ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Εισαγωγή – Βασικό Θεωρητικό Υπόβαθρο Νικόλας Τσαπατσούλης Επίκουρος Καθηγητής Π.Δ.407/80 Τμήμα Διδακτικής της Τεχνολογίας και Ψηφιακών Συστημάτων Πανεπιστήμιο Πειραιώς ΔΤΨΣ 150 – Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ ◊Μια Εικόνα είναι ένα διδιάστατο σήμα f(x,y) όπου x και y είναι οι συντεταγμένες επιπέδου (2Δ-χώρος) και f η τιμή φωτεινότητας (απόχρωση του γκρι) στο σημείο (x,y). ◊Μια Ψηφιακή Εικόνα είναι μια εικόνα για την οποία oι τιμές των x,y,και f είναι διακριτές και πεπερασμένες ◊Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας (ΨΕΕ) ονομάζουμε την επεξεργασία Ψηφιακών Εικόνων με τη χρήση Ψηφιακών Υπολογιστών ◊Το ενδιαφέρον για την ΨΕΕ προκύπτει από δύο θεμελιώδεις περιοχές εφαρμογής: ◊Βελτίωση της οπτικής πληροφορίας για κατανόηση της από τους ανθρώπους ◊Επεξεργασία των δεδομένων της εικόνας για αποθήκευση, μετάδοση και κατανόηση από μηχανές Τι είναι η Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας;

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ ◊Ένα ερώτημα για το οποίο δεν υπάρχει κοινή απάντηση είναι που σταματά το πεδίο της ΨΕΕ και που αρχίζουν άλλα πεδία όπως η Υπολογιστική Όραση και η Τεχνητή Νοημοσύνη ◊Για την απάντηση στο ερώτημα αυτό ορίζουμε τρία επίπεδα επεξεργασίας εικόνων ◊Χαμηλό επίπεδο: Τόσο η είσοδος όσο και η έξοδος σε ένα αλγόριθμο επεξεργασίας χαμηλού επιπέδου είναι εικόνες (παραδείγματα: αποθορυβοποίηση, απαλοιφή θολώματος κλπ) ◊Ενδιάμεσο επίπεδο: Η είσοδος, σε ένα αλγόριθμο επεξεργασίας ενδιάμεσου επιπέδου, είναι εικόνα αλλά η έξοδος είναι κάποια χαρακτηριστικά ανωτέρου επιπέδου (π.χ. Ακμές, περιγράμματα περιοχών κλπ.) ◊Υψηλό επίπεδο: Η είσοδος, σε ένα αλγόριθμο επεξεργασίας υψηλού επιπέδου, είναι εικόνα αλλά η έξοδος είναι πληροφορία για το σημαντικό περιεχόμενο της εικόνας (π.χ. Ποια αντικείμενα αυτή περιέχει) Τι δεν υπάγεται στη Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ ◊Η βελτίωση ποιότητας της εικόνας σχετίζεται με εφαρμογή αλγορίθμων χαμηλού επιπέδου ◊Η ανάλυση εικόνας αναφέρεται σε εφαρμογή αλγορίθμων ενδιάμεσου επιπέδου ◊Αλγόριθμοι των δύο παραπάνω περιπτώσεων θεωρούνται αλγόριθμοι επεξεργασίας εικόνας ◊Εφαρμογή αλγορίθμων υψηλού επιπέδου απαιτεί και τεχνικές Τεχνητής Νοημοσύνης (ΤΝ) και είναι πεδίο της Υπολογιστικής Όρασης (απαιτεί δηλαδή τόσο τεχνικές ΨΕΕ όσο και τεχνικές ΤΝ) ◊Παράδειγμα: Σκαννάρισμα κειμένου και OCR (Optical Character Recognition) υπάγονται στην επεξεργασία εικόνας. Κατανόηση κειμένου => Τεχνητή Νοημοσύνη Τι δεν υπάγεται στη Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας (ΙΙ)

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ Ιστορικά Στοιχεία ◊1921: Μετάδοση εικόνας ηλεκτρονικά από Λονδίνο σε Νέα Υόρκη με υποθαλάσσιο καλώδιο (τηλεγράφου). Κατευθείαν εκτύπωση της εικόνας στη λήψη (όχι αποθήκευση) με τεχνική ‘Halftoning’ ◊1929: Μετάδοση εικόνας ηλεκτρονικά από Λονδίνο σε Νέα Υόρκη και κατευθείαν εκτύπωση της με χρήση τεχνικών φωτογραφικής αναπαραγωγής και 15 αποχρώσεις του γκρι (Βλέπε κατωτέρω εικόνα)

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ Ιστορικά Στοιχεία (ΙΙ) ◊1964: Για πρώτη φορά χρησιμοποιούνται Ψηφιακοί Υπολογιστές για την επεξεργασία εικόνων του φεγγαριού που λήφθηκαν από φωτογραφική μηχανή στο διαστημόπλοιο Ranger 7. Ο στόχος ήταν να απαλειφθούν οι παραμορφώσεις εξαιτίας της κίνησης του διαστημοπλοίου μαζί με την φωτογραφική μηχανή.

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Εφαρμογές  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ ◊Υπάρχουν αμέτρητες περιοχές εφαρμογών της ΨΨΕ, οι οποίες εξελίσσονται ραγδαία. Θα δώσουμε πιο κάτω μερικές από αυτές.

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ ◊Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα καλύπτει πολλές χρήσιμες ακτινοβολίες που χρησιμοποιούνται στην απεικόνιση:

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία (ΙΙ)  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ ◊Μερικοί κλάδοι της επιστήμης, π.χ. αστρονομία, περιέχουν εικόνες από όλο το φάσμα. ◊Συνήθως θα χρησιμοποιήσουμε παραδείγματα εικόνων από το ορατό φάσμα. ◊Αυτό είναι ένα πολύ μικρό κομμάτι του φάσματος ακτινοβολίας!

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ ◊Μπορούμε να διακρίνουμε τρεις τύπους εικόνας, οι οποίοι δημιουργούν διαφορετικούς τύπους πληροφορίας εικόνας: ◊Εικόνες που δημιουργούνται με απεικόνιση αντανάκλασης ◊Εικόνες που δημιουργούνται με απεικόνιση εκπομπής ◊Εικόνες που δημιουργούνται με απεικόνιση απορρόφησης

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Απεικόνιση Αντανάκλασης  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ ◊Η πληροφορία της εικόνας είναι η πληροφορία της επιφάνειας, δηλαδή πως ένα αντικείμενο αντανακλά / απορροφά ακτινοβολία ◊Οπτική (ορατή, φωτογραφική, με βάση τις ακτίνες laser) ◊Radar ◊Sonar, ultrasound (non-EM) Υπέρηχοι ◊Electron microscopy - Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο.

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Απεικόνιση Εκπομπής  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ ◊Απεικόνιση εκπομπής: Η πληροφορία εικόνας είναι εσωτερική πληροφορία, δηλαδή πως ένα αντικείμενο δημιουργεί ακτινοβολία ◊Θερμική, υπέρυθρη (γεωφυσική, ιατρική, στρατιωτική) ◊Αστρονομία (άστρα, γαλαξίες, κλπ.) ◊Πυρηνική (εκπομπή σωματιδίων).

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Απεικόνιση Απορρόφησης  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ ◊Η πληροφορία της εικόνας είναι εσωτερική πληροφορία, δηλαδή πως ένα αντικείμενο αλλάζει / απορροφά ακτινοβολία που περνά διαμέσου του. ◊Ακτίνες Χ σε πολλές χρήσεις ◊Οπτική μικροσκοπία σε χρήσεις εργαστηρίου ◊Τομογραφία στην ιατρική

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Δημιουργία Εικόνων με Ακτίνες γ  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ ◊Χρήση για τη διάγνωση παθολογιών στα οστά - Εικόνα (α) – Ένεση με ραδιοισότοπα ακτινοβολίας γ χορηγείται στον ασθενή ◊Positron Emission Tomography (PET) – Εικόνα (b) ◊Συλλογή ακτινοβολίας γ αστερισμού ◊Συλλογή ακτινοβολίας γ από μια βαλβίδα πυρηνικού αντιδραστήρα

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Δημιουργία Εικόνων με Ακτίνες Χ  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ ◊Τυπική ακτινογραφία θώρακος ◊Αγγειογραφία ◊Αξονική Τομογραφία ◊Βιομηχανικές εφαρμογές – αναγνώριση ατελειών σε ηλεκτρονικά κυκλώματα όπως διακοπές σε αγώγιμες διαδρομές ◊Αστρονομία (καταγραφή αστερισμού)

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Δημιουργία Εικόνων με Υπεριώδεις Ακτίνες  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ ◊Ακτινοβόληση φθοριζόντων υλικών με υπεριώδη ακτινοβολία προκαλεί έκκληση ορατού φωτός ◊Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο ◊Χρήση στην Αστρονομία (καταγραφή αστερισμού) – καταγραφή θερμικής εκπομπής στην υπεριώδη μπάντα συχνοτήτων

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Καταγραφή Εικόνων στο Ορατό και Υπέρυθρο Φάσμα  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Καταγραφή Εικόνων στο Ορατό και Υπέρυθρο Φάσμα  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Καταγραφή Εικόνων στο Ορατό και Υπέρυθρο Φάσμα  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Καταγραφή Εικόνων στο Ορατό και Υπέρυθρο Φάσμα  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Καταγραφή Εικόνων στο Υπέρυθρο Φάσμα  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Καταγραφή Εικόνων στο Υπέρυθρο Φάσμα (ΙΙ)  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Καταγραφή Εικόνων στο Μικροκυματικό Φάσμα  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Καταγραφή Εικόνων στο Φάσμα Ραδιοσυχνοτήτων  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Υπερηχογραφήματα  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Κλίμακες Απεικόνισης  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ ◊Μεταβάλλονται ανάλογα με τις κλίμακες που υπάρχουν στην φύση:

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Διαστάσεις Εικόνων  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Δημιουργία Ψηφιακών Εικόνων  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ ◊Οι εικόνες είναι διδιαστατά σήματα ενώ το βίντεο είναι τρισδιάστατο σήμα ◊Ο αριθμός των διαστάσεων είναι ο αριθμός των συντεταγμένων που χρειάζονται για να προσδιορισθεί ένα σημείο

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Βασικά Βήματα για τη ΨΕΕ  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Συσχέτιση με άλλα Ερευνητικά Πεδία  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ

ΔΤΨΣ 150: Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας © 2005 Nicolas Tsapatsoulis Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ  Εισαγωγή  Ιστορικά Στοιχεία  Εφαρμογές  Συσχέτιση με άλλα Ερευνητικά Πεδία  Βασικά Βήματα για την ΨΕΕ  Δομικά Στοιχεία Συστημάτων ΨΕΕ