloučení zrnitosti: L S = O + D 28 Překrytí: L P = L S (L S + (2 T (255 L S ))/255)/255

Příklad uživatelského filtru pro vylepšení obrazu Výsledek

Příklad uživatelského filtru pro vylepšení obrazu Originál

Reference Smith, Steven W.: The Scientists and Engineer s Guide to Digital Signal Processing. California Technical Publishing, 999. http://www.dspguide.com Goznales, Rafael C.; Woods, E. Richards: Digital Image Processing. Prentice Hall 2002, 2nd edition. Hlaváč, Václav; Sedláček Miloš: Zpracování signálů a obrazů. Vydavatelství ČVUT 2005. Dokumentace k programu GIMP http://docs.gimp.org