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



Дата17.09.2016
Размер231.87 Kb.
ТипЛекция

гл. ас. д-р инж. Димитър Петров - Цифрова обработка на изображения.

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 60те 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 20те 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.



През 1941 г. Атанасов приема Джон Мокли, който се интересува от компютъра му. Какво точно се е случило тогава? Това се разглежда подробно на съдебния процес 26 години по-късно, който е трябвало да изясни дали Джон Мокли и Джон Преспър Екърт са използвали непозволено откритието на Атанасов при създаването на първия (официално дотогава) електронен компютър ЕНИАК през 1942-46 г. Съдът, начело с федералния съдия Ърл Р. Ларсън, се произнася категорично в полза на Джон Атанасов, който е обявен за бащата на компютъра!

"Екърт и Мокли не са изобретили първия автоматичен електронен цифров компютър, а са извлекли основната идея за него от Джон Атанасов." (из заключението на съда в Минеаполис, 1973 г.)

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;

2.) Създаването през 1950 – 1960 година на компютърни езици от високо ниво КОБОЛ (COBOL - Common Business-Oriented Language – Общ език за програмиране ориентиран към бизнеса) и ФОРТРАН (FORTRAN, Formula Translator – Транслатор на формули)

  1. Изобретяването на интегралните микросхеми от компанията Texas Instruments през 1958г.

  2. Разработването на операционните системи в началото на 60-те години;

  3. Появата на пазара на първите персонални компютри IBM през 1981 г.

6.) Последователна миниатюризация на електронните компоненти, започвайки с изработването на Големи интегрални схеми в края на 1970 г., след това на т.н. Свръх големи интегрални схеми през 1980 г. достигайки до днешните Ултра големи интегрални схеми.

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.



Фиг. 3 Изображение на лунната повърхност, предадено от космическия апарат “Рейнджър-7” на 31.07.1964г.
По късно тези методи са развиват и усъвършенствуват с цел обработка на изображенията получени от безпилотните космическите апарати от серията „Сървайвър”по време на полетите до Луната, „Маринер” – около Марс, пилотираните кораби „Аполо” и т.н.

Успоредно с космическите изследвани, в края на 60те и началото на 70те 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.



Фиг. 4 Съвременен томограф
При компютърната томография изображението се получава чрез регистрацията на ренгенови лъчи излъчвани от източник разположен върху въртяща се окръжност в центъра на която се разполга изследвания обект. Преминаващите през обекта рентгенови лъчи се улавят от дедеекторите разположени на противоположната страна на окръжността. По специални алгоритми от получените регистрации се построява „сечение” на обекта за даден момент. Придвижвайки се по направление на оста на окръжността се получава серия от сечения, които се обединяват в едно цялостно триизмерно изображение на вътрешната структура на обекта.

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.


Основни етапи при цифровата обрботка на изображения
На база гореказаното обработката на цифровите изображения може да се раздели на отделни процеси (фиг. 5) чрез реализацията на всеки от които се достига определена потребителска стойност водеща до увеличаване на познанията за обекта на изображението.

Фиг. 5 Основни области от цифровата обработка на изображенията
- Регистрация на изображението: Това е първият от всички процеси на обработка на изображенията. Той се базира на използуването на светочувствителни елементи преобразуващи електромагнитната енергия (видима и не видима светлина, рентгеново излъчване, радио вълни и т.н.) в електрически потенциал. В зависимост от чуствителността на елемента към електромагнитно излъчване с олпределена дължина на вълната се създават различни по своите качества цифрови изображения.

- Подобряване на изображението: Това е един от най-простите, но за сметка на това най-впечатляващите етапи от цифровата обработка. Съдържанието на тази обработка се определя от целта на процеса „подобряване на изображението” а имено - открояване на по-слабо различимите детайли или просто подчертаване на интересуващите ни характеристики на изходното изображение чрез промяна на контраста и яркостта. Основната характерна черта при обработката на изображенията в тази област е субективността в оценката на получения резултат.

- Възстановяване на изображението: Дейностите причислявани към този етап на обработка, също са свързани с подобряване на визуалните качества на обектите върху изображението, но за разлика от обикновеното подобряване направено на база субективни критерии за качество, обработките извършвани в тази област са базират на математически и вероятностни модели за изкривяване на изображението с което се осигурява определена обективност при получаването на крайния резултат.

- Обработка на цветни изображения: Тази етап на обработка придоби особена важност вследствие значителното разширяване в използуването на цветни изображения в Интернет. Тя включва използуване на различни цветови модели и методи и алгоритми за преобразуване на цветовте. Освен това цветът в някои случаи се използува кат основа за подчертаване и извличане от изображението на някои интересуващи ни признаци. Особено място в тази област има разделя за формирането на т.н. псевдоцветни изображения.

- Уейвлети* и кратно мащабна обработка: Уейвлетите или „вълничките” служат като основа за цифрово представяне на изображенията с няколко степени на разделителна способност едновременно. Този етап на обработка най-често се използува за свиване на информацията от изходното изображение, а така също (особено при цифровата фотограметрия) за създаване на т.н. „Пирамидни изображения” - съвкупност от производни на изходното изображение, но с различна разделителна способност съответна на мащаба на визуализация, като по този начин се ускорява процесът увеличаване и намаляване мащаба на изображението при извеждането му върху монитора.

- Свиване на изображението: Целта на обработките в тази област е намаляване на обема памет, необходим за съхранение на изображенията, а така също и при неговото предаване по каналите за връзка. Независимо от това, че съвременните компютри разполагат със значителни ресурси за съхранение на данните, все по широкото навлизане на Интернет в бита, а така също и бързото развитие на космическите технологии за получаване и използуване на изображения изискват непрекъснато съкращаване на времето за предаване на големи масиви от данни. Това прави решаването на проблемите по свиването на информацията все по-значими.

- Морфологична обработка на изображенията: С понятието морфология се означава тази област от познанието която се занимава с формата и вътрешния строеж на предмети от живата и неживата природа. За целите на цифровата обработка на изображенията се използува понятието математическа морфология. Това е инструмент за изучаване и извличане на отделни елементи от вътрешната структура на изображенията, подпомагащи тяхното представяне и описание съобразно избрани критерии такива като: граници на области, скелетни линии, изпъкнали обвивки и т.н.

- Сегментация на изображението: Под сегментация на изображението се разбира неговото разделяне на съставни части или обекти. Като цяло това е най-сложната, трудна и отговорна задача от цифровата обработка на изображенията, която лежи в основта на разпознаването на образите от снимката . От една страна прекалено подробната сегментация усложнява процеса на идентифициране на обектите от изображението в тяхната цялост, от друга твърде уедрената или грешно извършена сегментация неизбежно води до грешки на финала при класификацията на отделните обекти локализирани в границите на дадено
* УейвлетТерминът "уейвлет" или "вълничка" е бил използван в продължение на десетилетия в областта на цифровата обработка на сигнали и при геофизични изследвания. Понятието wavelet (вълничка, уейвлет, елементарна вълна) е въведено от Жан Морле, и Александар Гросман, през 80-години на XX век. Те използват френската дума ondelette, която означава "вълничка". После тя е преведена на английски като "wavelet" със същото значение. Основният смисъл на това понятие е: Математическа функция, която се използва за разлагането на функции или непрекъснати във времето сигнали по честотни елементи и изучаването на всеки честотен елемент с разделителна способност, съответстваща на мащаба му.

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.



- Разпознаване на изображенията: Разпознаването по своята същност е процес на присвояване на дадения обект от изображението на идентификатор сответстващ на неговите описателни (атрибутни) характеристики.
Като пример за съдържанието на етапите от фиг. 5 е приложението на цифровата обработка на изображенията за анализ и разпознаване на печатен или ръкописен текст. Решаването на тази задача изсисква изпълнението на следните етапи:

  • 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.




  1. 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

Рентгеновите лъчи са един от най-старите източници н аелектромагнитно излъчване използувани за получаване на изображения. Освен в областта на медицинската диагностика за КТ те се използуват и в промишлеността, а така също и в астрономията. Подобни изображения се използуват и за контрол на качеството и наличието на дефекти в печатните платки. Промишлената компютърна томография е приложима тогава когато детайлите са проницаеми за рентгеновите лъчи, но е приложима даже и в случаите на контрол на големи машинни детайли такива като реактивни двигатели например.


  • 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)



Фиг. 6 Изображение в ултравиолетовия диапазон. (а) - нормално зърно. (б)- зърно заразено с болестта „главня”
На фиг. 6 е показано изображение (микроскопна снимка) получена с флуоресцентен микроскоп на здраво зърно и заърно заразено с болеста „главня”. Ясно се вижда рфазликата между двете снимки – тази на здравото и тази на заразеното зърно. Практическата значимост на този вид изображения се определя от факта, че заболяването „главня” се поражда от над 700 вида паразитни гъбички и заразява преди всичко зърнените, а така също и бобовите, тревните и луковичните растения.


  • 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.


Таблица 1



Наименование

Дължина на вълната (мкм)

Изследвани характеристики на земната повърхност

1

Видим син цвят

0,45-0,52

Максимална филтрация на влагата

2

Видим зелен цвят

0,52-0,60

Измерване на плътността на растителната покривка

3

Видим червен цвят

0,63-0,69

Разделяне на различни видове растителност

4

Близък инфрачервен диапазон

0,76-0,90

Заснемане на бреговата ивица

5

Среден инфрачервен диапазон

1,55-1,75

Съдържание на влага в почвата и растителността

6

Среден инфрачервен диапазон

2,08-2,35

Търсене на полезни изкопаеми

7

Топъл инфрачервен диапазон

10,4-12,5

Изследване на влажността на почвата и създаване на температурна карта

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




Фиг. 7 Изображение получено от спътника LANDSAT на гр. Вашингтон окръг Колумбия. Номерата на снимките съответсват на номерата на тематичните зони в Таблица 1.
Върху снимките се виждат големите сгради, пътища, участъци заети от растителност, а така също и преминаващата през града голяма река Потомак. Забележителна е разликата между снимките получени във видимия диапазон на спектъра (снимки 1,2 и 3) и тези получени в инфрачервения диапазон на спектъра – 4,5,6 и 7.
Връзка с други научни дисциплини. Дисциплината цифрова обработка на изображения е сравнително нова и постоянно развиваща се дисциплина. Връзката и с други информационни дисциплини може да се разглежда в няколко основни направления а именно:


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

- различни дялове от физиката и оптиката изучаващи светлината като електромагнитно излъчване и нейното разпространение;

- 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.


  1. По отношение на приборостроенето

- електроника и микропроцесорна техника при създаването на т.н. цифрови фотапарати – изучаваща създаването на т.н. CMOS и CCD и светочувстителни матрици;

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



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

В течение на последните близо 45-50 години, особено започвайки от 80те години на миналия век, значителна част от приложните задачи по обработка на информацията и анализа на данни е свързана с обработка на изображения. Тази тенденция наложи освен създаването на нови технически средства за получаване на информацията структурирана във вид на цифрови изображения, така и нови средства и методи за автоматизирано разпознаване на образи, което по своята същност се явява мощен апарат за обработка, анализ и проявление на скрити закономерности и свойства на окръжаващият ни свят. Подходящи примери в тази насока се явяват дистанционните методи за изследване на земята от въздуха и космоса, цифровата фотограметрия, разработването на “зрителни органи” за роботите и съвременните медицински ситеми за изследване и диагностика, развитие на системите за наблюдение, охрана и контрол и т.н.

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, 2ND 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.



[5] Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли и космоса. Цифровая обработка изображений: Учебное пособие – Москва. Издание Логос, 2001 г. ISBN 5-94010-138-0



Каталог: tadmin -> upload -> storage
storage -> Литература на факта. Аналитизъм. Интерпретативни стратегии. Въпроси и задачи
storage -> Лекция №2 Същност на цифровите изображения Въпрос. Основни положения от теория на сигналите
storage -> Лекция 5 система за вторична радиолокация
storage -> Толерантност и етничност в медийния дискурс
storage -> Ethnicity and tolerance in media discourse revisited Desislava St. Cheshmedzhieva-Stoycheva abstract
storage -> Тест №1 Отбележете невярното твърдение за подчертаните думи
storage -> Лекции по Въведение в статистиката
storage -> Търсене на живот във вселената увод
storage -> Еп. Константинови четения – 2010 г някои аспекти на концептуализация на богатството в руски и турски език


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2019
отнасят до администрацията

    Начална страница