1. Johdanto. Johdanto 1

Samankaltaiset tiedostot
1. Johdanto. Johdanto 1. Johdanto 2. Johdanto 3. Johdanto 4

Digitaalinen signaalinkäsittely Kuvankäsittely

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Lääketieteellinen kuvantaminen. Biofysiikan kurssi Liikuntabiologian laitos Jussi Peltonen

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

VÄRISPEKTRIKUVIEN TEHOKAS SIIRTO TIETOVERKOISSA

UUDET INNOVAATIOT. Professori Heikki Kälviäinen Koulutusohjelman johtaja Laitoksen johtaja

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

11. Tilavuusrenderöinti

2.2. Kohteiden konstruktiivinen avaruusgeometrinen esitys

Mitä on konvoluutio? Tutustu kuvankäsittelyyn

Tarvitseeko informaatioteknologia matematiikkaa?

FYSA210/2 PYÖRIVÄ KOORDINAATISTO

1467S Digitaalinen kuvankäsittely 1.1 Mitä digitaalinen kuvankäsittely on

3D-kuvauksen tekniikat ja sovelluskohteet. Mikael Hornborg

Lataa Matemaattinen mallinnus. Lataa

10.2. Säteenjäljitys ja radiositeettialgoritmi. Säteenjäljitys

Astuvansalmen kalliomaalauskohteen dokumentointi 3D:n avulla

JOHDATUS TEKOÄLYYN TEEMU ROOS

Projektisuunnitelma ja johdanto AS Automaatio- ja systeemitekniikan projektityöt Paula Sirén

Matterport vai GeoSLAM? Juliane Jokinen ja Sakari Mäenpää

DIGIBONUSTEHTÄVÄ: MPKJ NCC INDUSTRY OY LOPPURAPORTTI

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Tampereen yliopisto Tietokonegrafiikka 2013 Tietojenkäsittelytiede Harjoitus

Suurikokoiset LCD kosketusnäytöt HUMAN TOUCH

811312A Tietorakenteet ja algoritmit I Johdanto

Ongelma(t): Miten digitaalista tietoa voidaan toisintaa ja visualisoida? Miten monimutkaista tietoa voidaan toisintaa ja visualisoida?

Digitaalisen kuvankäsittelyn perusteet

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

TIETOISET ELÄMYKSET OVAT KOODATTUA AIVOINFORMAATIOTA

LAS- ja ilmakuva-aineistojen käsittely ArcGIS:ssä

Trimble S7: SureScan, pistepilvet ja VISION-kuvantaminen tee näin Kari Tenhunen Geotrim Kä K y ä tt t äj t äpäivä v t ä

5. Grafiikkaliukuhihna: (1) geometriset operaatiot

Korkean suorituskyvyn lämpökameran käyttö tulipesämittauksissa. VI Liekkipäivä, Lappeenranta Sami Siikanen, VTT

Johdatus tekoälyyn. Luento : Koneoppiminen. Patrik Hoyer. [ Kysykää ja kommentoikaa luennon aikana! ]

Luento 5 Mittakuva. fotogrammetriaan ja kaukokartoitukseen

PIKSELIT JA RESOLUUTIO

Luento 2: Tulostusprimitiivit

Kirjoita ohjelma jossa luetaan kokonaislukuja taulukkoon (saat itse päättää taulun koon, kunhan koko on vähintään 10)

811120P Diskreetit rakenteet

POHDIN - projekti. Funktio. Vektoriarvoinen funktio

SGN-3010: Digitaalinen kuvankäsittely I. Sari Peltonen Tampereen teknillinen yliopisto Signaalinkäsittelyn laitos 2007

Ilmastonmuutos ja ilmastomallit

Luento 6: 3-D koordinaatit

8. Morfologinen kuvanprosessointi 8.1. Perusteita

Korkean resoluution ja suuren kuva-alueen SAR

Ei välttämättä, se voi olla esimerkiksi Reuleaux n kolmio:

Spektri- ja signaalianalysaattorit

Neuroverkkojen soveltaminen vakuutusdatojen luokitteluun

RumbleTools Oy. Imatralainen korkean teknologian yritys Ydinosaamisemme on prosessien automatisointi robotiikan ja ohjelmistokehityksen avulla

Solmu 3/2001 Solmu 3/2001. Kevään 2001 ylioppilaskirjoitusten pitkän matematiikan kokeessa oli seuraava tehtävä:

6.6. Tasoitus ja terävöinti

Kohina. Havaittujen fotonien statistinen virhe on kääntäen verrannollinen havaittujen fotonien lukumäärän N neliö juureen ( T 1/ N)

811120P Diskreetit rakenteet

SAIRAALALI ITTO Tietojärjestelmien jaosto TERVEYDENHUOLLON ATK-PÄIVÄT s Jyv5skyl3. hotelli Laajavuori

Liiketoimintaa metsäkonetiedosta?

ARVO - verkkomateriaalien arviointiin

Projektisuunnitelma. Projektin tavoitteet

1 Johdanto Mitä digitaalinen kuvankäsittely on Esimerkkejä digitaalisen kuvankäsittelyn hyödyntämisestä Kuvankäsittelyn vaiheet 3

Lauseen erikoistapaus on ollut kevään 2001 ylioppilaskirjoitusten pitkän matematiikan kokeessa seuraavassa muodossa:

Luento 6 Mittakuva. fotogrammetriaan ja kaukokartoitukseen

The spectroscopic imaging of skin disorders

Algoritmit 1. Luento 1 Ti Timo Männikkö

Luento 5 Mittakuva. fotogrammetriaan ja kaukokartoitukseen

Luokka- ja oliokaaviot

1 Peruslaskuvalmiudet

KUVANKÄSITTELY THE GIMP FOR WINDOWS OHJELMASSA

Signaalien datamuunnokset

Signaalien datamuunnokset. Digitaalitekniikan edut

Artec TDSM 3D Skanneri 3D mallit ja animaatiot nopeasti, myös liikkuvasta kohteesta

Matematiikka ja teknologia, kevät 2011

S Havaitseminen ja toiminta

TIE Tietorakenteet ja algoritmit 1. TIE Tietorakenteet ja algoritmit

811120P Diskreetit rakenteet

Digitaalinen kappaletuotanto - Nopeasti markkinoille

9. Polarimetria. 1. Stokesin parametrit 2. Polarisaatio tähtitieteessä. 3. Polarisaattorit 4. CCD polarimetria

Riemannin pintojen visualisoinnista

Luento 3: 3D katselu. Sisältö

Röntgenkuvaus, digitaalinen kuvaus ja tietokonetomografia

Vasteaika. Vasteaikaa koskeva ohje ei ole juuri muuttunut Robert B. Millerin vuonna 1968 pitämästä esityksestä:

Johdatus ohjelmointiin C-kielellä P Ohjelmoinnin perusteet C-kielellä A Ohjelmointityö

T Tietotekniikan peruskurssi: Tietokonegrafiikka. Tassu Takala TKK, Tietoliikenneohjelmistojen ja multimedian laboratorio

Tee-se-itse -tekoäly

Oulun yliopisto. Luonnontieteellinen koulutusala. Fysiikan tutkinto-ohjelma. Fysiikka, filosofian maisteri, 120 op. 1 of

Ohjelmistojen mallintaminen

Tekoäly lääkärin päätöksenteon tukena. Arho Virkki, DI, FT Lääketieteellisen matematiikan dosentti, TY Auria tietopalvelun johtaja, TYKS

Seuraavat kysymykset koskevat erilaisia tekijöitä, jotka liittyvät digitaaliseen mediaan ja digitaalisiin laitteisiin kuten pöytätietokoneet,

12.5. Vertailua. Silmäillään laskostumisen estoa tietokonegrafiikan kannalta. Kuva luonnehtii vaihtoehtoja.

DSLR-A900/DSLR-A850 A-DWD (1) 2010 Sony Corporation

Kompleksilukujen kunnan konstruointi

Kuvan pakkaus JPEG (Joint Photographic Experts Group)

Videon tallentaminen Virtual Mapista

Talousmatematiikan perusteet: Luento 13. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot ja vektorit Ääriarvon laadun tarkastelu

Muotoilumaailman hahmottaminen - Tuotesemantiikka

Laskennallinen menetelmä puun biomassan ja oksien kokojakauman määrittämiseen laserkeilausdatasta

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

LABORAATIOSELOSTUSTEN OHJE H. Honkanen

Transkriptio:

1. Johdanto Kuvanprosessointi tai -käsittely juontaa juurensa kahdesta pääasiallisesta alueesta, jotka ovat kuvainformaation parantaminen ihmisen tulkintaa varten ja kuvadatan käsittely talletusta, siirtoa ja automaattisesti tietokoneella tehtävää havainnointia varten. Kuva määritellään kaksiulotteisena funktiona f(x,y), jossa x ja y ovat taso- tai spatiaalisia koordinaatteja sekä f:n amplitudia tai arvoa missä tahansa pisteessä (x,y) kutsutaan intensiteetiksi tai harmaasävyksi. Käytetään myös kolmiulotteisia tilavuuskuvia, mutta niitä ei tässä kurssissa käsitellä kuin esimerkeissä. Kun argumentit x, y ja arvot f(, ) ovat äärellisiä ja diskreettejä, kuva on nimenomaan digitaalinen kuva, jota voidaan prosessoida tietokoneessa. Digitaalinen kuva koostuu äärellisestä määrästä alkioita, joilla kullakin on paikkansa ja arvonsa. Kuva-alkio on nimeltään pikseli. Johdanto 1

Näkö on kenties ihmisen tärkein aisti. Kuvanprosessointi ei kuitenkaan rajoitu vain sellaisiin kuviin, joita ihminen voi silmänsä välityksellä nähdä, vaan toimii melkein koko sähkömagneettisella spektrillä, gamma-säteistä radioaaltoihin. Näin ollen kuvanprosessoinnilla on nykyään lukuisia sovellusaloja. Termi kuvanprosessointi liittyy ja on osin päällekkäinen käsitteiden kuva-analyysi, konenäkö ja tietokonegrafiikka kanssa. Kaikki nämä luetaan tekoälyn alle, jonka piiristä ne ovat lähteneet 1960- ja 1970- luvulta lukien tietokoneiden laskentatehon ja graafisten näyttölaitteiden sekä ennen muuta laskentamenetelmien kehityksen myötä. Kuvia pystyttiin lähettämään alkeellisella tasolla jo 1920- luvulta lähtien lennätinkaapeleita pitkin. Kuvatieto oli koodattu aluksi viidellä harmaasävyarvolla ja sittemmin 15 arvolla, kuten kuvassa 1.1. Teknologian kehittyessä ripeästi 1960-luvulla digitaalista dataa alkoi tulla runsaasti, esimerkkinä kuva 1.2. Johdanto 2

Kuva 1.1. Lontoosta New Yorkiin sähkölennättimellä viestitetty kuva vuodelta 1929 (ensimmäisen maailmansodan kenraalit Foch ja Pershing). Johdanto 3

Kuva 1.2. Ensimmäinen avaruusluotaimen Ranger 7 ottama ja maahan välittämä kuva kuun pinnasta (NASA, 1964). Johdanto 4

Lääketieteellinen digitaalinen kuvantaminen edistyi niin ikään 1960- ja 1970-luvulla merkittävästi. Toki jo v. 1895 W. C. Röntgen oli keksinyt hänen mukaansa nimetyn menetelmän käyttää röntgensäteitä, joita on paljon sovellettu muuallakin kuin lääketieteessä. Tietokonetomografian (CT) eli -kerroskuvauksen keksiminen v. 1979 oli läpimurto digitaalista lääketieteellistä kuvanprosessointia ajatellen. Sittemmin on kehitetty muitakin, kuten magneettiresonanssikuvaus (MRI) ja positroniemissiotomografiakuvaus (PET). Kuva 1.3. on röntgenkuva. Kuva 1.4. esittää aivoista mitattua kuvaa kolmiulotteisesta PET-kuvasarjasta. Kuva 1.5. esittää kuvaruudulla virtuaalitodellisuusanimaatiota. Johdanto 5

Kuva 1.3. Röntgenkuva alhaaltapäin kasvoista. Johdanto 6

Kuva 1.4. Positroniemissiotomografia-kuvan (2-ulotteinen projektio) aivoista. Tämä on Jouni Mykkäsen väitöskirjatutkimuksesta (v. 2003), jossa etsitään eli lasketaan aivojen määrättyjä osia käyttäen PET-dataa. Johdanto 7

Kuva 1.5. Virtuaalisuustodellisuuden kuvaa, jota käytettiin liikkuvana kuvana koehenkilöiden tasapainomittausten stimulaationa Timo Tossavaisen väitöstutkimuksessa 2006. Johdanto 8

Digitaalisia kuvia sovelletaan monessa muussakin, kuten fysiikassa, biologiassa, tähtitieteessä, teollisuudessa, elokuvissa ja lukuisilla muilla aloilla. Satelliittikuvat ja digitaaliset kartat ovat kiinnostava, uudehko alue. Kuva 1.6. esittää satelliittikuvan. Esimerkkinä tietojenkäsittelyopin opinnäytetyöstä voi katsoa esim. Vilppu Tuomisen pro gradua v. 2008, joka käsitteli mikroskopiakuvia (http://tampub.uta.fi/browse?value=tuominen%2c+vilppu&type=author). Kuva 1.7. esittää sähkömagneettisen aaltoliikkeen spektrin alueen, joka ulottuu gamma-säteistä radioaaltoihin. Periaatteessa näitä kaikkia voidaan käyttää digitaalisissa kuvissa. Kuva 1.8. havainnollistaa eri välinein otettua tähtitieteellistä kuvaa. Johdanto 9

Kuva 1.6. Satelliittikuva (NASA) Washington D.C:n alueesta. Johdanto 10

Kuva 1.7. Sähkömagneettisen aaltoliikkeen spektri esitettynä fotonin energian mukaan elektronivoltteina [ev]. Näkyvä valo on näistä melko kapea kaista. Johdanto 11

(a) (b) (c) (d) (e) Kuva 1.8. Ravun pulsarin kuvia (NASA): (a) gamma, (b) röntgen, (c) optinen, (d) infrapuna ja (e) radioaallot. Johdanto 12

Luentoesityksen sisältö jakaantuu kuvan 1.9, mukaisiin kuvanprosessoinnin päätehtäviin, joita ei aivan kaikkia tosin tarkastella. (Aallokkeet ovat erikoiskysymys ja viimeisenä olevaa kohteiden tunnistusta olisi käsitelty hahmontunnistus-kurssilla.) Kuvan 1.9. kaavio esittää myös, miten osalla tehtävistä sekä syöte että tulos ovat kuvadataa ja toisella osalla vain syöte, mutta tulos on kuvasta saatuja attribuutteja, informaatiota, jota käytetään mm. hahmontunnistuksessa kuvasta. Kaavion 1.9. ensimmäinen osa on kuvadatan hankinta, josta prosessointi alkaa. Kuvan hankinta on yksinkertaisimmillaan valmiin digitaalisen kuvadatan ottaminen käyttöön. Luonnollisesti voidaan ajatella tähän mukaan itse kuvaaminen jollakin kameralla. Monesti mukana on myös esiprosessointia, kuten skaalaus. Johdanto 13

värikuvan prosessointi aallokkeet ja moniresoluutioprosessointi kuvan tiivistäminen kuvan morfologinen prosessointi kuvan korjaus segmentointi kuvan suodatus ja korostaminen tietämyskanta esittäminen ja kuvaus kuvan hankinta ongelma-alue Kuva 1.9. Kuvanprosessoinnin tehtävät. Osan tehtävistä tulos on kuva ja osan yleensä kuvasta laskettuja attribuutteja. kohteen tunnistaminen Johdanto 14

Kuvan korostaminen tarkoittaa kuvan käsittelyä niin, että se on alkuperäistä soveliaampi kulloinkin seuraavaa jatkokäsittelyä, kuvan varsinaista prosessointia varten. Jatkokäsittely riippuu datan tyypistä ja on ongelmaorientoitunut, ts. vaihtelee sovelluksesta riippuen. Kuvan korjaus tai ennallistus pyrkii niin ikään parantamaan kuvan ulkoasua. Toisin kuin subjektiivinen kuvan korostus kuvan korjaus on objektiivinen perustuen kuvan huononemisen matemaattisiin todennäköisyysmalleihin. Kuvan korostaminen sitä vastoin perustuu käyttäjän subjektiivisiin käsityksiin, mikä on sen hyvä tulos. Värikuvien käsittely on voittanut jatkuvasti lisää alaa kiitos Internetin. Johdanto 15

Aallokkeet (wavelets) ovat menetelmäperhe, jolla esitetään kuvia eri resoluutioilla. Niitä hyödynnetään mm. kuvantiivistyksessä. Aallokkeet ovat erityisasiaa, jota ei tarkastella tässä kurssissa. Kuvantiivistys (-pakkaus) käsittää menetelmiä, joilla kuvat voidaan tallettaa alkuperäistä pienempään muistitilaan tai lähettää pienemmällä kaistanleveydellä. Muistien koot ovat kasvaneet edelleen ripeästi, mutta siirtokapasiteetit hitaammin. Esimerkkinä mainittakoon mm. digitaalikameroissa käytettävä JPEGkuvantiivistysstandardi. Kuvan morfologinen (muodon) prosessointi tarkoittaa kuvan komponenttien erottamista kuvan sisältämien muotojen kuvaamiseksi ja esittämiseksi. Johdanto 16

Segmentoinnissa kuva jaetaan alkeisosiinsa, esim. erilaiset kuvan alueiden reunat, joita käytetään kohteiden tunnistamisessa. Mitä paremmin segmentointi onnistuu, sitä paremmin kohteiden tunnistaminen on mahdollista tehdä. Esitys ja kuvaus seuraavat segmentointia, joka tapahtuu tavallisesti pikselitasolla koostuen joko alueiden reunoista tai itse alueista. Joka tapauksessa tässä tarvitaan datan muuntamista prosessoinnille sopivaan muotoon. Käytetään reuna- tai alue-esitystä. Reunat tulevat kysymykseen, kun esim. keskitytään ulkoisiin muotoihin, kuten kulmat ja käyrät. Alue-esityksiä käytetään sisäisten ominaisuuksien yhteydessä, kuten tekstuuri (pintakuvio) tai rungon muoto. Kuvaus eli piirteidenvalinta tarkoittaa attribuuttien käyttöä, jotka käsittävät kvantitatiivista informaatiota tai ovat pohjana luokiteltaessa kuvan kohteita eri luokkiin. Johdanto 17

Kohteiden tunnistaminen leimaa kohteet kuvaustietojen perusteella, esim. ajoneuvot kuvassa. Tämä on hahmontunnistus-kurssin menetelmiä sisältävää, joten ei käsitellä tällä kurssilla. Tunnistamista ei luonnollisestikaan aina tarvita kuvanprosessoinnissa, vaan vain silloin, kun prosessointi käsittää jotakin pitkälle automatisoitua laskentaa, esim. konenäköä. Kuvassa 1.9. oli myös tietämyskanta. Ongelma-alueen kuvan tietämys koodataan siihen. Tietämys voi olla yksinkertaista tietoa kiinnostavista alueista kuvassa tai monimutkaista, esim. kuvan osien suhteista. Tietämyskanta on vuorovaikutuksessa prosessointimoduulien kanssa (kaksipäinen nuoli), kun taas moduulit ovat toisiinsa nähden ketjussa. Kuvan 1.9. kaikkia moduuleja ei monesti tarvita, ja tulos voidaan saada minkä tahansa niistä jälkeen. Esim. pelkkään visuaaliseen tulokseen pyrittäessä riittää ainoastaan kuvankorostamismoduuli. Johdanto 18

Kuvanprosessointijärjestelmän osat Kuvanprosessointilaitteiden kehitys on kulkenut 1980-luvun erityslaitteista, jotka olivat isäntätietokoneeseen yhteydessä, nykyisiin yleiskäyttöisiin järjestelmiin. Näitä käytetään tavallisissa tietokoneissa, joihin on sijoitettu tarpeellisia laitteisto-osia. Kuva 1.10. esittää kaaviona kuvanprosessoinnin tarvitsemat laitteisto-osat. Antureihin eli sensoreihin kuuluu kaksi osaa digitaalisten kuvien aikaansaamiseksi. Ensimmäinen on laite, joka mittaa kuvattavan kohteen säteilemää energiaa, esim. valon heijastumista. Toinen on digitoija, laite, joka muuntaa fysikaalisen, mitatun tuloksen digitaalisen muotoon. Esim. videokamerassa tuotetaan tulos suhteessa kuvattuun valon intensiteettiin. Kuvan 1.10. osien lisäksi tarvitaan sopiva ohjelmisto. Tämä on muodostettu kurssilla kuvattavien menetelmien ja teorian varassa. Johdanto 19

tietoverkko graafinen näyttö tietokone keskusmuisti tulostin kuvanprosessointiyksikkö kuvanprosessointiohjelmisto mittausanturit eli syöttölaite ongelma-alue Kuva 1.10. Kuvankäsittelyjärjestelmän laitteisto-osat. Johdanto 20