Введение

Что такое изображение? На этот вопрос можно ответить по-разному. Самое простое и широкое определение этого понятия: изображение – это то, что мы видим. Другое определение: изображение – это информация, пригодная для визуального восприятия. В зависимости от происхождения условно можно выделить следующие типы изображений:

1. Рисованное или печатное (художник, полиграфия, принтер).
2. Оптическое (распределение интенсивности электромагнитного поля создаваемое оптическим прибором в некоторой области пространства (области локализации) например, на сетчатке глаза, на экране при проецировании, в плоскости приемника объектива фотоаппарата).
3. Фотографическое (оптическое изображение, зарегистрированное на фотоматериале в результате химического процесса).
4. Электронное или цифровое (оптическое изображение, зарегистрированное с помощью электронного приемника, например, ПЗС-матрицы, сканера, микроденситометра). Электронным также называют изображение, отображаемое на экране монитора.

Как видим, деление условное. Изображение из одного типа сразу переходит в другой. Цепочка этих преобразований в большинстве случаев заканчивается изображением на сетчатке глаза и образом в мозге человека. Существуют ли понятие изображения в отдельности от глаза человека? Какова доля субъективности в изображении? Это философские вопросы, которые мы не будем обсуждать. Попытаемся дать изображению формализованное определение, которое позволит нам описать этот объект математически и манипулировать им для достижения определенных целей. Эти манипуляции назовем обработка изображений.

Цели

Обработка изображений может производиться в различных целях:

• Изменение (искажение) изображения с целью достижения каких-либо эффектов (художественное улучшение). Эти преобразования не будут рассматриваться в рамках данного курса;
• Image Processing – визуальное (заметное глазом) улучшение качества изображения (коррекция яркости и контраста, цветокорреция и т.п.); объективное улучшение качества изображения (устранение искажений типа дисторсия, смаз, расфокусировка и т.п.);
• Image Analysis – проведение измерений на изображении (анализ интерферограмм, гартманограмм, ФРТ и т.п.);
• Image Understanding – распознавание образов (распознавание символов, отпечатков пальцев, лиц, приборы наведения и т.п.)

Задачи

Для достижения поставленных целей рассмотрим решение следующих задач:

1. Дискретизация, квантование и кодирование изображений.
2. Геометрические преобразования изображений.
3. Логические и арифметические операции над изображениями.
4. Фильтрация изображений.
5. Препарирование изображений.

Определение цифрового изображения

Необходимо отметить, что мы будем манипулировать с двумерными изображениями. Под изображением будем понимать функцию двух вещественных переменных , где  – это интенсивность (яркость) в точке с координатами . Иногда обработке будет подвергаться не всё изображение, а некоторая его часть, которую в англоязычной литературе принято называть region-of-interest, ROI (область представляющая интерес, ОПИ).

Для обработки на компьютере изображение должно быть дискретизировано и квановано. Дискретизованное и квантованное изображение называется цифровым. Цифровое изображение  представлено в дискретном двумерном пространстве, где  – номер строки, а  – номер столбца. Элемент, расположенный на пересечении -ой строки и -го столбца называется пиксел (pixel – picture element). Интенсивность пиксела может описываться либо вещественным или целым числом. Относительная интенсивность в вещественных числах обычно изменяется от 0 до 1, а в целых числах от 0 до 255.

Обычно физический сигнал, возникающий в точке , является функцией зависящей от многих параметров ( - глубина,  – длина волны,  – время). Однако мы будем рассматривать статические, и чаще монохроматические изображения.

Основные характеристики изображения

Среди характеристик цифровых изображений следует выделить:

Размер: этот параметр может быть любым, но часто выбирается исходя из особенностей регистрации изображения (например, видеостандарты PAL (625, 4:3), SECAM (625, 4:3), NTSC (525, 4:3)), особенностей последующей обработки (алгоритмы быстрого преобразования Фурье предъявляют особые требования) и т.п. Хотя в последнее время фреймграбберы интерполируют изображение до любых размеров, библиотеки БПФ справляются с изображением любых размеров.

Количество цветов (глубина цвета) : точнее количество бит, отводимое для хранения цвета, определяется упрощением электронных схем и кратно степени 2. Изображение для хранения информации о цветах которого необходим 1 бит называется бинарным. Для хранения полутоновых (gray scale, gray level) изображений используется обычно 8 бит. Цветные изображения хранятся обычно с использованием 24 бит по 8 на каждый из трех цветовых каналов.

Разрешение: измеряется обычно в dpi (dot per inch – количество точек на дюйм). Например, на экране монитора разрешение обычно 72 dpi, при выводе на бумагу – 600 dpi, при регистрации на ПЗС-матрице с размером одного элемента 9 мкм разрешение составит почти 3000 dpi. В процессе обработки разрешение можно изменить: на само изображение это не повлияет, но изменится его отображение устройством визуализации.

Методы обработки изображения

В основе алгоритмов обработки изображений положены в основном интегральные преобразования: cвертка, преобразование Фурье и др. Также используются статистические методы.

Методы обработки изображений классифицируют обычно по количеству пикселов участвующих в одном шаге преобразования:

• поточечные методы в процессе выполнения преобразуют значение в точке  в значение  независимо от соседних точек;
• локальные (окрестностные) методы для вычисления значение  используют значения соседних точек в окрестности ;
• глобальные методы определяют значение  на основе всех значений исходного изображения .