Zagadnienia do zaliczenia części teoretycznej laboratorium (wykładu)

1. Struktura obrazów cyfrowych.

2. Pojęcia:

• rozdzielczość obrazu - jeden z parametrów trybu wyświetlania, określa liczbę pikseli obrazu wyświetlanych na ekranie w bieżącym trybie pracy monitora komputerowego, telewizora a także każdego innego wyświetlacza, którego obraz budowany jest z pikseli. Rozdzielczość wyraża się w postaci liczby pikseli w poziomie i w pionie.

• głębia bitowa - Jeden z parametrów obrazu cyfrowego, mówi o liczbie barw możliwych do odwzorowania w obrazie. Określa ona, jak wiele bitów pamięci zostało przydzielonych do każdego piksela obrazu w celu zapisania informacji o jego barwie. Na przykład obraz czarno-biały posiada głębię bitową równą 1 (każdy piksel tego obrazu może mieć wartość 1 lub 0). Aby określić liczbę wartości kolorów dla danej głębi bitowej, należy podnieść liczbę 2 do potęgi określonej przez głębię bitową.

1 bit - obraz binarny

4 bity - 16 kolorów

8 bitów 256 kolorów/odcieni szarości, 16, 24, 32…

• histogram obrazu - przedstawia rozkład częstości występowania w obrazie cyfrowym poszczególnych poziomów jasności.

3. Pojęcia:

• grafika komputerowa - dział informatyki zajmujący się wykorzystaniem komputerów do generowania obrazów (OPIS SYMBOLICZNY ->OBRAZ)

• przetwarzanie obrazów - przekształcenie obrazu w inny obraz lub (OBRAZ => OBRAZ)

• analiza obrazów - proces polegający na wyodrębnieniu informacji wizualnej tej części, która jest istotna z punktu widzenia użytkownika lub procesu (PRZETWARZANIE+ROZPOZNAWANIE)

• rozpoznawanie obrazów (OBRAZ => OPIS)

4. Podział i charakterystyka algorytmów przetwarzania obrazów:

• przekształcenia geometryczne,

• przekształcenia punktowe (bezkontekstowe),

• filtry (kontekstowe),

• przekształcenia widmowe (transformata Fouriera),

• przekształcenia morfologiczne.

5. Podaj cechy operacji punktowych

• modyfikowane są jedynie wartość poszczególnych punktów obrazu, relacje geometryczne bez zmian,

• Jeżeli wykorzystywana jest funkcja ściśle monotoniczna (rosnąca lub malejąca), to zawsze istnieje operacja odwrotna, sprowadzająca z powrotem obraz wynikowy na wejściowy. Jeżeli zastosowana funkcja nie jest ściśle monotoniczna, pewna część informacji jest bezpowrotnie tracona.

• Operacje te maja za zadanie jedynie lepsze uwidocznienie pewnych treści już zawartych w obrazie. Nie wprowadzają one żadnych nowych informacji do obrazu.

6. Podaj przykłady operacji punktowych.

• Logiczne

• Arytmetyczne

• Binaryzacja

• Wyrównanie histogramu

• Normalizacja

• Korekcja gamma

• Liniowe (dodawanie, odejmowanie)

• Nieliniowe (pierwiastkowanie, potęgowanie, logarytmowanie)

7. Na czym polega operacja normalizacji?

Rozciągnięcie histogramu, przekształca poziomy jasności obrazu rozciągając je na cały zakres jasności
(0-255). Poprawa kontrastu

8. Na czym polega operacja gamma modulacja?

Usuwa zniekształcenia wprowadzone przez urządzenia poprzez redukcję nadmiernego kontrastu obrazu wejściowego

9. Tablica LUT (Look - Up Table) .

Dla przekształceń punktowych tablica korekcji LUT, zwana również tablicą przekodowania, występuje jako macierz dwukolumnowa. W pierwszej kolumnie znajdują się wszystkie wartości liczbowe opisujące piksele występujące w obrazie, w drugiej obliczone i przetworzone zgodnie z zadanym przekształceniem wartości im odpowiadające. W miejsce wartości źródłowych podstawiane są wartości wynikające z tablicy LUT uzyskując tym samym wynik przekształcenia dla całego obrazu.

• modyfikują rozkład stopni szarości bez jakiegokolwiek wpływu o charakterze geometrycznym;

• celem operacji jest lepsze uwidocznienie (uwypuklenie zawartych w obrazie informacji) interesujących nas szczegółów bez wprowadzania do obrazu dodatkowych informacji;

• funkcja przekształcająca obraz powinna być ściśle rosnąca lub malejąca, można wprowadzić inne funkcje, ale wpłyną one w sposób istotny na informację zawartą w obrazie.

• Przykładem stosowania tablicy LUT jest gamma modulacja, którą stosujemy, gdy z powodu nadmiernego kontrastu trudno jest na zdjęciu rozróżnić szczegóły

10. Wyjaśnij w jaki sposób realizowana jest zmiana jasności obrazu (zmiana kontrastu obrazu).

Zmiana skali jasności obrazu. Histogram zostaje przesunięty w stronę prawą (w przypadku zwiększenia parametru - obraz rozjaśniony) lub w stronę lewą (w przypadku zmniejszenia parametru - obraz przyciemniony).

11. Operacje arytmetyczne na jednym lub wielu obrazach (dodawanie do obrazu liczby, dodawanie dwóch obrazów itd.).

12. Co to jest binaryzacja. Jakie znasz metody binaryzacji.

Binaryzacja (progowanie) - polega na zamianie obrazów wieloodcieniowych na obrazy binarne, czyli czarno (0)-białe (1).

• Binaryzacja z dolnym progiem - gdzie punkty poniżej wybranego progu zamieniane są na czarne (piksele otrzymują wartość 0), natomiast te powyżej - na białe (piksele otrzymują wartość 1);

• Binaryzacja z górnym progiem - gdzie punkty powyżej wybranego progu zamieniane są na czarne (piksele otrzymują wartość 0), a te poniżej - na białe (piksele otrzymują wartość 1);

• Binaryzacja z podwójnym ograniczeniem - wprowadzone zostają dwa progi (górny p_B2 i dolny p_B1), gdzie pomiędzy nimi punkty zamieniane na białe,
  a pozostałe - na czarne. Do analizy brane są pod uwagę punkty powyżej progu p_B1, ale poniżej progu p_B2. Reszta punktów staje się tłem.

13. Operacje logiczne na obrazach binarnych (AND, OR , NOT, XOR).

A	B	NOT A	NOT B	A AND B	A OR B	A XOR B
0	0	1	1	0	0	0
0	1	1	0	0	1	1
1	0	0	1	0	1	1
1	1	0	0	1	1	0

• AND - iloczyn logiczny lub koniunkcja. Operacja traktowana jako minimum zbiorów A i B

• NOT -negacja lub zaprzeczenie. Operacja ta wykonywana jest na jednym obrazie,

• OR -suma logiczna lub alternatywa. Operacja przeciwna do iloczynu logicznego, traktowana jest jako część wspólna zbiorów A i B (maksimum obu zbiorów),

• XOR - czyli suma rozłączna. Operacja definiowana jest następująco:

• wszystkie białe punkty obrazu (o wartości 1) są sumowane,

• z obu obrazów wybierane są różniące je punkty, które składają się na obraz wynikowy,

• suma logiczna i iloczyn logiczny są od siebie odejmowane.

Obraz 1 (Zbiór A)			Obraz 2 (Zbiór B)
AND			OR
XOR			NOT A

14. Do czego wykorzystywane są filtry w komputerowym przetwarzaniu obrazów?

• stłumienie w obrazi niepożądanego szumu

• poprawa ostrości obrazu

• usunięcie określonych wad obrazu

• poprawa obrazu o złej jakości technicznej

• rekonstrukcja obrazu, który uległ częściowemu zniszczeniu

15. Jakie znasz rodzaje filtrów (liniowe , nieliniowe).

• liniowe - filtracja w oparciu o liniową funkcję pewnych pikseli obrazu źródłowego; proste w wykonaniu;

• nieliniowe - filtracja w oparciu o nieliniową funkcję pewnych pikseli obrazu źródłowego; bogatsze możliwości

16. Filtry dolnoprzepustowe i górnoprzepustowe.

• dolnoprzepustowe:

• + usuwanie szumu/zakłóceń z obrazu

• - rozmycie konturów obiektów

• Górnoprzepustowe:

• wykrywanie konturów, krawędzi

17. Filtry (praktyka stosowania w programie ImageJ):

• uśredniający,

• mediana,

• Gaussa

18. Filtry wykrywające krawędzie (operatory Roberts'a, Prewitt'a, Sobel'a + praktyka stosowania w programie ImageJ).

• operatory Roberts'a:

• okna (maski) 2x2

• obliczanie składowych gradientu w kierunkach x, y:

1

-1

0

0

1

0

-1

0

lub skośnych:

1

0

0

-1

0

1

-1

0

• wysoka czułość na szumy

• postać 3x3 (krotności 45°):

0

-1

0

0

1

0

0

0

0

0

0

-1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

-1

0

0

0

• Prewitt'a:

• oparty o pierwszą pochodną

• uogólnienie operatorów Robertsa

• wyróżnia krawędzie:

-1

-1

-1

0

0

0

1

1

1

-1

0

1

-1

0

1

-1

0

1

poziome	pionowe

• Sobel'a:

• oparty o drugą pochodną

• operatory powst. na bazie op. Prewitta

-1

-2

-1

0

0

0

1

2

1

-1

0

1

-2

0

2

-1

0

1

19. Ogólny algorytm przekształcenia morfologicznego.

1. przykładanie centralnego punktu elementu strukturalnego do każdego punktu obrazu,

2. sprawdzenie zgodności punktu obrazu i jego otoczenia z elementem strukturalnym,

3. w przypadku zgodności badany punkt zostaje odpowiednio zmodyfikowany.

20. Scharakteryzuj proste i złożone przekształcenia morfologiczne:

• Erozja - powierzchnia zostaje zmniejszona, brzegi wygładzone, wyeliminowane drobne, odizolowane szczegóły.

• Dylatacja - powierzchnia zostaje powiększona, usunięte drobne „wklęsłości”, zamknięte małe otwory
  i wąskie „zatoki”.

• Otwarcie (erozja+dylatacja)- usunięte zostały drobne obiekty i nierówności krawędzi, niektóre obiekty są rozłączane, nie zmienia się kształt ani wymiar obiektu.

• Zamknięcie (dylatacja+erozja) - wypełnione zostały drobne ubytki i zatoki oraz niewielkie otwory wewnątrz obiektu, blisko leżące obiekty są łączone, nie zmienia się kształt ani wymiar obiektu.

• Ścienianie - operacja mającą na celu wyznaczenie brzegów określonych obszarów

• Szkieletyzacja - operacja pozwalająca wyodrębnić osiowe punkty (szkielety) w analizowanym obrazie.

• Pogrubianie - Operacje pogrubiania i ścieniania (rys. 10) przeprowadzane są poprzez przykładanie elementu strukturalnego B do każdego punktu obiektu X tak, aby punkt centralny pokrywał się z punktem analizowanym. Następnie porównywany jest punkt centralny z analizowanym, i jeśli:

• element nie pokrywa się z sąsiedztwem analizowanego punktu - wartość punktu pozostaje bez zmian

• element pasuje do sąsiedztwa punktu - wartość punktu zmieniana na 1

• SKIZ - Dylatacja bez stykania obszarów

• trafi nie trafi - wartość 1 gdy otoczenie punktu przykrytego maska pokrywa się dokładnie z maska, używane do detekcji wyizolowanych punktów

• rekonstrukcja - polega na cyklicznym dokonywaniu dylatacji obrazu i wyznaczaniu części wspólnej obrazu uzyskanego po dylatacji i obrazu wejściowego dla całego przekształcenia.

• zalewanie otworów,

• wyznaczenie negatywu z obrazu wyjściowego,

• oczyszczenie brzegu otrzymanego negatywu,

• wykonanie sumy logicznej (operacji OR) obrazu wyjściowego i wyniku czyszczenia brzegu.

• czyszczenie brzegów.

• wyznaczenie markerów będących częścią wspólną obrazu wyjściowego oraz jego brzegu,

• odtworzenie obiektów, które przecinają brzeg obrazu,

• wykonanie odejmowania obrazu zrekonstruowanego od obrazu wyjściowego, uzyskana różnica jest wynikiem operacji czyszczenia brzegu.

wyznaczenie markerów	rekonstrukcja markerów	wynik - różnica obrazów

21. Alfabet Golay'a - co to jest i w jaki sposób wykorzystać go podczas pracy np. w programie ImageJ

spis wszystkich elementów strukturalnych, z ich opisami.

22. Pomiary parametrów obiektów na obrazach:

liczebność,

pole powierzchni,

obwód,

współczynniki kształtu (praktyczna znajomość w programie ImageJ

---