Dijital Görüntü İşleme (JDF338) Yrd. Doç. Dr. Saygın ABDİKAN 2014-2015 Öğretim Yılı Bahar Dönemi 1
Dijital görüntü işlemede temel kavramlar Sayısal Görüntü İşleme; bilgisayar yardımı ile raster verilerin (uydu görüntüleri) işlenmesiyle özelliklerinin ve görüntüsünün değiştirilmesi sonucu yeni bir görüntü oluşturulmasıdır Yorumlanarak anlamlı bilgiler elde edilir. Bilgisayarda algoritmalarla 3B gerçek dünyaya ilişkin detayların tanımlanması? 2
Görüntü uygulamaları Bilgisayarla görme (Computer vision) Görüntülerin işlenmesi, analizi ve anlaşılmasına yönelik methodlar Gerçek dünyaya ait sayısal, simgesel bilgilerin üretilmesi, Karar verme İnsan işlevini azaltma, Görsel bilginin gösterimi, erişim Yapay zeka; bilgisayarların anlama ve öğrenme Otomatize etme 3
Bilgisayarla görme Sosyal medya Güvenlik, izleme Digital art Yerbilimleri Sağlık 4
Dijital görüntünün temelleri İnsan görme sistemi Işığın çok kanallı ve pankromatik dalga boyları her biri birer algılama sistemi olan gözlerimiz yardımı ile algılanır. Göz fotoğraf makinası gibi düşünülürse beynin görme bölümü de sayısal görüntü işleme sistemidir. Analog sistem 5
Lens esnektir, göze giren ışığın şiddetine göre kalınlaşır, incelir Nesne görüntüsü retinaya düşer http://cf.hum.uva.nl/narratology/a06_eoffe.html 6
http://alikoker.name.tr 7
Parlaklık adaptasyonu: Gözlerin farklı kontrastlara adapte olması Kontrast duyarlılığı: iki parlaklık düzeyi birbirinden ayırabilme www.allaboutvision.com 8
Göz yanılsaması http://alikoker.name.tr 9
Göz yanılsaması 10
Lineer perspektif education-portal.com 11
Algılama http://www.psy.ritsumei.ac.jp/~akitaoka/uzumakie.html 12
Optik sistemler Algılayıcı mercek tipi Ocak uzaklığı Diyafram Işık yoğunluğu Yüzey özelliği 13
Optik sistemler (Lensler) gelen enerjine bağlı olarak algılayıcıda görüntü oluşturur. Görüş alanı odak uzaklığına bağlıdır. openhighschoolcourses.org 14
Kameranın kalibrasyonu İç yöneltme elemanları (Görüntü-piksel koord) Dış yöneltme elemanları (Kamera sistemiarazi) 15
İç yöneltme: Metrik bir kamerada tam bir merkezsel izdüşüm söz konusudur. kamera odak/asal uzaklığı asal noktanın koord Dış yöneltme: iz düşüm merkezinin koord, ışın demetinin üç dönme parametresi 16
http://cmp.felk.cvut.cz/~hlavac/teachpresen/11imageproc/02ima geformationen.pdf 17
Diyafram Objektifden geçen ışığın şiddetini ayarlar http://cmp.felk.cvut.cz/~hlavac/teachpresen/11imageproc/03ge omopticsen.pdf 18
Netlik derinliği, odak derinliği (Depth of field DOF) https://audster.wordpress.com/tag/cannon/ 19
Tek algılayıcı Gelen enerji, belirli enerji tipine duyarlı algılayıcı materyali tarafından voltaja dönüştürülür Dönen voltaj, algılayıcıların gelen enerjiye cevap olarak verdikleri dalga şeklidir Dalgaların sayısallaştırılması sonucu sayısal bilgi üretilir 20
Doğrusal algılayıcı şeritleri, şerite dik yönde hareket ederek görüntü sağlar 21
A- Enerji Kaynağı / Aydınlatma B- Işıma ve atmosfer C- Hedef nesneyle etkileşim D- Nesneden yansıyan / yayılan enerjinin kaydedilmesi E- Enerjijnin yer istasyonuna iletimi F- Yorumlama ve analiz G- Uygulama http://www.nrcan.gc.ca/ 22
UYDU GÖRÜNTÜSÜNÜN Elde Edilmesi İşlenmesi A. Enerji Kaynağı: Hedefe bir kaynak tarafından enerji gönderilmesi gerekmektedir. Bu kaynak hedefi aydınlatır veya hedefe elektromanyetik enerji gönderir. Optik uydular için enerji kaynağı güneştir, ancak radar uyduları kendi enerji kaynaklarını üzerlerinde taşır ve elektromanyetik enerji üreterek hedefe yollarlar. B. Işınım ve Atmosfer: Enerji, kaynağından çıkarak hedefe yol alırken atmosfer ortamından geçer ve bu yol boyunca bazı etkileşimlere maruz kalır. C. Hedef ile Etkileşim: Atmosfer ortamından geçen elektromanyetik dalga, hedefe ulaştığında hem ışınım hem de hedef özelliklerine bağlı olarak farklı etkileşimler oluşur. D. Enerjinin Algılayıcı Tarafından Kayıt Edilmesi: Algılayıcı hedef tarafından yayılan ve saçılan enerjiyi algılar, ve buna ilişkin veri kayıt edilir. E. Verinin İletimi, Alınması : Hedeften toplanan enerji miktarına ait veri algılayıcı tarafından kayıt edildikten sonra, görüntüye dönüştürülmek ve işlenmek üzere bir uydu yer istasyonuna gönderilir. F G. Verinin İşlenmesi: Uydu yer istasyonuna gönderilen veri ön işleme/ işleme adımlarından sonra çeşitli uygulama alanlarına göre değerlendirilir
Isaac Newton http://vspblog.com/sky_changes_color/ 24
Elektomanyetik enerji birbirini dik kesen elektrik ve manyetik alanın oluşturduğu düzleme dik yönde, c ışık hızı ile yayılır Birim zamanda bir noktadan geçen tepe noktası sayısına frekans denir c ışık hızı, λ dalga boyu ve f frekans olmak üzere; c= λ x f http://tr.wikipedia.org/wiki/elektromanyetik_radyasyon 25
Elektromanyetik spektrum Fiziksel etkileşimin olmadığı uzaktan algılamada bilgi aktarımı elektromanyetik ışıma (EMR) ile gerçekleştirilir. Görülebilen spektrum insan gözünün görebileceği elektro manyetik dalga boyu aralığını tanımlar. 26
27
Görüntü işlemede temel kavramlar Piksel(pixel):picture element sözcüklerinin birleşmesiyle oluşmuştur, görüntünün birim elemanını ifade eder. Parlaklık(intensity):x ve y uzaysal boyutlar olmak üzere (x,y), x ve y koordinatlarında ki pikselin parlaklık değerini gösterir. Ayrıklaştırma (Digitizing): Analog görüntünün sayısal sistemde ifade edilebilmesi için önce uzaysal boyutlarda sonlu sayıda ayrık parçaya bölünmesi (örnekleme, sampling), sonrada herbir parçadaki analog parlaklık değerinin belli sayıda ayrık sayısal seviyelerden biri ile ifade edilmesi(kuantalama, quantizing) gerekir. Çözünürlük (Resolution): görüntünün kaç piksele bölündüğünü, yani kaç pikselle temsil edildiğini gösterir. Çözünürlük ne kadar yüksekse, görüntü o kadar yüksek frekansta örneklenmiş olur ve görüntüdeki ayrıntılar o kadar belirginleşir. Uzaysal Frekanslar (Spatial Frequencies): Uzaysal boyutlarda belli bir mesafede parlaklık değerinin değişim sıklığını ifade ederler. 28
Analog ve Sayısal Görüntü 29
Sayısal/Dijital fotoğraf Doğrudan sayısal kameralarla elde edilir Analog fotograf taranarak (ışık yoğunluğu ölçülerek) elde edilir Gri değer Orijinal fotoğrafda sürekli değer Sayısal fotoğrafda kesikli değer piksel boyutu büyüdükçe kesiklilik artar 30
31
32
33
0 ve 1 kodlanmış piksellerden oluşan görüntülere ikili görüntü (binary image) adı verilir. 34
Görüntü gösterimi Bir sayısal görüntü, analogresmin örneklenmesi ve kuantalanması sonucunda elemanları reel sayılardan oluşan bir matrix formunda ifade edilir. Yani f(x,y) şeklindeki bir sayısal görüntü, M satır N sütundan oluşmuş MxN elemanlı bir matristir.
Önemli görüntü formatları MATLAB ındesteklediği önemli görüntü formatları Başlıca görüntü işleme programlarının desteklediği önemli resim formatları ERDAS.img PCI Geomatica.pix
Sayısal Görüntü Piksel görüntüyü oluşturan en küçük anlamlı eleman koordinatı ve her bir piksel alanına karşılık gelen gri değeri vardır matris olarak ifade edilir x 0 gij 255 y
Görüntü Nitelikleri Renk Her bir piksele ilişkin bir renk söz konusudur. En sık kullanılan renk uzaylarından biri RGB dir. RGB renk uzayı, Kırmızı (Red), Yesil (Green) ve Mavi (Blue) ana renklerinin belirli oranlarda karısımı ile elde edilen yaklaşık 17 milyon rengi içerir. Sekil: RGB uzayına göre renklerin olusturulması
Gerçek hayattaki renklerin tamamını yeşil, kırmızı ve mavinin birleşimleri ile elde edebiliyoruz. Yandaki şekilden de görüleceği üzere bu üç renk yüzde 100 karışırsa beyaz, yüzde 0 lık bir oran olduğunda ise siyah görüntü elde edilir. Görüntü Nitelikleri Renk RGB, monitör ve televizyonlarda kullanılan renk uzayıdır. Bunun yanında CMYK (cyan, magenta, yellow, ve key -black) adlı baskılı medyalarda kullanılan diğer bir renk uzayı daha vardır.
Renkli görüntüler 40
Renk algısı brightness 41
Renk algısı Renk: rengin baskın dalga uzunluğunu belirler, örneğin sarı, mavi, yeşil. Açısal bir değerdir 0-360 Parlaklık: Rengin aydınlığı (içindeki beyaz oranını belirler) Doygunluk: Rengin canlılığı (doygunluk çoksa canlı renkler) 42
Görüntü Nitelikleri Renk Aşağıda 32bit uzunluğunda bir renk kodu (gerçek renk) olduğu varsayılsın. Şekilden de görüleceği üzere ilk 8 bit kırmızı, ikinci 8 bit yeşil, üçüncü 8 bit mavi için ayrılmıştır. Son 8 bit ise piksellerin saydamlık bilgisini tutan alfa kanalı olarak adlandırılır. Kırmızıya tahsis edilen ilk 8 bitte kırmızı, 2 8 = 256 adet farklı renk tonu alabilir. Yeşile tahsis edilen ikinci 8 bitte yeşil, 2 8 = 256 adet farklı renk tonu alabilir. Maviye tahsis edilen üçüncü 8 bitte mavi 2 8 = 256 adet farklı renk tonu alabilir. Son 8 bitin renk ile alakası olmadığından; toplamda 256 x 256 x 256 = 16.777.216 farklı renk elde edilebilir.
12 bit uzunluğunda bir renk kodunda İlk 4 bit kırmızı, ikinci 4 bit yeşil, üçüncü 4 bit mavi için ayrıldıysa Toplam kaç farklı renk elde edilir? (2 4 ) 3 = 16 3 = 4096 44
Görüntü Nitelikleri Renk Gerçek rengi ifade eden değer, 32 bit yer kaplamasına rağmen gösterimde ilk 3 bölümdeki 8 bit kullanılır. Farklı gösterimleri vardır. RGB (125,33,0), RGB (0,0,0), RGB (255, 10, 98) vb olabileceği gibi aşağıdaki gibi de heksadesimal şekilde gösterilebilir. Örneğin; Beyaz RGB (FFFFFF) = RGB(255,255,255) = RGB(11111111,11111111,11111111) Siyah RGB (000000) = RGB(0,0,0) = RGB (00000000,00000000,00000000)
Görüntü Nitelikleri RGB Renk Uzayında Yüksek Renk (High Colour) Kavramı: Gerçek renk 32 bit ile ifade edilirken yüksek renk 16 bitlik yer kaplar. Kırmızı için 5 bit, yeşil için 6 bit ve mavi için 5 bit kullanılır. Kırmızıya tahsis edilen 5 bitte kırmızı, 2 5 = 32 adet farklı renk tonu alabilir. Yeşile tahsis edilen 6 bitte yeşil, 2 6 = 64 adet farklı renk tonu alabilir. Maviye tahsis edilen 5 bitte mavi 25 = 32 adet farklı renk tonu alabilir. Toplamda; 32 x 64 x 32 = 65.536 farklı renk elde edilebilir. RGB (31,63,31) beyazı, RGB(0,0,0) siyahı tanımlar. Renk
RGB Renk Uzayında 256 Renk Kavramı: 256 renk (8 bit) 256 renk (8 bit) kavramında hangi rengin kaç bit yer kaplayacağı belli değildir. Renk paletinden gerçeğe yakın renk seçmek için kırmızı, yeşil ve mavi 8 biti en uygun değer şekilde kullanır. Örneğin bazen kırmızı 2, yeşil 3, mavi 3 bit ile ifade edilince en canlı renk elde edilirken; Bazen de kırmızı 3 yeşil 2 mavi 3 bit ile ifade edilince en canlı renk elde edilir 8 bit renk: 3 bit kırmızı 3 bit yeşil 2 bit mavi
Sistemin 256 renge ayarlı olduğunu fakat 16 bitlik bir resim dosyası açtığımızı varsayalım. Bu durumda mevcut renklerin değişik birleşimleri kullanılarak üretilemeyen renge yakın bir renk oluşturulur ve bu renk üretilmesi gereken rengin yerine gösterilir. Buna dithering denir. Tabi ki bu yöntemle elde edilmiş bir resmin kalitesi orijinal resme göre çok daha düşüktür. 48
Renk derinliği arttıkça; görüntüdeki her bir noktacığın ifade edilebilmesi için gerekli olan boyut arttığından, doğru orantılı olarak görüntünün toplam boyutu da artar. Örneğin 16 bit renk derinliği olan bir fotoğraf, aynı çözünürlükteki 8 bit renk derinliği olan diğer fotoğraftan 2 kat daha fazla yer kaplar. Sonuç olarak renk derinliği ne kadar fazla olursa, her bir noktacık gerçek renge o kadar yakın bir renk alır. Buna karşılık boyutu da o kadar büyük olur. Günümüzde 32bit yer kaplayan 24bitlik renk derinliği, dijital paneller için standart olmuş durumdadır. 49
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ Uydu görüntü verileri birçok farklı algılayıcı sistemlerden toplanıp farklı yollardan uydu yer istasyonlarına iletilse de alınan tüm görüntüler bazı ortak özelliklere sahiptir.
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ Optik Görüntü Genel anlamda, bir görüntü, üç boyutlu gerçek fiziksel uzayın iki boyutlu bir gösterilimidir. İnsan görme sistemi bir görüntü girdi verisini mekânsal olarak dağılmış ışık enerjisinin toplamı olarak algılar. Bu şekildeki algılama optik görüntü olarak adlandırılır.
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ Optik Görüntü Analog fotoğraşar, sürekli bir f(x,y) fonksiyonudur. f(x,y) fonksiyonunun değeri, x,y mekânsal değişkenlerle belirtilen konumdaki genlik (yoğunluk) Sürekli bir fonksiyona sahip analog bir görüntü mekânsal değişkenlerine ve genliğe göre ayrık hale getirilirse sonuçta oluşan ayrık f(x,y) fonksiyonu dijital görüntü olarak adlandırılır. Bu bağlamda uydu görüntüsü hedefin basit bir fotoğraf kamerası ile çekilen analog bir görüntüsü olmayıp görüntüyü oluşturan dijital veri setinin toplamından oluşan dijital bir görüntüdür.
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ Optik Görüntü Uydu görüntüsü hedefin basit bir fotoğraf kamerası ile çekilen analog bir görüntüsü olmayıp görüntüyü oluşturan dijital veri setinin toplamından oluşan dijital bir görüntüdür. Analog bir görüntünün dijital görüntüye dönüştürülmesi ya da Dijitalleştirme olarak da adlandırılan bu işlem, örnekleme (sampling) ve nicemleme (quantizationgenliğin ayrıklaştırılması) adımlarından oluşur.
Görüntü sayısallaştırma Görüntülerin bilgisayarda işlenebilmesi için veri formatı bilgisayar ortamının tanıyabileceği hale getirilmelidir Sayısallaştırma (digitizing) Fotoğrafın/Görüntünün sayısal hale dönüştürülmesi Analog Dijital 54
Resmin tarayıcılar ile sayısal hale dönüştürülmesi Uzaktan algılamada uydulara yerleştirilen çok kanallı tarayıcılar, uçaklarda sayısal kameralar 55
Analog görüntüler sınırlı spektral aralık içerir (VIS, NIR) Taranmış görüntüler sadece üç (mavi, yeşil, kırmızı) katmana ayrılır Çok alımlı fotoğraflarda komuşu fotoğraflar arası radyometrik etki giderilemez 56
Bu da obje tarafından yayılan enerjinin (analog sinyal) bir algılayıcı tarafından öngörülen elektromanyetik aralıkta algılanarak sayısal sinyal haline dönüştürülmesi ile olanaklıdır. 57
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ Optik Görüntü Örnekleme sürekli görüntü fonksiyonundan (parlaklık) dijital eşdeğerine belirli noktalarda yapılan bir geçiştir
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ Optik Görüntü Bu örnekleme noktalarının düzlemde sıralanmasıyla oluşan geometrik ilişki grid olarak tanımlanır. Gridi oluşturan her bir örnekleme noktası piksel (pixel; picture x element) olarak adlandırılan bir resim elemanına karşılık gelir. Diğer bir ifade ile örnekleme işlemiyle dijital bir görüntünün en küçük birimi olan pikseller elde edilirken nicemleme işlemiyle gri yoğunluk değerleri (belirli konumda yeryüzü bölgesinden yansıtılan veya yayılan elektromanyetik enerjinin kaydı - parlaklık değeri, DN) elde edilmektedir
Bir pikselin bir veri dosyasında veya görüntüdeki konumu bir koordinat sistemi ile gösterilir. İki boyutlu koordinat sisteminde, satır ve sütundan (N x M) oluşangrid sistemi ile belirtilen her bir piksel konumunun 2 koordinat değeri (x,y) vardır. Böyle bir grid içinde yer alan görüntü verileri raster veri olarak adlandırılır. DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ Raster Veri
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ Raster Veri
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ Görüntü boyutu Dijital bir görüntü, elemanları, uzaydaki x,y konumlarına karşılık gelen noktaları n f(x,y) parlaklık değerlerini içeren bir matristir. Görüntü verisinin boyutu veri katmanı (bant) sayısı ile saptanır
1. Binari görüntü En basit görüntü çeşidi olup sadece 0 veya 1 olmak üzere 2 değer (siyah ve beyaz) alırlar 1-bit color (2 1 = 2 colors) 2. Gri renk seviyeli görüntü Monokrom veya tek renkli görüntülerdir. Renk bilgisi içermeyip sadece parlaklık bilgisi içerirler 3. Renkli görüntü DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ Görüntü türleri renk, cisimlerin farklı dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgaları farklı şekilde yansıtma özellikleri (parlaklık değeri) ile ilişkilidir. Doğal renkli görüntü, elektromanyetik spektrumun kırmızı, yeşil ve mavi bölgelerinden alınmış dijital görüntülerin bilgisayar ekranında RGB katmanlarında görüntülenmesi ile elde edilir
4. Çok spektrumlu görüntü görünür spektrumun dışındaki bölgelerden alınan ve yanlış renkli görüntü olarak da adlandırılan görüntülerdir. Örneğin morötesi, kızıl ötesi dalga boyları gibi. Bu tür verilerin kaynağı, uydu sistemleri,su altı algılama sistemleri, değişik tipteki uçak radarları, kızıl ötesi görüntüleme sistemleri ve tıbbi tanı görüntüleme sistemleridir 64
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ Görüntü türleri