Выполните обработку изображений, визуализацию и анализ

Image Processing Toolbox™ обеспечивает исчерпывающий набор ссылочно-стандартных алгоритмов и приложений рабочего процесса для обработки изображений, анализа, визуализации и разработки алгоритмов. Можно выполнить сегментацию изображений, повышение качества изображения, шумоподавление, геометрические преобразования, и отобразить регистрацию с помощью глубокого обучения и традиционных методов обработки изображений. Обработка поддержек тулбокса 2D, 3D, и произвольно больших изображений.

Приложения Image Processing Toolbox позволяют вам автоматизировать общие рабочие процессы обработки изображений. Можно в интерактивном режиме сегментировать данные изображения, сравнить регистрационные методы изображений и пакетно обработать большие наборы данных. Функции визуализации и приложения позволяют вам исследовать изображения, 3D объемы и видео; настройте контраст; создайте гистограммы; и управляйте видимыми областями (КОРОЛИ).

Можно ускорить алгоритмы путем выполнения их на многоядерных процессорах и графических процессорах. Много функций тулбокса поддерживают генерацию кода C/C++ для развертывания системы компьютерного зрения и анализа прототипа.

Начало работы

Изучите основы Image Processing Toolbox

Импортируйте, экспортируйте, и преобразование

Импорт данных изображения и экспорт, преобразование типов изображения и классов

Отображение и исследование

Интерактивные инструменты для отображения изображений и исследования

Геометрическое преобразование и регистрация изображений

Масштабируйте, вращайте, выполните другие преобразования N-D и выровняйте изображения с помощью корреляции интенсивности, соответствия функции или отображения контрольной точки

Отобразите фильтрацию и улучшение

Контрастная корректировка, морфологическая фильтрация, deblurring, основанная на ROI обработка

Отобразите сегментацию и анализ

Анализ области, анализ структуры, пиксель и статистика изображений

Глубокое обучение для обработки изображений

Выполните задачи обработки изображений, такие как удаление шума изображения и создание изображений с высоким разрешением от изображений низких разрешений, с помощью сверточных нейронных сетей (требует Deep Learning Toolbox™),

Всем привет. Сейчас мы с научным руководителем готовим к изданию монографию, где пытаемся простыми словами рассказать об основах цифровой обработки изображений. В данной статье раскрывается очень простая, но в тоже время очень эффективная методика повышения качества изображений – эквализация гистограмм.

Для простоты начнём рассмотрение с монохромных изображений (т.е. изображений содержащих информацию только о яркости, но не о цвете пикселей). Гистограммой изображения будем называть дискретную функцию H, определённую на множестве значений , где bpp – количество бит, отводимое для кодирования яркости одного пиксела. Хоть это и не является обязательным, но гистограммы часто нормируют в диапазон , выполняя деление каждого значения функции H[i] на общее количество пикселов изображения. В Табл. 1 представлены примеры тестовых изображений и гистограмм, построенных на их основе:
Табл. 1. Изображения и их гистограммы

Внимательно изучив соответствующую гистограмму можно сделать некоторые выводы и о самом исходном изображении. Например, гистограммы очень тёмных изображений характеризуются тем, что ненулевые значения гистограммы сконцентрированы около нулевых уровней яркости, а для очень светлых изображений наоборот – все ненулевые значения сконцентрированы в правой части гистограммы.
Интуитивно можно сделать вывод, что наиболее удобным для восприятия человеком будет изображение, у которого гистограмма близка к равномерному распределению. Т.е. для улучшения визуального качества к изображению надо применить такое преобразование, чтобы гистограмма результата содержала все возможные значения яркости и при этом в примерно одинаковом количестве. Такое преобразование называется эквализацией гистограммы и может быть выполнено с помощью кода, приведённого в Листинг 1.
Листинг 1. Реализация процедуры эквализации гистограммы

1. procedure TCGrayscaleImage. HistogramEqualization ;
2. const
3. k = 255 ;
4. h: array [ 0 .. k ] of double ;
5. i, j: word ;
6. begin
7. for i : = 0 to k do
8. h[ i] : = 0 ;
9. h[ round (k * self . Pixels [ i, j] ) ] : = h[ round (k * self . Pixels [ i, j] ) ] + 1 ;
10. for i : = 0 to k do
11. h[ i] : = h[ i] / (self . Height * self . Width ) ;
12. for i : = 1 to k do
13. h[ i] : = h[ i - 1 ] + h[ i] ;
14. for i : = 0 to self . Height - 1 do
15. for j : = 0 to self . Width - 1 do
16. self . Pixels [ i, j] : = h[ round (k * self . Pixels [ i, j] ) ] ;
17. end ;

В результате эквализации гистограммы в большинстве случаев существенно расширяется динамический диапазон изображения, что позволяет отобразить ранее не замеченные детали. Особенно сильно этот эффект проявляется на тёмных изображениях, что показано в Табл. 2. Кроме того, стоит отметить ещё одну важную особенность процедуры эквализации: в отличие от большинства фильтров и градационных преобразований, требующих настройки параметров (апертуры и констант градационных преобразований) эквализация гистограммы может выполняться в полностью автоматическом режиме без участия оператора.
Табл. 2. Изображения и их гистограммы после эквализации


Легко можно заметить, что гистограммы после эквализации имеют своеобразные заметные разрывы. Это связано с тем, что динамический диапазон выходного изображения шире диапазона исходного. Очевидно, что в этом случае рассмотренное в Листинг 1 отображение не может обеспечить ненулевые значения во всех карманах гистограммы. Если всё-таки необходимо добиться более естественного вида выходной гистограммы, можно использовать случайное распределение значений i-ого кармана гистограммы в некоторой его окрестности.
Очевидно, что эквализация гистограмм позволяет легко повышать качество монохромных изображений. Естественно хочется применить подобный механизм и к цветным изображениям.
Большинство не очень опытных разработчиков представляют изображение в виде трёх цветовых каналов RGB и пытаются применить процедуру эквализации гистограммы к каждому цветовому в отдельности. В некоторых редких случаях это позволяет добиться успеха, но в большинстве случаев результат так себе (цвета получаются неестественными и холодными). Это связано с тем, что модель RGB неточно отображает цветовосприятие человека.
Вспомним о другом цветовом пространстве – HSI. Эта цветовая модель (и другие родственные ей) очень широко используются иллюстраторами и дизайнерам так как позволяют оперировать более привычными для человека понятиями цветового тона, насыщенности и интенсивности.
Если рассмотреть проекцию RGB-куба в направлении диагонали белый-чёрный, то получится шестиугольник, углы которого соответствуют первичным и вторичным цветам, а все серые оттенки (лежащие на диагонали куба) при этом проецируются в центральную точку шестиугольника (см. Рис. 1):

Рис. 1. Проекция цветового куба
Чтобы с помощью этой модели можно было закодировать все цвета, доступные в RGB-модели, необходимо добавить вертикальную ось светлоты (или интенсивности) (I). В итоге получается шестигранный конус (Рис. 2, Рис. 3):


Рис. 2. Пирамида HSI (вершины)
В этой модели цветовой тон (H) задаётся углом относительно оси красного цвета, насыщенность (S) характеризует чистоту цвета (1 означает совершенно чистый цвет, а 0 соответствует оттенку серого). При нулевом значении насыщенности тон не имеет смысла и не определен.


Рис. 3. Пирамида HSI
В Табл. 3 показано разложение изображения по компонентам HSI (белые пикселы в канале тона соответствуют нулевой насыщенности):
Табл. 3. Цветовое пространство HSI


Считается, что для повышения качества цветных изображений наиболее эффективно применять процедуру эквализации к каналу интенсивности. Именно это и продемострировано в Табл. 4
Табл. 4. Эквализация различных цветовых каналов


Надеюсь, этот материал показался вам как минимум интересным, как максимум полезным. Спасибо.

СРАВНЕНИЕ АЛГОРИТМОВ ЭКВАЛИЗАЦИИ

ГИСТОГРАММ ПОЛУТОНОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

1 "2 Александровская А.А. , Маврин Е.М.

1 Александровская Анна Андреевна - студент магистратуры; Маврин Евгений Михайлович - студент магистратуры, кафедра информационных систем и телекоммуникаций,

факультет информатики и систем управления, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва

Аннотация: в данной статье проводится сравнение алгоритмов обработки цифровых изображений, а именно алгоритмов гистограммной эквализации. Рассматриваются три алгоритма: глобальной гистограммной эквализации (НЕ), адаптивной гистограммной эквализации (АНЕ), адаптивной эквализации гистограммы с ограничением контрастности (СЬАНЕ). Результат работы, описанной в статье -визуальное сравнение работы алгоритмов на одинаковых изображениях.

Ключевые слова: гистограмма изображения, гистограммная эквализация изображений, ЦОИ, компьютерное зрение, АНЕ, СЬАНЕ.

Для повышения качества изображения необходимо увеличить яркостный диапазон, контрастность, резкость, четкость . В совокупности эти параметры может улучшить эквализация гистограммы изображения. При определении контуров объектов в большинстве случаев достаточно данных, которые содержатся в полутоновом изображении. Полутоновое изображение - изображение, содержащее информацию только о яркости, но не о цвете пикселей. Соответственно, построение гистограммы целесообразно проводить для полутонового изображения.

Пусть рассматриваемое изображение состоит из п пикселей с интенсивностью (яркостью) г в диапазоне от 0 до 2Ьрр, где Ьрр - количество бит, выделенное для кодирования яркости одного пиксела. В большинстве цветовых моделей для кодирования

яркости одного цвета одного пиксела требуется 1 байт. Соответственно, интенсивность пикселя определена на множестве от 0 до 255 . График зависимости количества пикселей на изображении с интенсивностью г к самой интенсивности называется гистограммой изображения. На рис. 1 представлен пример тестовых изображений и гистограмм, построенных на основе этих изображений:

Рис. 1. Тестовые изображения и их гистограммы

Очевидно, что, изучив соответствующую гистограмму, можно сделать выводы и об исходном изображении. Например, гистограммы очень тёмных изображений характеризуются концентрацией ненулевых значений гистограммы около нулевых уровней яркости, а для светлых изображений наоборот - все ненулевые значения собраны в правой части гистограммы.

Алгоритмы эквализации гистограммы являются популярными алгоритмами для улучшения обрабатываемого полутонового изображения. В целом, HE-алгоритмы (Histogram Equalization) имеют сравнительно невысокую вычислительную стоимость и при этом показывают высокую эффективность. Суть работы данного типа алгоритмов заключается в регулировании уровней полутонового изображения в соответствии с функцией распределения вероятности данного изображения (1) и, как следствие, увеличивается динамический диапазон распределения яркости. Это приводит к улучшению визуальных эффектов,

таких как: яркостный контраст, резкость, четкость.

p(i) = -, i = 0. .255, п

где p(i) - вероятность появления пикселя яркостью i, нормализованная функция гистограммы исходного изображения, к- координаты пикселя обрабатываемого изображения, g(k) - эквализированное изображение .

Алгоритмы эквализации гистограммы разделяют на два типа: локальная (адаптивная) эквализация гистограммы и глобальная эквализация гистограммы. В глобальном методе строится одна диаграмма и производится эквализация гистограммы всего изображения целиком (рис. 3 а). В локальном методе (рис. 3б) производится построение большого количества гистограмм, где каждая гистограмма соответствует лишь части обрабатываемого изображения. При таком методе улучшается локальный контраст

изображения, что позволяет в целом получить лучшие результаты обработки.

Алгоритмы локальной обработки можно разделить на следующие типы: перекрывающиеся блоки локальной обработки, неперекрывающиеся блоки локальной обработки и частично перекрывающиеся блоки локальной обработки (рис. 2).

Рис. 2. Иллюстрация работы различных типов алгоритмов локальной обработки изображения: а) перекрывающиеся блоки локальной обработки, б) неперекрывающиеся блоки локальной обработки, в) частично перекрывающиеся блоки локальной обработки

Алгоритм перекрывающих блоков дает наилучший результат обработки, но является самым медленным среди перечисленных. Алгоритм неперекрывающихся блоков -наоборот, требует меньшее время на обработку при прочих равных, но так как обрабатываемые блоки не накладываются друг на друга, возможны резкие перепады яркостей на итоговом изображении. Компромиссным решением является алгоритм частично перекрывающихся блоков. К недостаткам адаптивных алгоритмов эквализации гистограмм относится сверхусиление (over-amplification) параметров изображения и возможное за счет этого увеличение шумов на итоговом изображении .

Улучшенным вариантом вышерассмотренного алгоритма является алгоритм адаптивной эквализации гистограммы с ограничением контрастности (contrast limited adaptive histogram equalization - CLAHE) (рис. 4в). Главной особенностью данного алгоритма является ограничение

диапазона гистограммы на основе анализа значений яркости пикселей в обрабатываемом блоке (2), тем самым результирующее изображение выглядит более естественным и менее зашумленным .

где add - коэффициент приращения значения функции гистограммы, пс - количество пикселей, превышающих пороговое значение. Иллюстрация изменения гистограммы приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Ограничение диапазона гистограммы в алгоритме CLAHE

Стоит отметить, что в классическом алгоритме СЬЛИБ используется билинейная интерполяция для устранения границ между обрабатываемыми блоками.

Рис. 4. Результаты работы алгоритмов эквализации гистограмм: а) глобальная эквализация гистограммы (НЕ), б) адаптивная эквализация гистограммы (АНЕ), в) адаптивная эквализация гистограммы с ограничением контрастности (СЬАНЕ)

При визуальном сравнении результатов обработки наилучшим методом является CLAHE (рис. 3в). На изображении, обработанном данным методом, меньше шума, чем на изображении, обработанным методом AHE, а также яркостная контрастность более естественна. По сравнению с изображением, обработанным методом глобальной эквализации, метод CLAHE повышает четкость мелких и размытых деталей обрабатываемого изображения, а также повышает контрастность, но не так утрированно, как в случае выполнения метода AHE. Также ниже приведена таблица оценки времени выполнения рассматриваемых методов в среде программирования MATLAB 2016.

Таблица 1. Оценка времени выполнения рассматриваемых

Время выполнения

Название программы с Время выполнения

метода рассматриваемым методом, c метода, c

CLAHE 0.609 0.519

Список литературы

1. Чичварин Н.В. Обнаружение и распознавание сигналов // Национальная библиотека им. Н.Э. Баумана [Электронный ресурс] 2016, Режим доступа: https://ru.bmstu.wiki/Коррекция_яркости_и_контрастности_ изображений (дата обращения: 03.05.2019).

2. Гонзалез Р.К. , Вудс Р.Е. . Digital Image Processing, 3-e издание, Нью-Джерси: Пирсон Эдьюкейшн, 2008. 950 c.

3. Гупта С. , Каур Ю. . Review of Different Local and Global Contrast Enhancement Techniques for a Digital Image // International Journal of Computer Applications [Электронный ресурс] 2014, URL: https://pdfs.semanticscholar.org/7fb1/bf8775a1a1eaad9b3d1f4 5bc85adc5c3212f.pdf (Дата обращения: 3.05.2019).

4. Ма Дж. , Фан Кс. , Янг С. Кс. , Занг Кс. , Зцу Кс. . Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization Based Fusion for Underwater Image Enhancement // Preprints [Электронный ресурс] 2017, URL: https: //www. preprints. org/manuscript/201703.0086/v 1 (Дата обращения: 3.05.2019).