Wprowadzenie do przetwarzania obrazów
Akwizycja obrazu jest procesem pozyskiwania informacji o otaczającym świecie i przekształcania jej
na postać obrazu będącego notacją  wyglądu obserwowanej sceny. Klasyczne obrazy są obrazami
analogowymi. Obraz cyfrowy powstaje z obrazu analogowego w wyniku procesów próbkowania i
kwantowania. Do akwizycji obrazów cyfrowych mogą zostać wykorzystane różne urządzenia
techniczne, takie jak cyfrowy aparat fotograficzny, kamera cyfrowa, skaner.
Przetwarzanie obrazu jest to stosowanie szeregu przekształceń poprawiających jakość obrazu (np.
eliminujących jego zbędne lub szkodliwe składowe/zakłócenia/) pod kątem uwypuklenia treści
istotnych dla analizy obrazu. Proces poprawy jakości obrazu nie prowadzi do zwiększenia jego treści,
ale może ułatwić jej wydobycie.
Analiza obrazu jest procesem wyodrębniania z obrazu informacji istotnej z punktu
widzenia rozpoznawania obrazu. Wynikiem analizy obrazu sÄ… dane (informacja) stanowiÄ…ce opis
obrazu. Opis obrazu jest znacznie bardziej podatny na zastosowanie metod i algorytmów
rozpoznawania niż sam obraz. Podczas analizy obrazu gubiona jest bezpowrotnie pewna część
informacji.
Rodzaje obrazów - w technice cyfrowej korzysta się z następujących rodzajów obrazów: obrazu
czarno-białego (binarnego), obrazu monochromatycznego, obrazu kolorowego.
Obraz czarno-biały - wyróżnia się w nim tylko dwa poziomy szarości, najczęściej czarny i biały.
Obraz monochromatyczny  obraz o większej od dwóch liczbie poziomów szarości.
Barwa  wrażenie psychiczne wywoływane w mózgu człowieka (i zwierząt), gdy oko odbiera
promieniowanie elektromagnetyczne z widzialnej części fal świetlnych.
Modele przestrzeni barw - zaliczamy: model RGB, model CMYK, model HSV.
Nazwa modelu CMYK powstała ze złożenia pierwszych liter angielskich nazw barw: C  Cyan (cyjan),
M  Magenta (magenta), Y  Yellow (żółta) i ostatniej litery angielskiej nazwy barwy czarnej  blacK.
Nazwa modelu RGB powstała ze złożenia pierwszych liter angielskich nazw barw: R  Red
(czerwonej), G  Green (zielonej) i B  Blue (niebieskiej). Model RGB ma zastosowanie zarówno w
technice analogowej, jak i cyfrowej. Jest szeroko wykorzystywany w urządzeniach wyświetlających
obraz (np. telewizory, monitory komputerowe) oraz w urzÄ…dzeniach analizujÄ…cych obraz (np. aparaty
cyfrowe, skanery) . HSV - Model jest rozpatrywany jako stożek, którego podstawą jest koło barw.
Wymiary stożka opisuje składowa S (nasycenie barwy) jako promień podstawy oraz składowa V
(wartość barwy  jasność barwy) jako wysokość stożka.
Macierz binarna służy do zapisu obrazu czarno-białego i jest macierzą, której elementy przyjmują
tylko dwie wartości  czerni przypisuje się wartość 0 (zerowa jasność), a bieli wartość 1 (maksymalna
jasność). Do zapamiętania pojedynczego punktu obrazu wystarczy jeden bit pamięci.
Macierz poziomów szarości - służy do zapisu obrazu monochromatycznego, a wartości jej
elementów kodują jasności poszczególnych punktów obrazu. Do zapamiętania stopnia szarości
pojedynczego punktu stosuje się zazwyczaj 8 bitów pamięci (klasa uint8). Pozwala to na zapamiętanie
28, czyli 256 stopni (poziomów) szarości  poszczególne elementy macierzy przyjmują wartości
całkowite z przedziału [0, 255].
Macierz RGB to macierz o wymiarach M×N×3 (M×N  rozmiar obrazu), bÄ™dÄ…ca w zasadzie zÅ‚ożeniem
macierzy poziomów nasycenia trzech podstawowych barw skÅ‚adowych: M×N×R, M×N×G, M×N×B
(trzeci wymiar macierzy wskazuje odpowiednią barwę składową). W przypadku kodowania obrazu
danymi klasy uint8, poszczególne elementy kolejnych macierzy M×N×R, M×N×G, M×N×B przyjmujÄ…
wartości całkowite z przedziału [0, 255], co odpowiada 256 poziomom nasycenia odpowiednio barw
czerwonej, zielonej lub niebieskiej.
Macierz indeksów - podobnie jak macierz RGB, służy do zapisu obrazu kolorowego.
Stosuje się tutaj inną niż poprzednio metodę zapisu kolorów poszczególnych elementów
obrazu. Obraz indeksowany skÅ‚ada siÄ™ z dwóch macierzy: macierzy (o wymiarach M×N)
indeksów (klasy uint lub double) do macierzy kolorów oraz trójkolumnowej macierzy
(mapy) kolorów (dane klasy double).
Grafika rastrowa (mapa pikseli)  obraz opisany jest za pomocÄ… siatki (macierzy, tablicy) pikseli.
Formaty: JPEG, GIF, PNG, TIFF, RAW.
Grafika wektorowa (obiektowa)  obraz opisany jest za pomocÄ… figur geometrycznych (w przypadku
grafiki dwuwymiarowej) lub brył geometrycznych (w przypadku grafiki trójwymiarowej),
umiejscowionych w matematycznie zdefiniowanym układzie współrzędnych, odpowiednio dwu- lub
trójwymiarowym. Formaty: CDR, DWG, WMF, SVG, SWF, VSD.
Obraz cyfrowy powstaje na etapie akwizycji sprzętowej w wyniku procesu dyskretyzacji, składającego
się z procesów próbkowania i kwantowania.
Próbkowanie obrazu (dyskretyzacja przestrzenna obrazu) powoduje podział przestrzenny ciągłego
analogowego obszaru obrazu na jego elementarne jednolite części zwane pikselami.
Próbkowanie przestrzenne obrazu  wyznaczenie średniej wartości obrazu z bardzo małego obszaru
obrazu odpowiadającego rozmiarowi elementu światłoczułego matrycy.
Kwantowanie obrazu (dyskretyzacja barwna obrazu) powoduje podział zakresu wartości (poziomów
szarości /dla obrazów monochromatycznych/ lub poziomów intensywności /nasycenia/ barw /dla
obrazów kolorowych/) obrazu analogowego na skończoną liczbę rozłącznych przedziałów i
przyporządkowanie tym przedziałom wartości dyskretnych, czyli tak zwanych poziomów
reprezentacji.
Rozdzielczość przestrzenną obrazu można zdefiniować jako uporządkowaną parę liczb:
(N/dx, M/dy) gdzie: dx, dy  liniowy rozmiar obrazu analogowego odpowiednio w poziomie i w
pionie; N, M  liczba punktów (pikseli) obrazu cyfrowego odpowiednio w poziomie i w pionie
(liczba kolumn i wierszy macierzy /tablicy/ pikseli). Rozdzielczość przestrzenną obrazu (gęstość
punktów próbkowania) podaje się w pikselach na milimetr lub punktach na cal (ppi  pixels per inch,
dpi  dots per inch, spi  samples per inch). Rozdzielczość barwną obrazu determinuje liczba
dostępnych poziomów reprezentacji szarości lub intensywności barwy punktów (pikseli) obrazu
cyfrowego.
Rozdzielczość barwną obrazu determinuje liczba dostępnych poziomów reprezentacji szarości lub
intensywności barwy punktów (pikseli) obrazu cyfrowego. Wartość poziomu szarości lub
intensywności barwy punktu (piksela) L obrazu cyfrowego spełnia warunek:
L(m,n) e P/(wmax  wmin) gdzie: m, n  dyskretne współrzędne punktu (piksela) obrazu cyfrowego;
wmax, wmin  odpowiednio najwyższa i najniższa wartość szarości lub intensywności barwy;
P  zbiór liczb całkowitych z przedziału [0, 2B 1].
Dla obrazów binarnych do zapamiętania stanu jednego piksela wystarczy 1 bit pamięci. Dla obrazów
monochromatycznych do zapamiętania stanu jednego piksela używa się zazwyczaj 8 bitów (bajt). Dla
obrazów kolorowych (macierz RGB) do zapamiętania wartości poziomu intensywności (nasycenia)
każdej barwy podstawowej używa się zazwyczaj 8 bitów, zatem do zapamiętania stanu jednego
piksela potrzeba wówczas 24 bitów.
Przekształcenia punktowe obrazu cyfrowego są to przekształcenia dotyczące stopnia szarości lub
intensywności barwy poszczególnych punktów (pikseli) obrazu.
Normalizacja obrazu polega na sprowadzeniu przedziału zmian wartości poziomów szarości lub
intensywności barwy punktów (pikseli) obrazu z
ródłowego do pewnego, ustalonego zakresu.
Histogram danych obrazu jest funkcją przypisującą każdemu poziomowi szarości lub intensywności
barwy liczbę punktów (pikseli) obrazu o tym poziomie jasności.
Wyrównywanie histogramu polega na takim przekształceniu wartości poziomów szarości lub
intensywności barwy poszczególnych punktów (pikseli) obrazu z
ródłowego, aby liczba punktów w
każdym z przedziałów histogramu była w przybliżeniu taka sama (aby w miarę równomiernie
rozmieszczone słupki miały podobną wysokość).
Binaryzacja polega na przekształceniu z
ródłowego obrazu mającego wiele poziomów
szarości lub intensywności barwy w wynikowy obraz binarny, którego punkty (piksele) mogą
przyjmować tylko dwie wartości.
Korekcja gamma to przekształcenie punktowe mające za zadanie przeskalowanie wartości jasności obrazu.
Współczynnik gamma - określa stopień korekcji nierównomiernego przedstawiania jasnych i ciemnych pikseli
w stosunku do średnich w monitorach.