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