TEMEL GÖRÜNTÜ BİLGİSİ

Transkript

1 TEMEL GÖRÜNTÜ BİLGİSİ FOTOĞRAF/GÖRÜNTÜ KAVRAMI VE ÖZELLİKLERİ BEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ GEOMATİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ JDF345 TEMEL GÖRÜNTÜ BİLGİSİ DERSİ NOTLARI

2 İÇERİK Giriş Fotoğraf Kavramı Fotogrametride Fotoğraf Koordinat Sistemi Görüntü Kavramı Görüntü Koordinat Sistemi Görüntünün Özellikleri 2

3 GİRİŞ Elektronik veri işleme son 50 yılda inanılmaz bir hızla gelişmiştir. Bu gelişme, bilgisayar teknolojisindeki gelişmelere paralel olarak meydana gelmiştir. Bilgisayarların giderek boyutlarının küçülmesi, bellek kapasitelerinin ve veri işleme hızlarının artışı görüntü işleme teknolojilerindeki gelişmeyi hızlandırmıştır. 3

4 GİRİŞ Örneğin 1980'li yıllarda bugün için çok önemsiz sayılabilecek (1MB) bellek kapasiteleri ve buna karşın bir oda büyüklüğündeki bilgisayarlar söz konusu idi. 12 Mayıs 1941 İlk Bilgisayar 4

5 GİRİŞ Oysa bugün çok yüksek hızlardan söz edilmektedir. Bellek kapasiteleri ise TB ile ifade edilmektedir. Tüm bu gelişmeler sayısal görüntü işleme teknolojisinde kullanılan yazılımların da gelişmesine neden olmuştur. IBM 5MB bellek 5

6 GİRİŞ Görüntü işleme açısından ele alındığında insanın algılama sistemi; görüntü yakalama, gruplama ve analiz konusunda bilinen en karmaşık sistemdir. İnsanın görme sistemi gözler ile başlar. 6

7 GİRİŞ Işığın çok kanallı ve pankromatik dalga boyları her biri birer algılama sistemi olan gözlerimiz yardımı ile algılanır. Görülebilen spektrum tanımı; insan gözünün görebileceği elektro manyetik dalga boyu aralığını tanımlar. Buna karşın bir arının görebildiği spektral aralık ultraviyole bölgede başlar ve yeşil dalga boylarında sona erer. Spektrum uzunluk ölçme birimleri ile ölçülebilen periyodik davranış sergileyen enerji dalgalarını temsil eder. Görülebilen alana ait dalga boyları mm arasındadır. 7

8 GİRİŞ Gözlerimizle, görülebilen alandaki elektro manyetik dalgaları algılayabiliriz ve beynimiz yardımı ile yorumlanabilir görüntü haline dönüştürebiliriz. Gözün ana bileşenleri; Kornea, göz bebeği, mercek, retina ve optik sinirlerdir. Kornea gözün dış kısmında olup geçirgen, kubbe formunda olup, ışığa odaklama fonksiyonuna sahiptir. Göz bebeği kendisini tutan kaslar yardımı ile ışık göze ulaştığında gözün açılıp kapanmasına yarar. Göz bebeği göz merceğini örter. Kaslar yardımı ile mercek göze giren ışığın şiddetine göre kalınlaşır veya incelir. 8

9 GİRİŞ Gözlerin farklı kontrastlara adapte olabilme yeteneği parlaklık adaptasyonu (brightness adaption) olarak adlandırılır. İki parlaklık düzeyleri arasında ayırım yapabilme yeteneğine ise kontrast duyarlılığı adı verilir. Bu da gözün etrafını çevreleyen parlaklık düzeylerine bağlıdır. Güneşli bir günde farları yanan bir aracın farlarını görmek güçtür, fakat gece değildir. Özet olarak; sayısal görüntü işleme için görme sistemlerimizin altında yatan temel mekanizmaların bilinmesi oldukça önemlidir. Kısaca göz, bir fotoğraf makinası gibi düşünülebilir ve beynin görme bölümleri de karmaşık bir sayısal görüntü işleme sistemi olarak düşünülebilinir. 9

10 FOTOĞRAF KAVRAMI Fotoğraf, Eski Yunanca da ışık (gök cisimlerinin), aydınlık ve çizmek, kazımak, resim yapmak, yazmak kelimeleri birleştirilerek türetilmiş bir isimdir. Kelime anlamı, ışık yardımı ile iz bırakmaktır. Fotoğraf, cisimlerden yansıyan elektromanyetik radyasyonun toplanıp odaklanmasıyla oluşturulur. En yaygın rastlanan fotoğraflar insan gözünün görebileceği kalıcı görüntüler meydana getirin dalga boylarıyla olan fotoğraflardır. Fotoğrafta en önemli unsur ışıktır. Işık üzerine vurduğu nesneleri görülebilir kıldığı gibi, fotoğraf oluşumunu da sağlar. Bu yüzden fotoğrafı çekecek makinedeki objektif de önem arzetmektedir ( 10

11 FOTOĞRAF KAVRAMI Fotoğrafın çekilebilmesi için ışık şarttır. Işık herhangi bir kaynaktan cisime gelir. Cisimden yansıyan ışık bir algılayıcıya yani göze ya da filme ya da sensore geldiği zaman görünür olur ve renkleri konusunda bilgi verir. Cisimlerin renkleri üzerine gelen ışığın ışık ısısı ve ne kadarını absorbe edip ne kadarını hangi dalga boyunda yansıttığına göre algılanır. Örneğin beyaz duvar sarı ışık ile aydınlatıldığında sarı, mavi ışık ile aydınlatıldığında ise mavi renk olarak görünür. Ancak kırmızı renkli cisim yeşil ışık ile aydınlatıldığında siyah gözükebilir ( 11

12 FOTOĞRAF KAVRAMI Işığın kimyasal olarak kayıt edilmesi, emülsiyon adı verilen ışığa duyarlı bir tabaka yardımıyla gerçekleştirilir. Işığa duyarlı madde, film, kart ve cam gibi fotoğraf altlıklarının üzerine yayılmıştır. Bu madde üzerine düşlen ışık miktarına bağlı olarak etkilenir. Işığın geldiği noktalarda farklı kararma dereceleri ile kayıt yapılmış olur. Bu şekilde elde edilen fotoğrafa analog fotoğraf ya da film tabanlı fotoğraf denilmektedir (Yaşayan vd, 2011). 12

13 FOTOGRAMETRİDE FOTOĞRAF KOORDİNAT SİSTEMİ Fotoğraf Koordinat Sistemi (Hatırlatma): Kaynak:Yaşayan,

14 GÖRÜNTÜ KAVRAMI Görüntü de fotoğrafa benzer şekilde, işleme yaşam ver oldukça söz konusu olmuştur. İnsanlar ve hayvanlar gözleri ile analog temele dayanan görüntü işleme yapmaktadırlar. Işığın elektronik olarak kayıt edilmesinde, emülsiyon yerine ışığa duyarlı sensörler yer almaktadır. Bu sensörler üzerine düşen ışığın şiddetine göre elektriksel yük üretirler. Nesnelerden yansıyan ışık enerjisi elektriksel sinyallere dönüştürülerek kayıt edilir. Daha sonra bu elektriksel yük transfer edilerek radyometrik yoğunluk değerine dönüştürülür. Bu şekilde kayıt edilen fotoğrafa ise sayısal fotoğraf veya görüntü denir. Sayısal fotoğraflar, özel sayısal kameralarla kayıt edilmiş olabileceği gibi, analog fotoğrafların tarayıcılarda taranarak sayısal ortama aktarılması ile de elde edilebilmektedir (Yaşayan vd, 2011). 14

15 GÖRÜNTÜ KOORDİNAT SİSTEMİ Bir görüntünün temel bileşeni piksel-resim elemanı ((pixel = Picture X ELement) dir. Dolayısı ile görüntü deyince satırlar (i) ve sütunlar(j) dan oluşan (ixj) boyutlu piksellerden ortaya çıkan bir matris gelmelidir. Pikseller 15

16 GÖRÜNTÜ KOORDİNAT SİSTEMİ Bilgisayar ortamında bulunan ve gri değerlere sahip elemanlardan meydana gelmiş resimlerdir. Sayısal resmin elemanları gij olan iki boyutlu G matrisinden oluşur. i satır indeksi 1 den birer birer artarak I ya kadar gider (i=1(1)i). Sütun için de aynı biçimde (j=1(1)j) indisi kullanılır (Marangoz, 2002). Görüntü koordinat sistemi 16

17 GÖRÜNTÜ KOORDİNAT SİSTEMİ Her matris elemanı bir alanı gösterdiği için bir resim noktası yerine bir resim elemanı söz konusudur. Resim elemanının büyüklüğü ( ) kadardır. gij resim elemanları bilgi taşıyıcılardır (Marangoz, 2002). Görüntü koordinat sistemi 17

18 Bir pikselin iki temel özelliği söz konusudur: Radyometrik özelliği (çözünürlüğü): Pikselin algılandığı elekromanyetik spekrumdaki gri değeri. Geometrik özelliği (çözünürlüğü): Görüntü matrisinde sahip olduğu matris koordinatları. 18

19 Bir resmin sayısallaştırılmasının açıklanması amacı ile öncelikle Siyah-Beyaz resim göz önünde bulundurulmuştur. Siyah-Beyaz resim sadece iki gri değerden oluşan bir resimdir. Böylesi bir görüntüde her bir piksel ya siyah ya da beyaz olarak oluşur. Burada sembolik olarak beyaz pikseller 1, siyah pikseller 0 değeri ile gösterilecektir. 19

20 Yandaki şekilde görüntüye ait piksellerin 0 ve 1 kodlanmış hali verilmiştir. Bu şekilde 0 ve 1 kodlanmış piksellerden oluşan görüntülere ikili görüntü (binary image) adı verilir. İkili Görüntü 20

21 Siyah beyaz görüntülerde gri değerler 0 ile 255 değerleri arasında değişen gri değerlerle ifade ediliyor ise bu görüntülere 8 bitlik görüntü ( ) yada görüntünün radyometrik çözünürlüğü 8 bit değerindedir denir. Yeryüzünde bir piksele karşı düşen alan ne kadar değişik görünüm ve değerlere sahip olursa olsun, pikselin sayısal görüntüdeki parlaklık değeri, 0 (siyah) ile 255 (beyaz) arasında değişen bir sayı ile ifade edilir 21

22 22

23 23

24 Renkli görüntüler ise bilgisayar ekranlarında 24 bit lik veri olarak görüntülenir. Görüntüleme R(Kırmızı), G(Yeşil), B(Mavi) kodlanmış aynı objeye ait üç adet gri düzeyli görüntünün üst üstle ekrana iletilmesi ile oluşur. Görünür dalga boylarında elde edilmiş üç gri düzeyli görüntü bilgisayar ekranında sırası ile kırmızı-yeşil-mavi kombinasyonunda üst üste düşürülecek olursa renkli görüntü elde edilmiş olur. 24

25 Renkli görüntü kavramı; 1 band bir anlamda kırmızı filtrelenmiş, başka bir deyişle orijinal görüntüdeki gri değerler kırmızının tonları şeklinde ifade edilmiş, benzer şekilde 2 ve 3 bandlar da da yeşilin ve mavinin tonları şeklinde ifade edilip üstüste çakıştırılmış ve oluşan renk karışımından da doğal renkler elde edilmiştir; şeklinde de açıklanabilir. Öyle ise band kombinasyonu şekilden de görüleceği üzere dir. Aşağıdaki şekilde doğal renkli görüntü verilmiştir. Burada görüntü RGB dir ve band kombinasyonu dir. 25

26 Yine aşağıdaki şekillerde aynı görüntü RGB fakat band kombinasyonları ve 2-1-3şeklinde sıralanmıştır. 26

27 RGB gösterimde band kombinasyonlarını değiştirince renklerin de değiştiği görülmektedir. 1. görüntüde; 3. band R, 2. band G, 1.band B şeklinde tanımlanmıştır. 2. görüntüde; 1. band R, 2. band G, 3. band B, 3. görüntüde; 2. band R, 1. band G, 3. band B şeklinde tanımlanmıştır. Bu şekilde oluşan görüntülere yapay renkli görüntüler adı verilir. 27

28 RGB (3,2,1) Doğal Renkli Siyah Beyaz Doğal Renkli Renkli Kızılötesi - Yapay Renkli (R = CIR yansıma), siyah / beyaz 28

29 Yandaki şekillerde doğal renkli bir görüntüye ait R-G-B bandları ayrı ayrı gösterilmiştir: Görüldüğü gibi her banda ait gri düzeyli görüntüde gri değerler farklıdır. Bunun nedeni her banda ait dalga boyu aralığının farklı olmasıdır. 29

30 30

31 Bir görüntüde fark edilebilir en küçük detay, algılayıcının geometrik çözünürlüğü ile ilgilidir ve görülebilen en küçük hedef boyutunu tanımlar. GSD: Ground Sampling Distance YÖA: Yer Örnekleme Aralığı: Komşu piksellerin merkezlerinin yeryüzündeki fiziksel karşılıklarıdır. Genellikle cm. ve/veya m. cinsinden ifade edilir. 31

32 Aynı bölgenin farklı geometrik çözünürlüklerde örneklenmesi 32

33 Bir görüntü büyütüldükçe görüntüde detay yorumlama olanağı gittikçe yok olur. Aşağıdaki şekillerde bu açıkça görülecektir. 33

34 34

35 35

36 Sayısal görüntüler, grid koordinat sistemine ek olarak kanal sayısı doğrultusu da eklenerek üç boyutlu bir eksen sisteminde gösterilir. Fotoğraflar, 2 boyutlu olarak film üzerine kaydedilir. Görüntüler ise sayısal formda kaydedilirler. 36

37 Sayısal görüntü raster formatındadır. Bir raster; x ve y koordinatları ile tanımlı gridlerden oluşur. Bu gridlerin her birine piksel adı verilir. Her bir piksel sayısal bir değere karşılık gelir (Dijital Number, DN). Örneğin, 8 bitlik siyah-beyaz bir görüntüde, piksel dijital değerleri 0 ile 255 arasında gri renk tonundan oluşur. 0 siyah ve 255 beyaz renk tonuna karşılık gelir. 37

38 Renkli görüntüler bilgisayarlarda gri düzeyli görüntülere göre daha fazla yer kaplarlar. Örneğin 8 bitlik 640x640 pikselden oluşan birgörüntü bilgisayarda: 1640x1640= byte = /1024 = KB = /1024 = 2.56 MB yer kaplar. Eğer bu görüntü renkli olsa idi (üç band olacağından) 3x2.56=7.12MB yer kaplayacaktı. 38

39 GELECEK HAFTA: Algılama Sistemleri, Özellikleri ve Sağladıkları Veriler ADS40 Sayısal hava kamerası ve ALS50-II Lazer Tarayıcı 39

40 KAYNAKLAR Uzaktan Algılama Ders Notları, Yrd. Doç. Dr. Aycan Murat MARANGOZ, Bülent Ecevit Üniversitesi Müh. Fak. Jeodezi ve Fot. Müh. Bölümü, Fotogrametri ABD Sunuları 2012 Fotogrametri I Ders Notları, Prof. Dr. Ahmet YAŞAYAN, YTÜ Fotogrametri Ders Notları, Prof. Dr. Ahmet YAŞAYAN, vd. T.C. ANADOLU ÜNİVERSİTESİ YAYINI NO: 2295, ACIKOĞRETİM FAKÜLTESİ YAYINI NO: 1292 Fotogrametrinin Temelleri Ders Notları, Prof. Dr. Naci YASTIKLI, YTÜ, 2010 Sayısal Görüntü İşleme Ders Notları, Prof. Dr. Bülent BAYRAM, YTÜ Sayısal Kameralarla Tarihsel Yapıların Rölevelerinin Çıkarılması Olanakları, Danışman: Prof. Dr. Ahmet YAŞAYAN, Yüksek Lisans Tezi, YTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Jeodezi ve Fotogrametri Müh. ABD, Uzaktan Algılama ve CBS Programı, Haziran 2002, Fotoğraf Kavramı; wikipedia,