Лекция №1 Тема 1 Същност на цифровата обработка на изображенията. Области на приложение. Връзка с други дисциплини

1. 
   Въпрос. Цифрова обработка на изображенията – история и развитие?.
   

Опознаването на окръжаващата действителност е непрекъснат процес базиращ се на основното свойство на живата природа – отражението. Човекът като биологично същество (Homo sapiens) получава информация за заобикалящия го свят чрез своите сетивни органи за регистрация на усещания и възприятия – звук, допир, мирис и най-вече зрение.

Човешкото зрение е най-съвършения биологичен механизъм за получаване на информация за заобикалящият ни свят. Въз основа на зрителните възприятия човек създава в своето съзнание мисловни образи съответстващи на действителността и лежащи в основата на познанието за заобикалящия ни свят.

Запазването и съхраняването на възприеманите образи и сцени от живата и не-живата природа (любими или омразни лица, пейзажи, батални сцени, исторически моменти) са били и продължават да са обект на използуване на най-различни технически средства и похвати.

Започвайки от парчето изгорял въглен или парчето варовик с които праисторическия човек е започнал да рисува по стените на пещерата в която живее, създавайки безценни за бъдещето рисунки т.е. изображения представящи неговия живот и бит, преминавайки през четките и платната на редицата известни и неизвестни художници и завършвайки с най-модерната техника за цифрово фотографиране всичко това по своята същност представлява етапи от развитието на техническите средства за създаване на изображения.

В съвременни условия развитието на техниката и технологиите за регистрация на сигналите позволи създаването на изображения базиращи се на използуването на математически и вероятностни формулировки – т.н. цифрови изображения.

През 60^те години на миналия век получи развитие нова наука за изображенията „иконика” – посветена на изследванията на общите свойства на изображенията, целите и задачите на тяхното преобрауване, обработка, възпроизвеждане и разпознаване на графични образи. Терминът „иконика” произхожда от гръцката дума „eikon”, което означава образ, изображение. Днес под „иконика” се разбира „създаване и обработка на изображения с помощтта на ЕИМ, което съвпада с понятието цифрова обработка на изображения.

Какво е цифрово изображение и цифрова обработка на изображения?

От математична гледна точка всяко изображение може да се дефинира като двумерна функция f(x,y) където x и y са равнинни (плоскостни) координати, а f - стойност на параметъра яркост (интензивност, ниво на сивото) зависещ от стойността на двойката координати.

Съгласно [1] ако x, y и f приемат крайно число дискретни (конкретни) значения, изображението се нарича цифрово. Т.е. цифровото изображение се състои от крайно (фиксирано) количество елементи всеки от които се намира на конкретно определено място и притежава определена количествена стойност.

Елементите на цифровото изображение се наричат пиксели (pixels) от английското словосъчетание „picture element”.

За първи път използуването на цифрови изображения е приложено във вестникарското дело при предаването на фотографии по трансокеанския подводен кабел между Лондон и Ню- Йорк. По това време (началото на 20^те години на миналия век) е внедрена система за предаване на изображения по кабел - „Бартлейн”, която позволила да се намали времето за предаване на изображения от една седмица до няколко часа.

Използувайки специална печатаща техника се е извършвало подходящо кодиране на изходното избражение с цел предаването му по кабела и последващото му възстановяване на страната на приемника.

Възстановяването на изображението (фиг. 1) се е извършвало чрез използуване на специални шрифтове имитиращи различни степени на черното.



Фиг. 1. Цифрово изображение получено през 1921 г. с помощта на кодова лента на телеграфен апарат със специален шрифт
По това време проблемите свързани с одобряването на визуалните качества на получените цифрови изображения се свързвали с избора на подходящ процес на отпечатване и разпределение на нивата на наситеност на черното. По тази причина приетият през 1921 г. способ за разпечатване с използуване на различни шрифтове е отхвърлен и заменен със способ основаващ се на фотографската репродукция (фиг. 2) ,с използуване на перфолента получавана от телеграфен апарат инсталиран при приемната страна.

Фиг. 2. Цифрово изображение получено през 1922 г. с използуване на перфолента след двукратно преминаване на сигнала през Атлантическия океан.
Първите системи „Бартлейн” са били способни да кодират изображения чрез пет степени на яркост. През 1929 г. тези възможности са увеличени до 15 степени на яркост (фиг. 3). Това се постигнало чрез управление на експонацията съобразно кодираната на перфолентата информация за яркостта на отделните участъци от изображението.
Независимо от това, че цитираните примери се основават на използуването на цифрови изображения, към онзи момент не е възможно да се говори за цифрова обработка на изображения в истинския смисъл на това понятие по простата причина, че за тяхното създаване и възпроизвеждане не е използувана електронно изчислителна техника по простата причина, че тя още не е съществувала.

Т.е. историята на цифровата обработка на изображения е тясно свързана с развитието на цифровата изчислителна техника. Това е така защото на практика обработката на изображенията изисква значителна памет и сериозни изчислителни ресурси, което обвързва прогреса в цифровата обработка на изображения с прогреса в развитието на електронно изчислителната техника и компютърните технологии за съхранение, визуалзизация и предаване на големи масиви от данни.

Идеята за комоютъра се заражда още преди 5000 г. когато в Мала Азия арабите изобретяват сметалото. Принципите на съвременния компютър обаче са поставени от известния американски изобретател от български произход - Джон Атанасов – първото от 10-те деца в семейството на българин емигрант от с. Бояджик – Ямболско. През декември 1939 г. Джон Атанасов заедно със своя сътрудник Клифърд Бери създава прототипа на първата електронноизчислителна машина (ЕИМ), напълно завършена през 1942 г. и наречена ABC (Atanasoff-Berry Computer).

В научната литература, в частност в [1] неправилно като баща на първия в света компютър се цитира американския учен от унгарски произход Джон фон Нойман. Същия през юли 1954 г., по-малко от година, след като се присъединява към групата на американските учени Джон Моучли (Мокли) и Джон Екърт, подготвил и публикувал отчет на 101 страници, в който обобщил плановете си по работата над машината EDVAC. Този отчет, озаглавен "Предварителен доклад за машина EDVAC", станал първата разработка по цифрови електронни компютри, с която се запознават широки кръгове от научната общественост.

Независимо от казаното по-горе заслугите на Нойман са значителни особено що се отнася до формулировкат аза архитректурата на електронно изчислителнат амашина, която е запазена и до днес.

По-късно като резултат от редица научни достижения се достига до създаването на достатъчно мощни компютърни системи разкриващи възможности за широко прилагане на цифровата обработка на изображения. Основните от тези достижения са следните:

1. 
   Изобретяване на транзистора през 1948 г. от компанията Bell Laboratories;
   

3. 
   Изобретяването на интегралните микросхеми от компанията Texas Instruments през 1958г.
   
4. 
   Разработването на операционните системи в началото на 60-те години;
   
5. 
   Появата на пазара на първите персонални компютри IBM през 1981 г.
   

7.) Едновременно с изброените достижения на електрониката и микропроцесорните технологии се развиват устройствата за запис и съхранение на данни, а така също и системите за визуализация –условия без които е немислимо развитието на цифровата обработка на изображенията.

Първите компютри притежаващи достатъчна мощност за изпълнение на практически значими задачи по цифрова обработка на изопбражения се почвяват в началото на 60-те години. Раждането на това което в момента се нарича цифрова обработка на изображенията е свързано с възникването на тези машини и началото на изпълнение на програми по изучаването на космоса. Именно паралелното развитие на тези две направления се явява мощен източник на идеи и предизвикателства стимулоращи развитието на цифровата обработка на изображенията.

На 31 юли 1964 г. в 9 часа и 9 минути източно американско време в Лаборатирията по реактивно движение в гр. Пасаден щат Калифорния от космическия апарат „Рейнджър-7” постъпва първото получено от американски космически апарат изображение на лунната повърхност (фиг. 3). Опитът получен при неговата цифрова обработка послужил като основа за разработването и усъвършенствуването на методите за възстановяване и подобряване визуалните качества на изображенията.

Успоредно с космическите изследвани, в края на 60^те и началото на 70^те години, методите за цифрова обработка на изображенията започват да се прилагат в медицината, дистанционните изследвания на земната повърхност, астрономията. В началото на 1970г. е изобретен метода на рентгеновата изчислителна томография – т.н. компютърна томография (КТ) – фиг. 4, събитие от изключителна важност за медицинската диагностика.

В съвременни условия анализът на резултатите получени от компютърните томографи на практика е едно от най-масовите приложения на методите за цифрова обработка на изображения.

От 1960 г. насам освен за медицински и космически нужди, сферата на използуване на методите за цифрова обработка на изображенията непрекъснато се разширява. При това в зависимост от приложението, същността и етапите на цифровата обработка на изображения може да се раздели на две основни направления:
Първо направление – методи за обработка при които на входа и на изхода стоят изображения.

Основната цел на тази обработката е подобряване на визуалните качества на изображението с цел неговото по-лесно и по-добро възприемане от човека. Най-често компютърната обработка на изображенията в това направление се прилага с цел улесняване на възприемането на рентегенови изображения в промишлеността, медицината и биологията чрез повишаване на контраста или цветово кодиране на различни нива на яркост водещи до получване на т.н. псевдо цветове на изображението. Аналогични методи се използуват в географията, фотограметрията и дистанционните методи на изследване на земната повърхност при обработка на аерснимки или космически снимки. В археологията при възстановяване на повредени или разрушени изображения на сцени, текстове и т.н.
Второ направление – методи за обработка при които на входа стои изображение а на изхода възникват признаци и атрибути извлечени от обработваното изображение.

Основната цел на тази обработка представяне на изображението във вид на статистически стойнсти удобни за възприемане от електронно изчислителната машина с цел тяхното сравняване, анализ и класификация. В този случай тежестта от цифровата обработка се пренася върху представянето на изображението като съвкупност от статистически характеристики (разпределение на яркости, средно значение, най-вероятни стойности, сечения на области и др.), коефициенти на преобразувание на Фурие, многомерни разстояния и т.н.

Типично приложение на цифровата обработка в това направление е автоматичното разпознаване на образи и символи (Fine Reader), задачи по разпознаване на военни обекти „свой-чужд”, автоматична обработка на пръстови отпечатъци и др.

изображение. На изхода на процеса от сегментацията се представят необработеи данни за

пикселите, които или образуват граници разделящи една област от друга, или представляват всички точки от самите области.

- Представление и описание на изображението: Това е обработка, която се извършва непосредствено след сегментацията на изображението, на изхода на която се получават граници или области.

И в двата случая (граници или области) е необходимо получените в процеса на сегментация данни във вид на обикновени масиви от пиксели да се преобразуват във вид удобен за компютърна обработка.

Първото решение, което следва да се вземе е как да се представят тези данни - във вид на граници или запълнени области. Представянето във вид на граници е подходящо тогава когато са важни такива характеристики на обектите като форма, ъгли, изпъкналости или вдлъбнатости и т.н. Представянето във вид на области е по-уместно, когато тежестта на получените данни се прехвърля върху вътрешните свойства на обекта такива като структура, текстура или форма на скелетните линии. При определени приложения двата вида представяне взаимно се допълват.

Второто решение се отнася до избора на подходящ метод за описние на данните, т.е. формиране на подходящ набор от атрибутни характеристики описващи най-точно интересуващите обекти. Правилно избраните признаци позволяват точно и еднозначно разпределение на обектите по класовете, което е особено важно при автоматичното разпознаване на обектите.

• 
  Получаване на изображението на текста в цифров вид;
  
• 
  Предварителна обработка на изображението;
  
• 
  Отделяне (сегментация) на отделните символи от текста;
  
• 
  Описание на символите във форма подходяща за компютърна обработка;
  
• 
  Разпознаване на символите.
  

2. 
   Въпрос. Области за използуване на цифрова обработка на изображения.
   

Днес почти няма област на техниката, в която в една или друга степен да не се използува цифровата обработка на изображения. Това се отнася в пълна степен и за геодезията и свързаните с нея науки и практически приложения такива като: фотограметрия, дистанционни изследвания на местността, кадастър, проектиране и т.н.

Областите на използване на цифровата обработка на изображенията са толкова разнообразни, че опитите да бъдат обхванати в цялата им дълбочина изисква определена система за излагане. Един от най-приемливите способи за класификация на областите, в които се използува цифрова обработка на изображенията е на база вида на източника на енергия формиращ съответните изображения (оптичеки, рентгенов, радилокационен и т.н.). Основният източник за формиране на изображения се явява електромагнитното излъчване. Между другите енергийни източници, които могат да съсздават изображения са акустичните и ултразвукови (механически) колебания, а така също и снопове електронни лъчи използувани в електронните микрскопи. Освен това съществуват цял клас синтетични (изкуствени) изображения, които се създават от компютърни програми и се използуват за моделиране и визуализация (архитектура, дизайн, моделиране на процеси, видеоигри и т.н.)

Най-често срещаното и най-привично изображение е това създавано от електромагнитните излъчвания, особенно тези във видимия спектър или рентгеновия диапазон.

Електромагното излъчване^* (светлината) може да се разглежда като съвкупност от електромагнитни вълни с определена честота или като поток от частици движещи се със скоростта на светлината. Всяка частица има нулева маса, но притежава определена енергия и се нарича фотон. Т.е. електромагнитното излъчване може да се представи като поток от фотони. Ако нивата на енергията на фотона се разположат върху дадена ос в направление на тяхното снижаване се получава изображение на т.н. спектър на електромагнитното излъчване (фиг. 5).


Фиг. 5 Спектър на електромагнитното излъчване
По подробно характерът на електромагнитното излъчване ще бъде разгледан в дисциплината „ Дистанционни изследвания на земната повърхност”

• 
  Използуване на изображения създадени с помощта на електромагнитни вълни в диапазона на гама излъчването
  

Изображения получени с помощта на гама излъчването се използуват преди всичко в областта на медицината и астрономията.

Формирането на изображения основаващи се на гама излъчването в медицината се базира на метод при който в организма на пациента се внася радиоактивен изотоп чийто разпад е съпроводен с гама излъчване. Това излъчване се регистрира от подходящи сензори реагиращи на гама излъчването и на тази база се формира изображението.

• 
  Използуване на изображения създадени с помощтта на електромагнитни вълни в диапазона на рентгеновото излъчване
  

• 
  Използуване на изображения създадени с помощтта на електромагнитни вълни в ултравиолетовия диапазон на излъчване
  

Ултравиолетовото излъчване (ултравиолетовата светлина) намира най-разнообразно приложение и в частност в областта на полиграфията, контрола на производството, микроскопийната фотография, лазерната техника, билогията и астрономията.

Ултравиолетовото облъчване се използува във флоуресцентната микроскопия – едно от най-бързо развивашите се направления на микроскопията.

Явлението флуоресценция е открито в средата на XIX век, когато за първи път е констатирано, че минерала флуорит излъчва светлина при облъчването му с ултравиолетови лъчи. Сами по себе си ултравиолетовите лъчи са невидими, но при сблъсък на фотоните от ултравиолетовия спектър с електроните от атома на флуоресцетния материал, електронът преминава в по-високо енергийно състояние. Последващото връщане на възбудения електрон на по-ниското енергийно ниво е съпроводено с излъчване на фотони с по-ниска енергия която съответства на видимия диапазон от спектъра. Принципът на работа на флуоросцентния микроскоп се сътои в облъчване на изследвания обект с ярко активизиращо ултравиолетово осветление и реистрация на вторичното значително по-слабо флуоресцентно излъчване. При това положение наблюдателя или друг регистриращ сензор ще възприема само вторичното излъчване.

(а) (б)

• 
  Използуване на изображения създадени с помощта на електромагнитни вълни във видимия и инфрачервения диапазон на излъчване
  

Изображенията съсздадени в този диапазон са многократно по-вече и по разнообразни от тези създадени в разгледаните по-горе диапазони по простата причина, че тази част от спектъра е най-естествен за зрителните възприятия на човека. В практиката изображенията получени в инфрачервения диапазон се използуват най-често като допълващи към тези получени във видимия диапазон на спектъра.

Сферите на използуване и приложение на изображения създадени във видимия и инфрачеврения диапазон са най-разнообразни започвайки от светлинната микроскопия, преминавайки през астрономията, дистанционните изследвания на заемната повърхност в т.ч. и фотограметрия, всички сфери на промишлеността и завършвайки с охранителните дейности.

Изхождайки от интересите на геодезията ще бъде разгледано приложението на изображения създадени във видимия и инфрачервения диапазон за нуждите на дистанционните изследвания на земната повърхност.

Дистанционното изследване на земната повърхност е научно направление изследващо теорията и практиката за безконтактно изследване и изучаване на земната повърхност и обектите върху неея. В основата на Д.И. лежи използуването на изображения (снимки) направени от различни летателни апарати - самолети и изкуствени спътници на Земята.

Основната особеност на получаваните изображенията за нуждите на дистанционните изследвания е тяхната многозоналност, т.е. за по детайлно изследвание на обектите върху земната повърхност едновременно се създават няколко - 4, 6 и по-вече изображения (снимки), всяко от които е получено чрез използуването на електромагнитни вълни в определен диапазон. Показателен пример за това е класификацията на изображенията (Таблица 1) получавани от американския спътник LANSAD, чиято основна задача е осигуряване на информация за извършването на глобален екологически мониторинг.

Обща представа за възможностите на получаваните многозонални изображения може да се получи от разглеждането на фиг. 7 на която са показани едно до друго изображения на района на гр. Вашингтон, всяко от които получено в съответната от Таблица 1 зона ЕМВ

1. 
   По отношение на теорията и методите за създаване на цифровите изображения:
   

- приложна математика – цифрова обработка на сигнали;

- Информатика – ”Организация и съхранение на бази данни”,”Тория на графите”,”Геометрия”, “Методи за обработка на сигнали”, “Методи за изследване на алгоритми и програмиране”, “Математически методи за програмиране и изчисления” и т.н.

2. 
   По отношение на приборостроенето
   

- оптико електроника фина механика и оптика – създаване на технически средства (скенери) за преобразуване на аналогови сигнали в цифрови;

3. 
   По отношение на използуването на цифровите изображения – “Теория за разпознаване на образите”, “Теория на вероятностите”, “Математическа статистика” “Дистанционни изследвания” и др.
   

Областта на използуване на методите за цифрова обработка на изображенията в настоящо време непрекъснато се разширява за сметка на непрекъснатото стесняване на дела на аналоговите методи за обработка на сигнали и изображения. Методите на цифрова обработка се иползуват широко в промишлеността, изкуството, медицината, космоса, и не на последно място в геодезията, фотограметрията и картографията. Усъвърщенстването на методите за цифрова обработка на изображенията е в основата на развитието на системите за дистанционно наблюдение и автоматически анализ на данните за местността - поределяне на площите и местата на горски сечища и пожари, следене на развитието на селскостопанските култури и прогнозиране на добивите, военно и икономическо разузнаване, екология и поазване на околнат асреда и т.н. В тази връзка цифровото предаване на изображения от космическите апарати до наземните станции за обработка и анализ изисква цифровите канали за пренос да осигурят бързо и за кратко време предаване на все по-големи количества информация. Това поставя все по завишавящи се изисквания към създаването на подходящи алгоритми за т.н. „свиване” на изображенията.

Днес е трудно, да не кажем невъзможно да си представим област, която не използува цифрова обработка на изображения. Интернет, мобилен телефон, видеокамера, цифров фотапарат, скенер, принтер – технически средства чието масово навлизане в нашия бит е немислимо без цифровата обработка на изображенията.

Използувана литература:

[1] Digital image processing, 2^ND edition by Gonzalez, Rafael C.;Woods, Richard E.

[2] William K. Pratt Digital Image Processing (Цифровая обработка изображений – превод от английски. Мир 1982г.)

[3] Без паники! Цифровая обработка сигналов. ЮкиоСато; Превод от японски на руски Селиной Т.Г.М

[4] В.Т.Фисенко, Т.Ю.Фисенко „Компютерная обработка и разпознавание изображений” Учебное пособие. Издание на Министерство на образованието и науката на руската федерация. Федерална агенция по образованиието. Санкт-Петербургски държавен университет по информационни технологии, механика и оптика - 2008 г.