Παρουσίαση Νο. Παρουσίαση Νο. 44

Ψηφιακή Καταγραφή Ψηφιακή Καταγραφή ΕικόναςΕικόνας

Ψηφιακή Επεξεργασία Ψηφιακή Επεξεργασία και Ανάλυση Εικόναςκαι Ανάλυση Εικόνας

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 2

Εισαγωγή (1/2)Εισαγωγή (1/2)

Για την καταγραφή εικόνας απαιτούνται Για την καταγραφή εικόνας απαιτούνται – «Φωτεινή» πηγή«Φωτεινή» πηγή– Αντικείμενο Αντικείμενο – Σύστημα καταγραφήςΣύστημα καταγραφής

«Φωτεινή» πηγή«Φωτεινή» πηγή– Πηγή λευκού φωτόςΠηγή λευκού φωτός– Πηγή Πηγή LaserLaser– Πηγή ακτινοβολίας Χ, υπέρυθρης Πηγή ακτινοβολίας Χ, υπέρυθρης – Ακουστική πηγή Ακουστική πηγή ( (π.χ. σόναρ, υπερηχογράφημα κλπ)π.χ. σόναρ, υπερηχογράφημα κλπ)– κλπ.κλπ.

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 3

Εισαγωγή (2/2)Εισαγωγή (2/2)

Σύστημα καταγραφής Σύστημα καταγραφής – Βιολογικό, π.χ. μάτιΒιολογικό, π.χ. μάτι– Φωτοχημικό, π.χ. φιλμΦωτοχημικό, π.χ. φιλμ– Φωτοηλεκτρικό, π.χ. Φωτοηλεκτρικό, π.χ. CCD, CCD, κάμερα τηλεόρασηςκάμερα τηλεόρασης

Το σύστημα καταγραφής διεγείρεται από Το σύστημα καταγραφής διεγείρεται από συγκεκριμένα μήκη κύματοςσυγκεκριμένα μήκη κύματος– π.χ. το μάτι από το ορατό φως με μήκη κύματος π.χ. το μάτι από το ορατό φως με μήκη κύματος

μεταξύ 380μεταξύ 380nm~700nmnm~700nm

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 4

Βασικό σύστημα καταγραφήςΒασικό σύστημα καταγραφής

Μοντέλο συστήματοςΜοντέλο συστήματος

Οπτικό σύστημα

Ανιχνευτής(αναλογικός ή

διακριτός)

Ψηφιοποιητής(στο πεδίο τιμών ή/και ορισμού)

s(x,y,z) f(x,y) i(x,y) F(x1,x2)

– s(x,y,z): s(x,y,z): φωτεινότητα σημείων του αντικειμένουφωτεινότητα σημείων του αντικειμένου

– f(x,y): f(x,y): φωτεινότητα στις δυο διαστάσειςφωτεινότητα στις δυο διαστάσεις

– i(x,y): i(x,y): ηλεκτρικό σήμαηλεκτρικό σήμα

– F(xF(x11,x,x22): ): 2-2-DD διακριτό σήμα – εικόνα διακριτό σήμα – εικόνα

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 5

Οπτικό σύστημαΟπτικό σύστημα Αποτελείται από οπτικούς φακούςΑποτελείται από οπτικούς φακούς Αν η διάταξη φακών και οι ίδιοι οι φακοί Αν η διάταξη φακών και οι ίδιοι οι φακοί

θεωρηθούν ιδανικοί τότε θεωρηθούν ιδανικοί τότε s(x,y,z)s(x,y,z) f(x,y)f(x,y) Σε μη ιδανικές συνθήκες Σε μη ιδανικές συνθήκες

– Οι φακοί δεν παρουσιάζουν τέλεια εστίαση Οι φακοί δεν παρουσιάζουν τέλεια εστίαση – Αντί του Αντί του f(x,y)f(x,y) λαμβάνεται το λαμβάνεται το

w(x,y)=w(x,y)=∫∫∫∫h(x,y,z,s)f(z,s)dzdsh(x,y,z,s)f(z,s)dzds– Η συνάρτηση Η συνάρτηση h(.)h(.) περιγράφει το σύστημα του περιγράφει το σύστημα του

φακού ( φακού ( Point Spread Function (PSF)Point Spread Function (PSF) ) )

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 6

Παράδειγμα παραμόρφωσης από Παράδειγμα παραμόρφωσης από οπτικό σύστημαοπτικό σύστημα

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 7

Ανιχνευτής (1/3)Ανιχνευτής (1/3)

Οπτικοί ανιχνευτέςΟπτικοί ανιχνευτές– Φωτοχημικοί και φωτοηλεκτρικοί Φωτοχημικοί και φωτοηλεκτρικοί

(μετατρέπουν την φωτεινότητα σε ηλεκτρικό (μετατρέπουν την φωτεινότητα σε ηλεκτρικό σήμα)σήμα)

Φωτοχημικοί ανιχνευτέςΦωτοχημικοί ανιχνευτές– Φιλμ που περιέχουν άλατα αργύρουΦιλμ που περιέχουν άλατα αργύρου– Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οπτικές Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οπτικές

πηγές για τους φωτοηλεκτρικούς ανιχνευτέςπηγές για τους φωτοηλεκτρικούς ανιχνευτές– Είναι αναλογικοί: χρειάζεται ψηφιοποίησηΕίναι αναλογικοί: χρειάζεται ψηφιοποίηση

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 8

Ανιχνευτής (2/3)Ανιχνευτής (2/3) Φωτοηλεκτρικοί ανιχνευτέςΦωτοηλεκτρικοί ανιχνευτές

– Μπορούν να οδηγήσουν κατευθείαν έναν ψηφιοποιητήΜπορούν να οδηγήσουν κατευθείαν έναν ψηφιοποιητή– Vidicon, Charge Injection Devices (CIDs), Charge Vidicon, Charge Injection Devices (CIDs), Charge

Coupled Devices (CCDs)Coupled Devices (CCDs)

CCDsCCDs– Πλέγμα φωτοευαίσθητων ημιαγώγιμων κυττάρωνΠλέγμα φωτοευαίσθητων ημιαγώγιμων κυττάρων– Μικρό μέγεθος, ταχύτατη απόκριση Μικρό μέγεθος, ταχύτατη απόκριση – Χρήση σε κάμερες και φωτογραφικές μηχανέςΧρήση σε κάμερες και φωτογραφικές μηχανές– Υψηλή ποιότητα όταν υπάρχουν τουλάχιστον τόσα Υψηλή ποιότητα όταν υπάρχουν τουλάχιστον τόσα

στοιχεία όσα και τα εικονοστοιχεία που απαιτεί η στοιχεία όσα και τα εικονοστοιχεία που απαιτεί η εφαρμογήεφαρμογή

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 9

Ανιχνευτής (3/3)Ανιχνευτής (3/3)

Απόκριση φωτισμού-ρεύματοςΑπόκριση φωτισμού-ρεύματος

κορεσμός

Ρεύμα σκότους

φωτεινότητα

ρεύ

μα

– Υπάρχει μη γραμμικότητα της μορφής ΚΥπάρχει μη γραμμικότητα της μορφής Κw(x,y)w(x,y)γγ, , όπου όπου

Κ σταθερά και 0,5Κ σταθερά και 0,5≤γ≤0,9. Για υψηλής ποιότητας ≤γ≤0,9. Για υψηλής ποιότητας

ανιχνευτές το γανιχνευτές το γ11

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 10

Ψηφιοποιητής (1/2)Ψηφιοποιητής (1/2) Το σήμα Το σήμα i(x,yi(x,y)) μετατρέπεται στο ψηφιακό σήμα μετατρέπεται στο ψηφιακό σήμα

F(xF(x11,x,x22) )

Εάν το Εάν το i(x,yi(x,y) είναι διακριτό (όπως σε ) είναι διακριτό (όπως σε CCD CCD arrays) arrays) τότε έχουμε μόνον κβαντισμότότε έχουμε μόνον κβαντισμό

Αποτελείται από έναν Αποτελείται από έναν A/DA/D μετατροπέα μετατροπέα– Τα δείγματα Τα δείγματα F(xF(x11,x,x22)) που παράγονται ονομάζονται που παράγονται ονομάζονται

εικονοστοιχεία εικονοστοιχεία – Πλήθος εικονοστοιχείων (μέχρι Ο(100Πλήθος εικονοστοιχείων (μέχρι Ο(100MP) )MP) ) – B bits/B bits/εικονοστοιχείο στις ασπρόμαυρες εικονοστοιχείο στις ασπρόμαυρες – 3Β 3Β bits/bits/εικονοστοιχείο στις έγχρωμες εικονοστοιχείο στις έγχρωμες RGBRGB

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 11

Ψηφιοποιητής Ψηφιοποιητής (2/2)(2/2)

d/2

-d/2

e

i

Σχέση εισόδου-εξόδου Σχέση εισόδου-εξόδου i=Q(i) i=Q(i) και σφάλμα και σφάλμα e e που που εισάγεται από τον εισάγεται από τον A/DA/D μετατροπέα μετατροπέα

i

Q(i)

d

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 12

Θόρυβος καταγραφήςΘόρυβος καταγραφής Στον φωτοχημικό ανιχνευτήΣτον φωτοχημικό ανιχνευτή

– Θόρυβος κόκκων Θόρυβος κόκκων

Στον φωτοηλεκτρικό ανιχνευτή Στον φωτοηλεκτρικό ανιχνευτή – Αθροιστικός λευκός θόρυβος Αθροιστικός λευκός θόρυβος ~~ Ν(0,σ Ν(0,σ22))– Φωτοηλεκτρικός θόρυβοςΦωτοηλεκτρικός θόρυβος

» Συνιστώσα θορύβουΣυνιστώσα θορύβου: : {c[w(x,y)]{c[w(x,y)]δδ}}0.50.5n(x,y), n ~ N(0,1)n(x,y), n ~ N(0,1)

Κρουστικός θόρυβος (αλατοπίπερου)Κρουστικός θόρυβος (αλατοπίπερου)– Μαύρες ή άσπρες κουκκίδες στην εικόναΜαύρες ή άσπρες κουκκίδες στην εικόνα

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 13

Παραδείγματα θορύβων Παραδείγματα θορύβων Κρουστικός θόρυβοςΚρουστικός θόρυβος

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 14

Παραδείγματα θορύβων Παραδείγματα θορύβων Αθροιστικός λευκός θόρυβοςΑθροιστικός λευκός θόρυβος

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 15

Παραδείγματα θορύβων Παραδείγματα θορύβων Πολλαπλασιαστικός ΘόρυβοςΠολλαπλασιαστικός Θόρυβος

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 16

Γενικό μοντέλο καταγραφής εικόναςΓενικό μοντέλο καταγραφής εικόνας

Γενικό μοντέλοΓενικό μοντέλο για το σύστημα καταγραφήςγια το σύστημα καταγραφής

F(x,y)=k[w(x,y)]F(x,y)=k[w(x,y)]δδ++{k[w(x,y)]{k[w(x,y)]δδ}}0.50.5n(x,y)+nn(x,y)+nww(x,y)(x,y)

Οπτικόσύστημα Η

Αισθητήραςκwδw

(κwδ)0.5

s

n

nw

F

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 17

Στοιχεία ανθρώπινης όρασηςΣτοιχεία ανθρώπινης όρασης

Αμφιβ

ληστρ

οειδήςΚερατοειδής

Ίριδα

Φακός

- Σκληροειδής- Χωροειδής

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 18

Περιγραφή στοιχείωνΠεριγραφή στοιχείων Ίριδα (διάφραγμα)Ίριδα (διάφραγμα)

– Η διάμετρος ποικίλει μεταξύ 2Η διάμετρος ποικίλει μεταξύ 2mm~mm~88mmmm ανάλογα ανάλογα τις συνθήκες φωτισμούτις συνθήκες φωτισμού

ΦακόςΦακός– Ρυθμιζόμενης εστιακής απόστασηςΡυθμιζόμενης εστιακής απόστασης– Εστίαση φωτεινών ακτίνων στον αμφιβληστροειδήΕστίαση φωτεινών ακτίνων στον αμφιβληστροειδή

Αμφιβληστροειδής χιτώναςΑμφιβληστροειδής χιτώνας (4 (4 επίπεδα). Στο 4ο επίπεδα). Στο 4ο (πίσω) επίπεδο βρίσκονται οι φωτοευαίσθητοι (πίσω) επίπεδο βρίσκονται οι φωτοευαίσθητοι αισθητήρες:αισθητήρες:

» ΚωνίαΚωνία» ΡαβδιάΡαβδιά

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 19

Αμφιβληστροειδής χιτώνας (1/Αμφιβληστροειδής χιτώνας (1/33)) Τα κωνία και τα ραβδία που μετατρέπουν την Τα κωνία και τα ραβδία που μετατρέπουν την

οπτική πληροφορία σε ηλεκτρικά σήματαοπτική πληροφορία σε ηλεκτρικά σήματα

ΚωνίαΚωνία– 6-7 εκατ. στο κέντρο του αμφιβληστροειδούς6-7 εκατ. στο κέντρο του αμφιβληστροειδούς

(~ 150000/(~ 150000/mmmm22 ) )

– Ευαίσθητα στο χρώμα (3 είδη κωνίων)Ευαίσθητα στο χρώμα (3 είδη κωνίων)

– Κάθε κωνίο συνδέεται με διαφορετικό νεύροΚάθε κωνίο συνδέεται με διαφορετικό νεύρο

– Απαιτούν υψηλές τιμές φωτεινής έντασης. Σε χαμηλά Απαιτούν υψηλές τιμές φωτεινής έντασης. Σε χαμηλά επίπεδα φωτεινότητας δεν διακρίνουμε χρώματαεπίπεδα φωτεινότητας δεν διακρίνουμε χρώματα

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 20

Αμφιβληστροειδής χιτώνας (2/Αμφιβληστροειδής χιτώνας (2/33))

ΡαβδίαΡαβδία– Δίνουν γενική αντίληψη του οπτικού πεδίουΔίνουν γενική αντίληψη του οπτικού πεδίου– Ευαίσθητα σε χαμηλούς φωτισμούςΕυαίσθητα σε χαμηλούς φωτισμούς– Δεν διακρίνουν χρώματαΔεν διακρίνουν χρώματα– 75-105 εκατ. σε όλο τον αμφιβληστροειδή75-105 εκατ. σε όλο τον αμφιβληστροειδή– Ομάδες ραβδίων συνδέονται στο ίδιο νεύροΟμάδες ραβδίων συνδέονται στο ίδιο νεύρο– Μικρή διακριτική ικανότηταΜικρή διακριτική ικανότητα

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 21

Αμφιβληστροειδής χιτώνας (3/3)Αμφιβληστροειδής χιτώνας (3/3)

Συγκρίσιμες δυνατότητες με Συγκρίσιμες δυνατότητες με CCD sensors:CCD sensors:

- Αμφιβληστροειδής: Αμφιβληστροειδής:

Επιφάνεια: Ο(100Επιφάνεια: Ο(100mmmm22) )

Πλήθος διακριτών εξόδων : Ο(10Πλήθος διακριτών εξόδων : Ο(1066) )

- CCD sensors:CCD sensors:

Επιφάνεια: Ο(100Επιφάνεια: Ο(100mmmm22) )

Πλήθος διακριτών εξόδων : Ο(10Πλήθος διακριτών εξόδων : Ο(1066) )

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 22

Μοντέλο ανθρώπινου οφθαλμούΜοντέλο ανθρώπινου οφθαλμού

Οπτικό σύστημα

Αμφιβληστροειδής χιτώνας

Οπτικό μονοπάτι

Οπτικό κέντρο

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 23

Νευρικό σύστημα όρασηςΝευρικό σύστημα όρασης

Εικάζεται ότι η συγκεκριμένη Εικάζεται ότι η συγκεκριμένη «δρομολόγηση» της οπτικής «δρομολόγηση» της οπτικής πληροφορίας γίνεται με σκοπό πληροφορίας γίνεται με σκοπό την ανάκτηση του βάθους την ανάκτηση του βάθους (στερεοσκοπική όραση) (στερεοσκοπική όραση)

Γίνεται ένα είδος υπέρθεσης των Γίνεται ένα είδος υπέρθεσης των αριστερών και δεξιών τμημάτων αριστερών και δεξιών τμημάτων του οπτικού πεδίου του κάθε του οπτικού πεδίου του κάθε οφθαλμούοφθαλμού

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 24

Προσαρμογή του οφθαλμούΠροσαρμογή του οφθαλμού

Ο οφθαλμός μπορεί να διακρίνει μια Ο οφθαλμός μπορεί να διακρίνει μια ευρύτατη περιοχή τιμών έντασης (~ 10ευρύτατη περιοχή τιμών έντασης (~ 101010))

Ο τρόπος που αντιλαμβάνεται τη Ο τρόπος που αντιλαμβάνεται τη φωτεινότητα είναι λογαριθμικόςφωτεινότητα είναι λογαριθμικός

Δεν μπορεί όμως να αντιληφθεί ταυτόχρονα Δεν μπορεί όμως να αντιληφθεί ταυτόχρονα όλη την παραπάνω δυναμική περιοχήόλη την παραπάνω δυναμική περιοχή

Για ορισμένο επίπεδο μέσης φωτεινότητας Για ορισμένο επίπεδο μέσης φωτεινότητας προσαρμόζει την ευαισθησία του σε μια προσαρμόζει την ευαισθησία του σε μια μικρή – σχετικά - περιοχήμικρή – σχετικά - περιοχή

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 25

Ευαισθησία στην αντίθεση Ευαισθησία στην αντίθεση Λόγος Λόγος WeberWeber

I0

dI/I

2%I

I+dI

I

dI/IdI/I ~ 0.02 (για περίπου έξι τάξεις μεγέθους) ~ 0.02 (για περίπου έξι τάξεις μεγέθους) Όταν όμως υπάρχει διαφορετικό υπόβαθρο τότε ο Όταν όμως υπάρχει διαφορετικό υπόβαθρο τότε ο

νόμος ισχύει για πολύ μικρότερη περιοχή νόμος ισχύει για πολύ μικρότερη περιοχή (~2 τάξεις μεγέθους) γύρω από το Ι(~2 τάξεις μεγέθους) γύρω από το Ι00

I

I+dI

dI/I

2%I

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 26

Φαινόμενο Φαινόμενο MachMach (1/2) (1/2)

Ο οφθαλμός είναι ανωδιαβατό φίλτροΟ οφθαλμός είναι ανωδιαβατό φίλτρο Ευαίσθητο στα περιγράμματα, αντίθεση κ.λ.πΕυαίσθητο στα περιγράμματα, αντίθεση κ.λ.π

i(x)

x

i(x)

x

ΤΜΗΥΠ / ΕΕΣΤ 27

Φαινόμενο Φαινόμενο MachMach (2/2) (2/2)