Vlnková transformace a její aplikace ve zpracování obrazu

Podobné dokumenty
APLIKACE DWT PRO POTLAČENÍ ŠUMU V OBRAZE

POTLAČENÍ OBRAZOVÉHO ŠUMU VE VIDEOZÁZNAMU Z BEZPEČNOSTNÍCH KAMER

Integrální transformace obrazu

Waveletová transformace a její použití při zpracování signálů

VYUŽITÍ MATLABU K POTLAČOVÁNÍ ADITIVNÍHO ŠUMU POMOCÍ FILTRACE A POMOCÍ VLNKOVÉ TRANSFORMACE. Gabriela Eisensteinová, Miloš Sedláček

Metody rekonstrukce obrazu a

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

REALIZACE HRANOVÉHO DETEKTORU S VYUŽITÍM VLNKOVÉ TRANSFORMACE

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

Vlnková transformace

WAVELET TRANSFORMACE V POTLAČOVÁNÍ

NOVÉ METODY HODNOCENÍ OBRAZOVÉ KVALITY

KTE/TEVS - Rychlá Fourierova transformace. Pavel Karban. Katedra teoretické elektrotechniky Fakulta elektrotechnická Západočeská univerzita v Plzni

Transformace obrazu Josef Pelikán KSVI MFF UK Praha

Vlastnosti a modelování aditivního

VYUŽITÍ VÝPOČETNÍHO SYSTÉMU MATLAB PŘI NEDESTRUKTIVNÍ KONTROLE STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ A DÍLCŮ ROZBOREM AKUSTICKÉ ODEZVY GENEROVANÉ MECHANICKÝM IMPULSEM

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

3 METODY PRO POTLAČENÍ ŠUMU U ŘE- ČOVÉHO SIGNÁLU

Vysoká škola chemicko-technologická v Praze. Abstrakt. k rekonstrukci pozorovaných dat. Tento postup je aplikován na vybrané biomedicínské

Úvod do vlnkové transformace

Analýza signálů technikou Waveletů

MODERNÍ SMĚROVÉ ZPŮSOBY REPREZENTACE OBRAZŮ

Laboratorní úloha č. 8: Elektroencefalogram

Číslicové filtry. Honza Černocký, ÚPGM

P6 Časově frekvenční analýza signálů

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

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

Signál v čase a jeho spektrum

31ZZS 9. PŘEDNÁŠKA 24. listopadu 2014

Zpracování obrazu pomocí vlnkové transformace

Direct Digital Synthesis (DDS)

filtry FIR zpracování signálů FIR & IIR Tomáš Novák

Wavelet transformace v metodách zvýrazňování řeči

Úvod do zpracování signálů

Semestrální práce KMA / MM Waveletová transformace

doc. Dr. Ing. Elias TOMEH Elias Tomeh / Snímek 1

Osnova. Idea ASK/FSK/PSK ASK Amplitudové... Strana 1 z 16. Celá obrazovka. Konec Základy radiotechniky

Při návrhu FIR filtru řešíme obvykle následující problémy:

Analýza a zpracování digitálního obrazu

Základy a aplikace digitálních. Katedra radioelektroniky (13137), blok B2, místnost 722

ZVÝRAZNĚNÍ BIOMEDICINSKÝCH OBRAZOVÝCH SIGNÁLŮ

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

r Odvoď te přenosovou funkci obvodů na obr.2.16, je-li vstupem napě tí u 1 a výstupem napě tí u 2. Uvaž ujte R = 1Ω, L = 1H a C = 1F.

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela analýza šumu v elektronických obvodech

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Kompresní metody první generace

A/D převodníky - parametry

1. Úvod Cíl práce Fourierova transformace a řada Vlnková transformace...4

1 Zpracování a analýza tlakové vlny

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

ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ Z MECHANICKÝCH. Jiří Tůma

Komprese dat s použitím wavelet transformace

Základní metody číslicového zpracování signálu část I.

ROZ1 CVIČENÍ VI. Geometrická registrace (matching) obrazů

Volba zobrazení (Direct Current, Scaling) - FFT 1D, FFT 2D

CW01 - Teorie měření a regulace

Spektrální analyzátory a analyzátory signálu

Multimediální systémy

Porovnání tří metod měření QT intervalu

Toolboxy analýzy a modelování stochastických systémů

Jasové transformace. Karel Horák. Rozvrh přednášky:

Komprese dat Obsah. Komprese videa. Radim Farana. Podklady pro výuku. Komprese videa a zvuku. Komprese MPEG. Komprese MP3.

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

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ČASOVĚ-FREKVENČNÍ ANALÝZA TIME-FREQUENCY ANALYSIS

Spektrální analyzátory

SROVNÁNÍ IMPLEMENTACÍ DISKRÉTNÍ WAVELETOVÉ TRANSFORMACE V JAVĚ A C/C++

Zásady regulace - proudová, rychlostní, polohová smyčka

Analýza a zpracování signálů

VYUŽITÍ FILTRAČNÍCH METOD V NMR MĚŘENÍCH

Tajemství skalárního součinu

ČASOVĚ-FREKVENČNÍ ANALÝZA HRUBÉHO DOMÁCÍHO PRODUKTU ČR

Komplexní obálka pásmového signálu

Číslicové zpracování a analýza signálů (BCZA) Spektrální analýza signálů

Primární zpracování radarového signálu dopplerovská filtrace

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

A7B31ZZS 10. PŘEDNÁŠKA Návrh filtrů 1. prosince 2014

VYUŽITÍ PSYCHOAKUSTICKÉHO MODELU A TRANSFORMACE TYPU WAVELET PACKET PRO VODOZNAČENÍ AUDIO SIGNÁLŮ

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

VOLBA ČASOVÝCH OKEN A PŘEKRYTÍ PRO VÝPOČET SPEKTER ŠIROKOPÁSMOVÝCH SIGNÁLŮ

Preprocessing Biochemical Signals and Its Analysis

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

JEDNODUCHÝ VLNKOVÝ FILTR EKG SIGNÁLŮ

Základní metody číslicového zpracování signálu a obrazu část II.

ALGORITMY SEGMENTOVANÉ WAVELETOVÉ TRANSFORMACE OBRAZŮ

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

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

31SCS Speciální číslicové systémy Antialiasing

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

Simulace zpracování optické obrazové informace v Matlabu. Petr Páta, Miloš Klíma, Jaromír Schindler

Aplikace waveletové transformace v. The Application of the Wavelet Transform in Digital Image Processing

PARCIÁLN LNÍ ROVNICE

Digitalizace převod AS DS (analogový diskrétní signál )

KRITÉRIA PRO VÝBĚR VLNEK PŘI ZPRACOVÁNÍ MR OBRAZŮ

Úvod do medicínské informatiky pro Bc. studium. 6. přednáška

FILTRACE VE FOURIEROVSKÉM SPEKTRU

Číslicové zpracování signálů a Fourierova analýza.

- DAC - Úvod A/D převodník převádějí analogové (spojité) veličiny na digitální (nespojitou) informaci. Základní zapojení převodníku ukazuje obr.

Filtrace obrazu ve frekvenční oblasti

doc. Dr. Ing. Elias TOMEH Elias Tomeh / Snímek 1

2010 Josef Pelikán, CGG MFF UK Praha

Transkript:

Vlnková transformace a její aplikace ve zpracování obrazu Jan Švihlík svihlj1@fel.cvut.cz +40 4 35 113 České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra radioelektroniky

Obsah Proč vlnková transformace? Fourierova versus vlnková transformace Fourierova transformace (FT) Gaborova transformace (STFT) Vlnková transformace (WT) - Požadavky na vlnku a měřm ěřítkovou funkci - Porovnání transformací - Výpočet spojité vlnkové transformace (CWT) - Příklad použit ití CWT, CWT versus FT - Diskrétn tní vlnková transformace (DWT) - WT jako filtrace - Implementace 1D DWT - Implementace D DWT - Dekomposice D signálu

Obsah Motivace Obrazová data - Autokorelační funkce Prahování vlnkových koeficientů - Měkké - Tvrdé Model vlnkových koeficientů - Dyadická dekomposice snímk mků - Zobecnělý Laplacián, odhad parametrů modelu Bayesovské estimátory tory - Potlačen ení aditivního šumu v multimediáln lních snímc mcíchch Komprese pomocí diskrétn tní vlnkové transformace

Proč vlnková transformace? Fourierova transformace neumožň žňuje postihnout vývoj spektra v čase. Předchůdci dci vlnkové transformace, jako např.. STFT (Short Time Fourier Transform), určuj ují spektrum ve výřezu signálu, kde velikost výřezov ezového okna je konstantní => buď malé rozlišen ení v čase nebo v kmitočtu. tu. Vlnková transformace je schopna díky d smrštění nebo roztažen ení analysující vlnky postihovat rychlé či i pomalé změny v signálu a zároveň tyto změny lokalizovat v čase.

FT versus WT Fourierova versus vlnková transformace Fourierova transformace Vlnková transformace

Fourierova transformace (FT) Fourierova transformace Amplituda Fourierova transformace Amplituda Čas + jωt ( ω) = ( ) F f t e dt 0 Frek. FT převede p signál l z časové domény do spektra, které představuje míru m korelace s bázovými funkcemi. Pro stacionárn rní signály je FT účinným nástrojem. n Pro nestacionárn rní signály je dobré použít t jinou transformaci.

Gaborova transformace (STFT) Gaborova transformace (Dennis Gabor 1946) okno Amplituda Gaborova transformace Frekvence Čas Čas STFT (Short( Time Fourier Transform) ) analysuje vždy v jen úsek signálu, který je vyříznut pomocí okna. Máme M tedy podle šířky okna buď lepší rozlišen ení v čase nebo ve frekvenci. V případp padě Gaborovy transformace využíváme Gaussovské okno.

Vlnková transformace (WT) Vlnková transformace (Alfred Haar 1909) Amplituda Vlnková transformace Měř ěřítko Čas Čas + (, τ) = ( ) ψ (, τ, ) C s f t s t dt WT je schopna díky d smrštění nebo roztažen ení analysující vlnky postihovat rychlé či pomalé změny v signálu a zárovez roveň tyto změny lokalizovat v čase.

Požadavky na vlnku a měřm ěřítkovou fci Vlnka + ψ () t dt = 0 - Nulová středn ední hodnota, PP + + Ψ ψ ( ω) d ω () t dt ω < + < + - Vhodný frekvenční rozsah - Náleží do L (R) konečná energie Měřítková funkce + ϕ () t dt = 1 - Charakter DP

Porovnání transformací Transformace Fourierova Gaborova Vlnková Frekvence Frekvence Měř ěřítko Čas Čas Čas

ýpočet spojité vlnkové transformace. Vyberu dekomposiční vlnku a nastavím m ji na začátek analysovaného signálu.. Spočítám m vlnkový koeficient C, který udává míru podobnosti úseku ana- lysovaného signálu a vlnky.. Posunuji vlnku směrem doprava a opakuji bod. dokud se nedostanu na konec signálu.. Smrštím m (roztáhnu) vlnku a opakuji body 1. aža 3.. Zopakuji bod 1. aža 4. pro všechna v měřm ěřítka. + (, ) = ( ) ψ (,, ) C scale position f t scale position t dt

Příklad použit ití CWT Detekce singularit (coif5, scale: 1:0.:10) Spojitá vlnková transformace Scale 10 9.4 8.8 8. 7.6 7 6.4 5.8 5. 4.6 4 3.4.8. 1.6 1 0 40 60 80 100 Time Spojitá vlnková transformace Scale 10 9.4 8.8 8. 7.6 7 6.4 5.8 5. 4.6 4 3.4.8. 1.6 1 0 40 60 80 100 Time

CWT versus FT Detekce singularit 60 50 Fourierova transformace Amplituda 40 30 0 10 0 0 4 6 8 10 frekvence [khz] x 10 4 50 45 40 Fourierova transformace Amplituda 35 30 5 0 15 10 5 0 0 4 6 8 10 frekvence [khz] x 10 4

iskrétn tní vlnková transformace (DWT) Motivace Spojitá vlnková transformace CWT vypočten tená pro všechna v možná měřítka vlnky produkuje obrovské množstv ství dat. Je tedy nutné provést výpočet jen pro určitou množinu posic a měřm ěřítek vlnky => = Mallatův v algoritmus, kde změna měřm ěřítka a posuv probíhá na dvojkové (dyadické) ) mřížce. m Dyadická mřížka Vhodnou závislostz vislostí měřítka a posuvu vytvoříme neredundantní dekomposici. Touto závislostz vislostí vytvoříme z vlnky orthonormáln lní basi. Měř ěřítko 4s s s p p s =, τ = k p, k Z 1 t k k p t ψ p Ψ k, p(,, ) = p p Posuv

WT jako filtrace Vlnka se chová pásmová propust filtrující signál l kolem centráln lního kmitočtu. tu. V následujícím m měřm ěřítku je filtrována horní polovina pásma p dolnofrekvenční části signálu. Měřítková fce Vlnková spektra BW BW 4BW f 1 ω FT { f ( a t) } = F a a I pro nejmenší hodnoty měřm ěřítka zůstane z vždy v nepokryta část spektra od nuly do určit itého kmitočtu tu => = zavedeme tzv. měřm ěřítkovou funkci (Mallat).

Implementace 1D DWT Schéma 1D dyadické dekomposice Filtry Lo a Hi jsou tzv. kvadraturní zrcadlové filtry QMF, které mají komplementárn rní propustná pásma. Hi Detaily 1D signál Lo LL Lo Impulsová odezva DP filtru Hi Impulsová odezva HP filtru Podvzorkování

Implementace D DWT Schéma D dyadické dekomposice sloupce řádky řádky sloupce Hi HH1 Hi sloupce řádky Lo HL1 D signál sloupce řádky řádky sloupce Hi LH1 Lo sloupce řádky Lo LL1 Lo Impulsová odezva DP filtru Hi Impulsová odezva HP filtru Podvzorkování

Dekomposice D signálu Hi HH1 Hi Lo HL1 Hi LH1 Lo Lo LL1 LL1 - aproximace HL1 - vertikáln lní detaily LH1 - horizontáln lní detaily HH1 diagonáln lní detaily LL1 LH1 HL1 HH1

Implementace IDWT Schéma D IDWT řádky sloupce HH1 Hi r sloupce řádky řádky sloupce Σ Hi r HL1 Lo r řádky sloupce Σ Rekonstr. obraz LH1 Hi r sloupce řádky řádky sloupce Σ Lo r LL1 Lo r Lo r Rekonstrukční DP filtr Hi r Rekonstrukční HP filtr Převzorkování

Aplikace ve zpracování obrazu

Motivace Máme Chceme POTLAČEN ENÍ ŠUMU S využit itím m DWT chceme vytvořit účinný algoritmus pro potlačen ení aditivního šumu.

Obrazová data Multimediáln lní snímky Autokorelace Brada Cameraman Boat Woman

Obrazová data Astronomické snímky Autokorelace Light image Light image Flat field Dark frame

Prahování Obrazová vlnkových data koeficientů Měkké prahování važujeme signál x kontaminovaný šumem n - N(µ,σ ) y= x+ n. dhad x na základé měkkého prahování je dánd ( ) ( δ) sgn y y, y δ xˆ =, 0, y < δ Output wavelet coefficients 600 400 00 0-00 -400-600 -600-400 -00 0 00 400 600 Input wavelet coefficients de δ představuje hodnotu prahu. Tvrdé prahování y, y δ xˆ =, 0, y < δ Output wavelet coefficients 600 400 00 0-00 -400-600 -600-400 -00 0 00 400 600 Input wavelet coefficients

Model vlnkových koeficientů Dyadická dekomposice multimediáln lního snímku Hi HH1 Hi Lo HL1 Hi LH1 Lo Lo LL1 Histogram 1 0.8 0.6 0.4 0. 0 50 100 150 00 50 Jas Histogram 1 0.8 0.6 0.4 0. 0-50 0 50 Amplituda waveletových koef.

Model vlnkových koeficientů Dyadická dekomposice astronomického snímku Hi HH1 Hi Lo HL1 Hi LH1 Lo Lo LL1 1 1 0.8 0.8 Histogram 0.6 0.4 Histogram 0.6 0.4 0. 0. 0 1600 1800 000 00 400 600 Jas 0-500 0 500 Amplituda waveletových koef.

Model vlnkových koeficientů Zobecnělý Laplacián x ( ) p x e Parametr s řídí šířku distribuce a parametr p řídí tvar distribuce. x s p Odhad parametrů - Metoda nejmenší ších čtverců N (, ;, ) ( ) ( ) x = i x i { s, p} R hist p s p hist x p x i= 1 R = 0 - Momentová metoda M = 3 s Γ p 1 Γ p M 4 = 4 5 s Γ p 1 Γ p

Model vlnkových koeficientů Histogramy snímk mků včetně modelované PDF 1 0.8 model hist 1 0.8 model hist Histogram 0.6 0.4 Histogram 0.6 0.4 0. 0. 0-50 0 50 Amplituda waveletových koef. 0-40 -0 0 0 40 Amplituda waveletových koef. Cameraman Woman 1 0.8 model hist 1 0.8 model hist Histogram 0.6 0.4 Histogram 0.6 0.4 0. 0. 0-500 0 500 Amplituda waveletových koef. 0-500 0 500 Amplituda waveletových koef. 3ldn66.01.dat 3m8.01.dat

Bayesovské Estimátory tory BLSE estimátor tor važujeme signál x kontaminovaný šumem n - N(µ,σ ) odmíněná středn ední hodnota aposteriorní PDF p(x y) poskytne nejlepší LSE dhad x. + + ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) pyx y x px x x dx pn y x px x x dx + xˆ ( y) = pxy ( x y) x dx= =, + + p y x p x dx p y x p x dx de p n představuje distribuci šumu and p x apriorní PDF signálu. MAP estimátor tor y= x+ n. ( ) ( ) yx x n x ( ) = ( ) ( ) xˆ y arg max p y x p x. x n x Výstupní koeficienty Výstupní koeficienty 600 400 00 0-00 -400-600 -600-400 -00 0 00 400 600 600 400 00 0-00 -400 Vstupní koeficienty -600-600 -400-00 0 00 400 600 Vstupní koeficienty

Bayesovské Estimátory tory Potlačen ení aditivního šumu LL1 LL DWT DWT DWT HH1, HL1, LH1 BAYESIAN EST. IDWT Výsledky PARAMETERS EST. {s,p} 34 33 3 BLSE MAP Soft THR Hard THR PSNR OUT [db] 31 30 9 8 7 6 5 4 16 18 0 4 6 8 30 PSNR IN [db]

Literatura [1] <www.mathworks.com> [] KOLZÖW, D. Wavelets. A Tutorial and a Bibliography [online]. Erlangen [cit.005-8-8]. Dostupné na www: <http://math.feld.cvut.cz/0educ/ osndokt-c/kolzow3.pdf> [3] VALENS, C. A Really Friendly Guide to Wavelets [online]. [cit. 005-8- 16]. Dostupné na www: <http://perso.wanadoo.fr/polyvalens/clemens/ download/arfgtw_60004.pdf> [4] ADAMS, N., et al. Denoising Using Wavelet [online]. [cit. 005-10-7]. Dostupné na www: http://www-personal.engin.umich.edu/~volafsso/ Wavelet-Project/rep/DN.ps [5] MALLAT, S. G. A Theory for Multiresolution Signal Decomposition: The Wavelet Representation. [Online]. Ecole Polytechnique, Centre de Mathématiques Appliquées, [005-1-8]. www:<http://www.cmap. polytechnique.fr/~mallat/papiers/mallattheory89. pdf> [6] ŠVIHLÍK, J., PÁTA, P.: Dark Frame Correction Via Bayesian Estimator in the Wavelet Domain. In 006 IEEE International Symposium on Signal Processing and Information Technology [CD-ROM]. Madison: Omnipress, 006, s. 55-58. ISBN 0-7803-9754-1.

Děkuji za pozornost?

GUI FOT_DYADEK Cvičen ení

GUI FOT Cvičen ení

Odhady parametrů Druhý a čtvrtý moment 3 p x s Γ + + s p m = x px ( x) dx x e dx = = 1 Γ p m 4 = 4 5 s Γ p 1 Γ p Druhý a čtvrtý výběrový moment M 1 N = N i = 1 X i M 4 1 N = N i = 1 X 4 i Laplacián kontaminovaný AWGN m Odhad parametrů 3 s Γ p = σ n + 1 Γ p M m s p ( ) =, m 4 3 4 5 6 σ n s Γ s 4 p Γ p = 3 σ n + + 1 1 Γ Γ p p M m s p ( ) 4 = 4,