Системы обработки изображений дл научных исследований

Системы обработки
изображений для научных
исследований
Фищенко Виталий Константинович,
Зав. отделом Информационных технологий ТОИ ДВО РАН
Немного истории
Теория обработки изображений – раздел теории обработки сигналов
ОС – обработка скалярных функций временного или пространственного
аргумента : f(t), f(x)
Теория ОС – 1940-е годы
Две базовые задачи ТОС – создание технических устройств :
1)
для преобразования (фильтрации) сигналов с требуемыми свойствами
g(t)=A[f(t)], A – оператор преобразования
2) для количественного описания свойств сигнала, как правило небольшим
набором характеристик, достаточным например, для решения задач
распознавания.
Два подхода к реализации :
1)
Аналоговый : g(t)=A[f(t)], 1940-е годы
2)
Цифровой: g(nT)=А[f(nT)], 1950-е годы
Цифровая обработка сигналов
Общая схема цифровой обработки
f(t) – АЦП – f (nT) – g (nT)=A[f(nt)] – ЦАП – g(t)
Условие корректности оцифровки непрерывного сигнала:
Если Фурье-спектр сигнала g(t) финитен и граничная частота спектра
равна fN, то достаточно выбрать шаг T<1/2fN
Пример анализа сейсмического сигнала
Цунами-опасное землетрясение в Японском море (цунами не было)
Задача обработки изображений
Изображение – функция двух переменных: f(x,y)
Обработка одномерных сечений – хорошо, но недостаточно
Две задачи, два подхода
Основные задачи СОИ – те же самые, что у систем ОС
1)
преобразование (фильтрация) изображений с требуемыми свойствами
g(x,y)=A[f(x,y)], A – оператор преобразования
2) анализ изображения – построение его экономного количественного
описания свойств изображения
Те же два подхода к реализации :
1)
Аналоговый (оптический) : g(t)=A[f(t)], начало 1960-х годов
2)
Цифровой: g(nDx,mDy)=А[nDx,mDy], вторая половина 1960-х годов
Оптическая обработка изображений
Когерентный оптический процессор (схема ПЧ- фильтрации)
Оптическая обработка изображений (2)
Когерентный спектранализатор
Цифровая обработка изображений
Первые теоретические работы – 1950 годы
Первые примитивные системы ЦОИ – начало 1960 х годов
Существенный рост интереса – 1965 год, после публикации алгоритма БПФ
Создание профессиональных систем ЦОИ на базе специализированных
процессоров (США, Европа, Москва, Горький, Куйбышев) для применения
в высокотехнологичных научных отраслях 1970-1980 гг
Первый опыт создания ЦОИ во Владивостоке – 1988 год, Лаборатория
электронной микроскопии ДВГУ
Создание систем ЦОИ общего пользования для применения в медицине,
биологии и других «малотехнологичных отраслях», презентация
разработки фирмы Joyce Loeble во Владивостоке
Волна программ обработки изображений «для домохозяек» вместе с
компьютерами класса Pentium - 1990 е-годы
Ситуация сегодня – революции в сфере содержательного применения ЦОИ в
научных исследованиях не произошло, почти все остались на уровне
программы Adobe Photoshop
Что должна уметь система ЦОИ ?
1.
Вводить файлы изображений любых известных графических форматов
2.
«Привязываться» к реальному пространственному масштабу сцены,
представленной на изображении
3.
Осуществлять интерактивные измерения интенсивности сигнала в
отдельных точках изображения и на произвольных линейных сечениях
4.
Выполнять поточечные (локальные) преобразования для целей
улучшения восприятия и реставрации
5.
Выполнять широкий спектр линейных и нелинейных операций
пространственной фильтрации на основе скользящих окон анализа
конечного размера для целей улучшения восприятия и реставрации
6.
Выполнять процедуры пространственно-частотной фильтрации на основе
быстрых ортогональных преобразований для целей улучшения
восприятия и реставрации
7.
Выполнять и визуализировать различные ортогональные преобразования,
включая вейвлетные, произвольных фрагментов изображения
8.
Проводить статистический анализ изображений, в частности расчет
корреляционной функции и оценок спектральной плотности мощности, а
также различных систем признаков на их основе
Что еще должна уметь система ЦОИ ?
9. Поддерживать технологии «морфологического» анализа изображений
10. Осуществлять пороговую и текстурную сегментацию изображений
11. Рассчитывать различные системы признаков границы и «внутреннего
содержания» сегментированных объектов
12. Решать задачи автоматической классификации объектов на основе заданной
системы признаков
13. Решать задачи автоматического описания сцен
14. Поддерживать технологии проектирования и поддержки баз изображений,
включающих сами изображения, расчетные параметры структуры
изображения, а также физико-технические характеристики представленных
данными изображениями объектов, и ориентированных на установление
возможных взаимосвязей между показателями обоих видов.
Нужно ли что-либо помимо персонального компьютера со стандартным
17-дюймовым монитором ?
Нет, не нужно
Есть ли программы, удобные в использовании как Photoshop, и
делающие все перечисленное ?
Не знаю, может быть есть
Как сложно самостоятельно написать такую программу ?
Пункты 1-8 вполне смогут реализовать 2-3 «хороших» студента за 1-2 месяца,
с пунктами 9-14 сложнее, но можно пытаться
Есть ли в Интернете хорошие учебники с описанием базовых
алгоритмов ?
Есть, например, русский перевод книги Р.Гонсалеса и Р.Вудса «Цифровая
обработка изображений», есть перевод первого издания хорошей книги У.
Прэтта «"Цифровая обработка изображений"» и есть существенно
пополненное издание этой книги, но на английском языке.
Поточечные преобразования (контрастирование)
Эквализация
Пвсевдоокрашивание
Линейная пространственная фильтрация
m
gij 
a
k ,l  m
kl
f i  k , j l
Линейная пространственная фильтрация (2)
Нелинейная пространственная фильтрация
Программа Spectrum
Задание «физических» размеров изображения
Моделирование и наложение на изображение
синусоидальной помехи
Локальные измерения двумерного Фурье спектра
Измерения линейных сечений изображения
Изображение и его ортогональные преобразования
Расчет ИЧХ и ИПХ на основе преобразования
Хартли
Кратномасштабное представление спутникового
изображения
Вейвлет-преобразование Добеши изображения скелета
радиолярии
Пространственная фильтрация
ПЧФ с проектированием глобального фильтра
ПЧФ с проектированием локального фильтра
Динамический спектральный анализ
Динамическая ПЧФ
Динамическая ПЧФ (в окне удалены волны зыби)
Согласованная фильтрация (анализ перемещений)
Корреляционно-спектральный анализ изображений
Изображе
ние
ИПХ
Фурьеспектр
Корреля
ция
ИЧХ 1
ИЧХ 2
и ее
аппроксимация
и ее
аппроксимация
Морфологический анализ изображений
Благодарю за внимание