Johdanto Kuvankäsittely: Kuva Kuva Kuva-analyysi: Kuva Mittauksia Kuvan ymmärtäminen: Kuva Korkean tason kuvaus
Kuvantamismenetelmien ominaisuuksia Digitaalinen kuva Näkö Laitetekniikkaa
Digitaalinen kuva Digitointi Kvantisointi Binäärikuva Värien esittäminen Monikanavainen kuva
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?
Digitointi Näytteistys Analoginen kuva (anturilla) a(x,y) Digitoitu kuva a[m,n]
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)
Resoluution vaikutus Digitointi Alkuperäinen ½ ¼ 1/8 1/16
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
Binäärikuva Vain ykkösiä ja nollia sisältävä kuva Usein esim. reunanilmaisun tai segmentoinnin tulos Monia menetelmiä on kehitetty nimenomaan binäärikuvien analyysiin
Värien esittäminen (historiallinen näkökulma) Aallonpituudet (CIE Commission Internationale de l Eclairage 1931): R = 700 nm G = 546,1nm B = 435,8 nm
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) = 16777216 väriä (esim. TIF ja JPEG formaatit) Useita kanavia, esim. Näkyvä valo, NIR, IR jne. (kaukokartoitus, esim. satelliittikuvat ja ilmakuvat)
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
Harmaasävykuvat: Värien esittäminen
Indeksoitu värikuva: Värien esittäminen
Värien esittäminen RGB värikuva: R G B
Värien esittäminen Punainen, vihreä ja sininen pääväreinä (RGB): Kahden värin leikkaukset: Cyan, Magenta, Yellow (CMY)
Värien esittäminen RGB-kuutio Harmaasävyt ovat kuution halkaisijalla Muunnos väreistä harmaasävyiksi saadaan R:n, G:n ja B:n lineaarikombinaationa
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
HSI-esitystapa Alkuperäinen RGB Hue 50 50 100 100 150 150 200 200 250 50 100 150 200 250 250 50 100 150 200 250 Saturaatio Intensiteetti 50 50 100 100 150 150 200 200 250 50 100 150 200 250 250 50 100 150 200 250
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
Monikanavainen kuva RGB värikuva: R G B
Monikanavainen kuva CMY(K) värikuva: C M Y K
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
Monikanavainen kuva = B G R Q I Y 0.311 0.523 0.212 0.321 0.275 0.596 0.114 0.587 0.299 ( ) ( ) [ ] ( ) ( )( ) [ ] + + = 2 1 2 2 1 1 cos B G B R G R B R G R H ( ) ( ) [ ] B G R B G R S,, min 3 1 + + = Eri esitystapojen välisiä suhteita: ( ) B G R I + + = 3 1 = B G R Y M C 1 1 1
Näkö Silmä Värinäkö
Silmä
Silmä
Sähkömagneettisen säteilyn spektri
Värinäkö
Laitetekniikkaa Digitaalitekniikkaa kennot kamerat Kuvan pakkaaminen
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
Kennot CCD viiva-anturi
Kennot CCD matriisianturi
Kennot Foveon X3
Kennot Foveon X3
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
Kamerat Bayer-matriisi ja värien interpolointi (nearest neighbor-menetelmä)
Muita interpolointimenetelmiä: Kamerat Bilineaarinen, cubic-konvoluutio, smooth hue transition, reunaa tunnistava, väriä korjaava, jne. Lisää infoa Bayer-matriiseista ja interpolointimenetelmistä: http://www-leland.stanford.edu/~tingchen
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
GIF-formaatti Soveltuu kuville, joissa on vain vähän värejä ja paljon tasaisia pintoja Piirrokset, logot, teksti Ei hyvä formaatti valokuville
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
PNG-formaatti Kompromissi GIF- ja JPG-formaateista Tehokkaampi pakkaus, kuin GIF:llä Sopii myös viivoille ja tekstille
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