Vizijski sustavi Osnovni pojmovi Ak 20072008 27 03

Vizijski sustavi – Osnovni pojmovi Ak. 2007/2008 27. 03. 2008. , Marko Švaco 1

Sadržaj n n n n Monokromatska slika Dvodimenzionalna funkcija prikaza slike (gray level) Slikovni element (pixel) Volumni element (voxel) Kompresija slike Sklopovlje za digitalnu obradbu slike Sklopovlje za akviziciju slike 2

Monokromatska slika Broj bitova kojima zapisujemo boju: n Monokromatski (“crno-bijelo”): 1 bit n Monokromatska slika: jedan pixel = jedan bit. n Slika veličine 640 x 480 pixela: n 640 x 480 = 307200 b n = 37, 5 KB 3

Monokromatska slika n Primjer: 4

Dvodimenzionalna funkcija prikaza slike n n Slika je dvodimenzionalna funkcija f(x, y) – vrijednost funkcije predstavlja svjetlinu Slika = matrica 5

Gray Level Definicija: n Nijansa sive boje pridružena pikselu ili osvjetljenje piksela n To su obično brojevi od 0 do 255 uzeti iz skale sive boje – “Gray scale” n 0 = crna boja n 255 = bijela boja n 1 -254 = 254 nijansi sive boje između n Greyscale (“siva paleta”): 1 byte, 0 -255 intenzitet crne n Paletted color: 1 byte, jedna od 256 boja n 24 -bit color: 3 bytea, 16. 777. 216 boja 6

Gray Level – Gray scale n n n Grayscale slika: jedan pixel jedan byte (256 nijansi sive, od crne do bijele). Slika veličine 640 x 480 pixela: 640 x 480 x 8 = 2457600 b = 300 KB 7

Gray scale vs Monokromatska 8

Gray scale vs Monokromatska n n Lijeva slika - monokromatska: 2000 dpi, 1952 KB Desna slika – gray scale: 200 dpi, 156 KB 9

Slikovni element – piksel (engl. “pixel” ) n n n Pixel = Picture element (Pix=Picture) Jedna točka u prikazu slike Virtualni piksel – u datoteci Stvarni piksel – u ispisu, na zaslonu Piksel je najmanja jedinična komponenta slike 10

Slikovni element – piksel n n Piksel nije točka ili kocka već je apstraktni uzorak Može se prikazati na mnogo načina. . . 11

Slikovni element – piksel n n Piksel ne mora biti prikazan (renderiran) kao kockasti element Alternatrivni načini prikaza slike iz skupa vrijednosti piksela, koristeći: n n n Točke Linije ili “Fino” filtriranje 12

Slikovni element – piksel n n Broj piksela u slici naziva se rezolucija Broj piksela može se izraziti kao jedan broj: 3 megapiksela ili kao par brojeva: “ 1280 x 1024” 13

Slikovni element – piksel QVGA 0. 077 Megapixels = 320× 240 VGA 0. 3 Megapixels = 640× 480 SVGA 0. 5 Megapixels = 800× 600 XGA 0. 8 Megapixels = 1024× 768 WXGA 1. 0 Megapixels = 1280× 800 SXGA 1. 3 Megapixels = 1280× 1024 WXGA+ 1. 3 Megapixels = 1440× 900 SXGA+ 1. 4 Megapixels = 1400× 1050 WSXGA+1. 7 Megapixels = 1680× 1050 UXGA 1. 9 Megapixels = 1600× 1200 WUXGA 2. 3 Megapixels = 1920× 1200 QXGA 3. 1 Megapixels = 2048× 1536 WQXGA 4. 1 Megapixels = 2560× 1600 QSXGA 5. 2 Megapixels = 2560× 2048 WQSXGA 6. 6 Megapixels = 3200× 2048 QUXGA 7. 7 Megapixels = 3200× 2400 WQUXGA 9. 2 Megapixels = 3840× 2400 WUQSXGA 11. 3 Megapixels = 4200× 2690 14

Volumni elemnt - voksel n n n voxel = “Volumetric pixel” Prikazuje vrijednost pravokutne mreže u prostoru – 3 D matrica Medicinska i znanstvena primjena Primjer rezolucije: 515 x 512 voksela Vrijednost voksela može sadržavati različita svojstva 15

Kompresija slike bavi se minimiziranjem broja n bitova/točki potrebnih za predstavljanje slike n Aplikacije: u prijenosu i arhiviranju slika n Arhiviranje: dokumenti, medicinske slike (CT, MR), animacije. . . n npr. slika dimenzija 1024 x 1024 sa 8 -bitnom dubinom boje: 1024 x 8 = 840 k. B; zahtijeva veliki prostor na mediju n Kompletni CT ljudskog tijela: 512 x 3600 x 2 bajta = 2 GB!! n 16

Kompresija slike Metode kompresije slike mogu se generalno podijeliti: 1. metode za kompresiju jedne slike (engl. Intraframe methods) 2. metode za kompresiju niza slika (engl. Interframe methods) ---------------------a) kompresija bez gubitka podataka (“lossless”) b) kompresija s gubitkom podataka (“lossy”) n 17

Kompresija bez gubitaka podataka n n Kompresijom se ne gubi ni jedna informacija o slici omjer kompresije nije velik (oko 1: 2) ne koristi se kao samostalna metoda kompresije već u kombinaciji s drugim metodama kao dio kompresije s gubicima Medicinska primjena 18

Kompresija bez gubitaka podataka n n n Run-Length kodiranje kodira se uzastopni broj pojavljivanja neke boje obavezan tzv. escape kod Primjer: niz 00 01 06 06 06 ==> 00 01 99 06 05 gdje je 99 escape kod, a 05 broj ponavljanja 19

Kompresija bez gubitaka podataka n n n Kodiranje ravnina bitova “bit-plane encoding” Slika s 256 nivoa (8 bita) može se interpretirati kao 8 binarnih slika od kojih se svaka može kodirati pomocu Run-Length kodiranja faktor kompresije 1, 5 do 2 za sive 8 -bitne slike 20

Kompresija s gubicima n n n kompresijom i dekompresijom se gubi dio informacija izgube se vrlo fini detalji što ljudsko oko u većini slučajeva ne može primijetiti veličina slike se drastično smanji 21

Kompresija slike n n n n prediktivna transformirajuća vektorska podpojasna (subband) Wavelet segmentirajuća odsijecanje bloka n n n fraktalna Quadtree neuronski pristup 3 D - DCT adaptivna blok kompresija varijab. rezolucijska 22

Kompresija slike Prediktivno kodiranje n uklanja se suvišna informacija kod susjednih točaka i kodira samo nova informacija n kodira se razlika između ocijenjene i stvarne vrijednosti uzorka u nekom trenutku 23

Kompresija slike n n Transformacijsko kodiranje originalna slika se podijeli u manje blokove s N uzoraka i transformacija se provodi na pojedinim blokovima. 24

Kompresija slike n n Podpojasno kodiranje signal se rastavi u više podpojaseva u spektralnoj domeni, koji se zatim nezavisnokodiraju bilo kojom od metoda kodiranja signala 25

Kompresija slike n Quadtree kodiranje 26

JPEG kompresija n n JPEG – Joint Photographic Experts Group MPEG – Motion Photographic Experts Group n n Teži se standardizaciji kompresije slika Kompresijski omjer: 15 za kompresiju sa gubicima te 2 do 3 za kompresiju bez gubitaka 27

JPEG kompresija n n 4 kompresijske metode: a) Sekvencijalna DCT kompresija b) Progresivna DCT kompresija c) Sekvencijalna prediktivna kompresija bez gubitaka d) Hijerarhijska kompresija sa gubicima JPEG-2000 kompresija 28

Sklopovlje za akviziciju i digitalnu obradu slike 29

Sklopovlje za akviziciju i digitalnu obradu slike 30

Sklopovlje za akviziciju i digitalnu obradu slike n n n n Osnovni elementi vizijskog sustava kamera (digitalna, analogna), laserski senzori ili sonar digitalizator slike (eng. Frame grabber) procesor (osobnog računala ili poseban procesor) (“smart kamera”) poseban software za analizu slike i njezinih značajki Prikladno osvjetljenje – LED, halogeno. . . izvršni uređaj ili aktuator koji pokreće cijelu konstrukciju na temelju naredba 31

http: //www. youtube. com /watch? v=8 G 59 z. TXVHH U&NR=1 32

Sklopovlje za akviziciju i digitalnu obradu slike n n n Osvjetljenje je vrlo bitan faktor kod akvizicije (stjecanja, prikupljanja) slike Često se ulaže veliki trud kod same obrade slike umjesto da se poboljša osvjetljenje Uz vrlo dobro postavljeno osvjetljenje drastično se može povećati kvaliteta slike 33

34

Ravno osvjetljenje 35

Osvjetljenje n n n Kupolno osvjetljenje Proizvodi uniformno svjetlo bez refleksija Idealno za osvjetljavanje okruglih i sjajnih objekata 36

Sklopovlje za akviziciju i digitalnu obradu slike n n Slijed operacija koji se odvija pri stvaranju digitalne slike - Prilikom zračenja kojeg odašilje predmet, dio zračenja je uočen od optičkog sustava. Primljeno zračenje senzori pretvaraju u električni signal koji se zatim koristi za stvaranje digitalne slike u obliku matrice brojeva. 37

Sklopovlje za akviziciju i digitalnu obradu slike 38

Sklopovlje za akviziciju i digitalnu obradu slike n n Stjecanje (akvizicija) digitalne slike Minimalno tri komponente - kamere sa fotoosjetljivim slojem, digitalizatora slike (eng. frame grabber) i računala. 39

Sklopovlje za akviziciju i digitalnu obradu slike n n n svjetlost koja ulazi u leću kamere i pogađa ravninu slike Ravnina slike kod kamera sa fotoosjetljivim slojem je pravokutna mreža od n x m fotosenzora osjetljivih na snagu svjetlosti. Svaki fotosenzor pretvara energiju svjetlosti u napon struje (voltažu). Izlazni podatci fotoosjetljive površine prenose se električnim signalom Signal se šalje digitalizator slike, gdje je digitaliziran u 2 -D, pravokutnu mrežu od N x M vrijednosti cijelih brojeva i pohranjen u memoriju. Digitalizatori slike (Frame grabberi) su uređaji za digitalizciju i prikupljanje slika na zaslonu računala. 40

Sklopovlje za akviziciju i digitalnu obradu slike n Digitalizacija slike 41

CCD , CMOS n n n Poluvodički fotootporni senzori CCD – “Charge coupled devics” CMOS – “Complementary metal oxide semiconductor” Obje tehnologije razvijene u laboratorijima 60 -ih i 70 ih godina CCD je 1970 -ih postao najrasprostranjeniji fotosenzor dok je se CMOS tek 1990 -ih počeo više koristiti Danas niti jedan od ove dvije tehnologije nije superiorna 42

CCD n n CCD senzor naboj svih piksela se provodi kroz samo jedan čvor te se pretvara u napon te se šalje kao analogan signal 43

Analogna i digitalna CCD kamera 44

CMOS n n n Kod CMOS senzora svaki piksel ima svoj pretvornik naboja u napon također često sadrže i pojačalo, uređaj za korekciju šuma i digitalizacijski uređaj tako da je izlaz digitalan Te funkcije povećavaju kompleksnost te smanjuju prostor za sakupljanje svjetla 45

n n n Adimec OPAL-1000 CCD kamera velike brzine Može proizvesti i do 120 slika u sekundi Površina CCD senzora sa 1024 × 1024, 5. 5µm kockastih piksela. Izvedbe: Monokromatska kamera (Gray scale) te kao kamera u boji 46

n n n n Adimec 4150 m 2352 x 1728 Rezolucija (7μm pixels) Omogućava inspekciju najmanjimh mogućih grešaka Monokromatska kamera (Gray scale) Brzina do 144 slike po sekundi u kontinuiranom modu. CMOS čip Kvaliteta slike skoro kao i kod CCD čipova 47

Hvala! 48