Johdanto. Kuvankäsittely: Kuva Kuva. Kuva. Mittauksia. Kuva-analyysi: Korkean tason kuvaus. Kuva. Kuvan ymmärtäminen:

Transkriptio

1 Johdanto Kuvankäsittely: Kuva Kuva Kuva-analyysi: Kuva Mittauksia Kuvan ymmärtäminen: Kuva Korkean tason kuvaus

2 Kuvantamismenetelmien ominaisuuksia Digitaalinen kuva Näkö Laitetekniikkaa

3 Digitaalinen kuva Digitointi Kvantisointi Binäärikuva Värien esittäminen Monikanavainen kuva

4 Kuvan muodostaminen Kuvantamisjärjestelmä Optiikkaa, röntgenlaitteita tms. Betasäteilyjärjestelmä, akustiset kuvat tms Tutkakuvat Vaikuttaa kuvan resoluutioon ja ominaisuuksiin Kuvaa analysoitaessa on ymmärrettävä 1. Mikä ilmiö muodostaa kuvan? 2. Mitä siitä yritetään saada selville?

5 Digitointi Näytteistys Analoginen kuva (anturilla) a(x,y) Digitoitu kuva a[m,n]

6 Digitointi 2D jatkuva (analoginen) kuva a(x,y) jaetaan N:ään riviin ja M:ään sarakkeeseen. Rivin ja sarakkeen leikkauskohtaa nimitetään pikseliksi. Kuva voi olla myös muiden muuttujien, kuten syvyyden (z), värin (λ) ja ajan (t) funktio. rivit sarakkeet arvo = a(x,y,z,λ,t)

7 Resoluution vaikutus Digitointi Alkuperäinen ½ ¼ 1/8 1/16

8 Kvantisointi 8 bit = 256 tasoa 7 bit = 128 tasoa 6 bit = 64 tasoa 5 bit = 32 tasoa 4 bit = 16 tasoa 3 bit = 8 tasoa 2 bit = 4 tasoa 1 bit = 2 tasoa

9 Binäärikuva Vain ykkösiä ja nollia sisältävä kuva Usein esim. reunanilmaisun tai segmentoinnin tulos Monia menetelmiä on kehitetty nimenomaan binäärikuvien analyysiin

10 Värien esittäminen (historiallinen näkökulma) Aallonpituudet (CIE Commission Internationale de l Eclairage 1931): R = 700 nm G = 546,1nm B = 435,8 nm

11 Värien esittäminen Harmaasävykuvat: Tyypillisesti 2 k (2, 16, 256, 4096,... ) harmaasävyä Indeksoidut värikuvat: RGB värikuvat: Monikanavaiset kuvat: Tyypillisesti 256 väriä (GIF-formaatti) Punainen (R), vihreä (G), ja sininen (B) kanava, tyypillisesti 256 tasoa jokaisessa: 2 (3*8) = väriä (esim. TIF ja JPEG formaatit) Useita kanavia, esim. Näkyvä valo, NIR, IR jne. (kaukokartoitus, esim. satelliittikuvat ja ilmakuvat)

12 Värien esittäminen Jos väri voidaan esittää pelkällä intensiteetillä, kyseessä on harmaasävykuva Akromaattinen valo Kirkkaus on intensiteettiin liittyvä subjektiivinen käsite Lineaarinen intensiteetin muutos kirkkaus ei vaikuta lineaariselta

13 Harmaasävykuvat: Värien esittäminen

14 Indeksoitu värikuva: Värien esittäminen

15 Värien esittäminen RGB värikuva: R G B

16 Värien esittäminen Punainen, vihreä ja sininen pääväreinä (RGB): Kahden värin leikkaukset: Cyan, Magenta, Yellow (CMY)

17 Värien esittäminen RGB-kuutio Harmaasävyt ovat kuution halkaisijalla Muunnos väreistä harmaasävyiksi saadaan R:n, G:n ja B:n lineaarikombinaationa

18 HSI-esitystapa HSI (HSV) hue, saturation, intensity (value) Värikuva jaetaan : aallonpituuteen H saturaatioon S intensiteettiin I - H kuvaa värin aallonpituuden (punainen, sininen...) - S kuvaa väriin sekoittuneen valkoisen valon määrää

19 HSI-esitystapa Alkuperäinen RGB Hue Saturaatio Intensiteetti

20 HSI-esitystapa HSI-muunnoksessa pyritään irrottamaan väriinformaatio intensiteetistä H on väripisteen P kulma punaisesta akselista S on suhteessa P:n etäisyyteen kolmion keskipisteestä I lasketaan suhteessa kolmion keskipisteen läpi kulkevaan suoraan

21 Monikanavainen kuva RGB värikuva: R G B

22 Monikanavainen kuva CMY(K) värikuva: C M Y K

23 Monikanavainen kuva RGB red, green, blue Yleisin CMY(K) cyan, magenta, yellow, (black) Usein painoteollisuudessa käytetty YIQ TV-lähetyksen värijärjestelmä Y-komponentti (luminanssi) sisältää MV-lähetyksen informaation HSI (HSV) hue, saturation, intensity (value) Muistuttaa ihmisen tapaa havaita värejä

24 Monikanavainen kuva = B G R Q I Y ( ) ( ) [ ] ( ) ( )( ) [ ] + + = cos B G B R G R B R G R H ( ) ( ) [ ] B G R B G R S,, min = Eri esitystapojen välisiä suhteita: ( ) B G R I + + = 3 1 = B G R Y M C 1 1 1

25 Näkö Silmä Värinäkö

26 Silmä

27 Silmä

28 Sähkömagneettisen säteilyn spektri

29 Värinäkö

30 Laitetekniikkaa Digitaalitekniikkaa kennot kamerat Kuvan pakkaaminen

31 Kennot Kaksi yleisintä tyyppiä CCD charge-coupled device Herkempi käytetään mm. astronomiassa Line-scan sensor (viivakamera) Tasoskannerit Area sensor Digitaalikamerat CMOS (Complementary Metal-Oxide-Silicon) Pienempi virrankulutus Yleistynyt vasta viimeisen parin vuoden aikana Uusi, tulossa oleva tekniikka Foveon X3

32 Kennot CCD viiva-anturi

33 Kennot CCD matriisianturi

34 Kennot Foveon X3

35 Kennot Foveon X3

36 Kamerat Yhden kennon RGB-kamerat Kaikki kolme väriä havaitaan samalla kennolla Anturissa suodinmatriisi (Bayer-matriisi), joka jakaa värit anturin eri elementeille Puuttuvat värit joudutaan interpoloimaan havaituista arvoista Kolmen kennon RGB-kamerat R-, G- ja B-kanavat ohjataan omille kennoilleen suotimien kautta Ei vaadi interpolointia

37 Kamerat Bayer-matriisi ja värien interpolointi (nearest neighbor-menetelmä)

38 Muita interpolointimenetelmiä: Kamerat Bilineaarinen, cubic-konvoluutio, smooth hue transition, reunaa tunnistava, väriä korjaava, jne. Lisää infoa Bayer-matriiseista ja interpolointimenetelmistä:

39 GIF Compuserve Kuvan pakkaaminen LZW-koodaus (Lemple-Zif-Welch) Lossless-pakkaus JPG (JPEG) Joint Photographic Experts Group Hukkaava (lossy) pakkaus PNG Portable Network Graphics Suunniteltu erityisesti webbikäyttöön GIF-formaatin tapainen, mutta pakkaukseltaan tehokkaampi TIF (TIFF) Tagged-Image File Format LZW-koodaus

40 GIF-formaatti Soveltuu kuville, joissa on vain vähän värejä ja paljon tasaisia pintoja Piirrokset, logot, teksti Ei hyvä formaatti valokuville

41 JPG-formaatti Diskreetti kosinimuunnos 8x8 pikselin blokeille Pakkaussuhteesta riippuen huomioidaan vain tärkeimmät kertoimet Suurella pakkausprosentilla kuvassa näkyy virheitä (artifacts): Viivoissa sahakuviota Melkein tasaisilla pinnoilla laatikoita Ei sovellu viivapiirroksille eikä tekstille ainakaan suurella pakkaussuhteella

42 PNG-formaatti Kompromissi GIF- ja JPG-formaateista Tehokkaampi pakkaus, kuin GIF:llä Sopii myös viivoille ja tekstille

43 TIFF-formaatti Lossless-pakkaus (LZW) Voi usein olla myös pakkaamaton 8 tai 16 bittiä kanavalla (esim. 48-bittinen RGB) Vrt. Canon EOS D30: 12 bittiä/kanava = 36-bittinen RGB