Trattamento delle Immagini

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1 Università degli Studi di Roma Tor Vergata - Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Medica Trattamento delle Immagini Acquisizione ed elaborazione Le immagini per l occhio Così come i suoni anche le immagini costituiscono una via attraverso la quale si trasmette l informazione e come i suoni, sono legate ad uno dei senso speciali dei sistemi biologici: la vista. Per questo motivo la loro codifica ed elaborazione non può prescindere dalla percezione che hanno gli esseri umani delle immagini e dei colori. Slide 2 of 60 1

2 Le immagini Le immagini sono il risultato di emissioni di segnali elettromagnetici di sorgenti autonome o riflessioni di segnali elettromagnetici di oggetti illuminati da sorgenti emittenti uno spettro di radiazioni ben determinato. Le emissioni elettromagnetiche che ci interessano sono posizionate in un certo range dello spettro elettromagnetico. Le immagini si proiettano sulla retina area semisferica dove vengono pre-elaborate e convertite in segnali elettro-biologici quindi inviate su determinate aree cerebrali dove vengono poi interpretate; le immagini possono anche essere proiettate su uno schermo piano danno luogo ad oggetti bidimensionali. Slide 3 of 60 Le immagini La luce visibile è, come tutte le onde elettromagnetiche formato da segnali oscillatori sinusoidali che coprono uno spettro di circa 300 nm da 400 a 750 nm e l occhio presenta tre zone di sensibilità nell ambito di questo range per tre diverse lunghezze d onda 505 nm 400 nm nm 750 nm Slide 4 of 60 2

3 Lunghezza d'onda Visione a colori fotopica C F velocità di propagazione del segnale nel mezzo frequenza Slide 5 of 60 Le immagini in formato digitale Formato delle immagini in formato bit map (matrice di punti) L immagine può essere pensata come scomposta in un reticolo uniforme di quadrati (griglia) ad ogni quadrato viene assegnato un valore numerico correlato alla quantità di luce emessa o riflessa Formato vettoriale L immagine è costituita da figure od elementi di figure geometriche e punti strategici. Le figure geometriche sono funzioni matematiche che vengono calcolate e disegnate a partire dai loro punti strategici. Una retta è definita dalla sua equazione y= mx + c e dal punto P 0 (X 0,Y 0 ) del piano in cui deve passare Un segmento ha bisogno dell equazione e di due punti P 0 (X 0,Y 0 ) dove inizia e P 1 (X 1,Y 1 ) dove finisce. Slide 6 of 60 3

4 Quantizzazione a 8 bit, 256 livelli di grigio Nero =0 Bianco= 255 (127,255,127,255, ) 30 * 18 = 540 pixel - valori Immagini in formato bit map Griglia di n elementi per riga (30) m elementi per colonna (18) colonne Slide 7 of 60 Parametri delle immagini (Risoluzione) Risoluzione Spaziale coppie di linee / mm R = 1 / (2*h) h min =1 / (2*R max ) Pixels / mm Risoluzione Temporale immagini / secondo o img/min o img/ora Risoluzione Ampiezza minimo i rilevabile ( i variazione di intensità luminosa) è correlata con il contrasto in quanto l occhio umano è più sensibile alle variazioni che non al valore assoluto dell intensità luminosa alle basse intensità luminose l occhio umano riesce a percepire al massimo 50 livelli tra il bianco e nero (livelli di grigio) Slide 8 of 60 4

5 Immagini in formato bit map Campionamento delle immagini in formato bit map Le immagini possono essere di tipo monocromatico oppure a colori che hanno un maggior contenuto informativo Nelle immagini monocromatiche il singolo spazio (dot o pixel) viene valorizzato assegnando un valore rapportato al valore della sola intensità luminosa emessa o riflessa. Nelle immagini policromatiche avendo maggior contenuto informativo occorrono più valori ed oltre alla stessa luminosità occorre aggiungere i valori di crominanza per tre colori considerati primari. Rosso Verde Blu (RGB) red- green-blue Slide 9 of 60 CIE Commissione internazionale per l illuminazione (modello xyy) Diagramma cromatico CIE Parole chiave visione - percezione visiva diagramma tricromatico CIE Slide 10 of 60 5

6 Premesso che non esistono colori primari ma solo modelli matematici che permettono grazie all associazione di varie tinte di ottenerne delle altre Il colore primario può essere pensato come quel colore non ottenibile dalla combinazione di altri ma che in combinazione con un altro produce un nuovo colore Colori primari nella sintesi additiva sono Rosso Verde Blu da cui la sigla RGB (Red Green Blue) La sintesi additiva è definita per la mescolanza di colori prodotti da sorgenti attive emittenti Colori primari nella sintesi sottrattiva sono Ciano-Magenta-Giallo CMYK (Cyan Magenta Yellow K key black) La sintesi sottrattiva è definita per la mescolanza dei colori ottenuti dall illuminazione con sorgenti attive su oggetti non emittenti. E improntata al risultato ottenuto in base alle lunghezze d onda emesse dall illuminatore e riflesse dall oggetto illuminato. (non assorbite dall oggetto illuminato). Mescolanze dei colori Sintesi additiva Assorbe il ciano Sintesi sottrattiva Slide 11 of 60 Spettri di emissione Spettro solare in un giorno sereno con il sole all'incirca al suo zenit. Spettri di emissione di tre tipologie di lampade Alogena (filamento) Fluorescente LED Slide 12 of 60 6

7 Sensori d immagine Esistono due tipologie di sensori d immagine tutti a matrice bidimensionale e tricromatici Strato filtri Strato sensori DSP DSP DSP Sensore a largo spettro con filtro sovrapposto E necessario effettuare l interpolazione su ogni pixel per calcolare il valore dei colori non rilevati dal pixel LUCE Sensori selettivi stratificati Rosso Verde Slide Blu 13 of Elettronica 47 DSP Digital Signal Processing Slide 13 of 60 Sensori artificiali Slide 14 of 60 7

8 Risoluzione spaziale Con risoluzione spaziale si intende il numero di elementi che vengono rappresentati per un certo spazio piano e viene espressa in varie unità di misura ma sempre come elementi / lunghezza nelle due direzioni spaziali Es. pixel/pollice o pixel/ cm o dot/cm etc. Qualità dell immagine La stessa area fisica è rappresentata da un maggior numero di valori 75 pixel / pollice = 50x12 = 600 valori 300 pixel / pollice = 200x48 = 9600 valori Slide 15 of 60 Risoluzione di acquisizione La quantità di informazione associata ad una immagine essendo essa una superficie si incrementa con il quadrato della risoluzione Se consideriamo un pollice quadrato di superficie dpi (dot / inch) Risoluzione 50 dpi Risoluzione 100 dpi Risoluzione 200 dpi Risoluzione 400 dpi elementi elementi elementi elementi Slide 16 of 60 8

9 Profondità del colore Avendo convenzionalmente stabilito che con i tre colori di base RGB è possibile, combinandoli opportunamente, ottenere una buona riproduzione dei colori naturali, per profondità del colore si intende il numero di bit utilizzati per rappresentare l intensità di ogni singolo colore base. Il pixel se rappresentato con: 1 bit può essere solo acceso o spento 4 bit può assumere 16 (2 4 ) diverse configurazioni (colori) 8 bit può assumere 256 (2 8 ) diverse configurazioni 16 bit può assumere (2 16 ) diverse configurazioni 18 bit può assumere (2 18 ) diverse configurazioni 24 bit può assumere (2 24 ) diverse configurazioni Slide 17 of 60 Rappresentazione dei colori Rappresentazione con Red Green Blue Angolo Saturazione Luminosità Slide 18 of 60 9

10 BMP Bit MaP (formato origine) true color GIF (Graphic Interchange Format) 8 bit si basa su tavolozza precostituita PNG (Portable Network Graphics) true color Formato immagini JPG (Joint Photographic Expert Group) true color anche indicato con JPEG, con perdita di dettagli poco percepibili dall occhio la profondità e la risoluzione possono essere definite dall utente con maggior perdita di dati TIF (Tagged Image File Format) true color 32 bit RAW ( grezzo ) formato nato dalle specifiche dei sensori per l acquisizione di immagini fotografiche memorizza i dati grezzi prodotti direttamente dal sensore per poi essere successivamente elaborati Slide 19 of 60 Organizzazione dati BMP Immagine da 10 pixel per riga 10 colonne 5 righe 41 Ordine di lettura Byte della colonna di pixel bianchi Contenuto del file espresso in esadecimale Slide 20 of 60 10

11 Università degli Studi di Roma Tor Vergata - Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Medica Video Immagini Sequenze di immagini Frame rate tale da far percepire il movimento fluido L'occhio ha una risoluzione temporale di circa 100 msec, immagini con frequenza di ripetizione di 10 frame/sec si percepiscono Slide 22 of 60 11

12 Gli standard televisivi dovendosi adattare alla frequenza di distribuzione dell energia, per evitare fastidiose interferenze (frequenza di rete) prevedono 25 o 30 immagini / sec. Video Inoltre per evitare effetti di sfarfallamento nei monitor CRT (catode ray tube) e per generare un segnale a banda stretta, fu attuato il meccanismo dell interlacciamento (ogni immagine è formata da due semiquadri di scansione, il primo dalle righe pari ed il secondo dalle righe dispari dell immagine ) A Slide 23 of 60 Interlacciamento Progressivo originale Analogico Interlacciato Alta definizione Interlacciato con filtro anti aliasing Bassa definizione Slide 24 of 60 12

13 Nel caso dell'immagine si considerano i campioni su un certo numero di pixel sia orizzontale che verticale Segnali sinusoidali nell'immagine 2 cicli su 30 elementi d'immagine 10 cicli su 30 elementi d'immagine Per ottenere la stessa qualità dell'immagine di 2 cicli su una frequenza di 10 cicli è necessario passare da 30 a 150 pixel Slide 25 of 60 Segnali sinusoidali nell'immagine Immagine sotto-campionata con conseguente perdita di informazione e presenza di segnale alias di 1 ciclo su 30 elementi di immagine 29 cicli su 30 elementi d'immagine 30 cicli su 30 elementi d'immagine Slide 26 of 60 13

14 Monoscopio Immagini per la calibrazione monitor HD 1920 x 1080 Slide 27 of 60 Monoscopio Area sottocampionata Area limite di campion. Slide 28 of 60 14

15 Test TV full HD 1920 x 1080p 2D 3D SBS You Tube Slide 29 of 60 Test TV full HD 1920 x 1080p 2D 3D SBS 24 livelli di luminosità per colore e scala grigi Slide 30 of 60 15

16 Lo standard televisivo europeo interlacciato prevede 25 frame /sec di 625 righe e 50 field / sec. di 312,5 righe Lo standard televisivo americano interlacciato prevede 30 frame/ sec. di 525 righe e 60 field/ sec. di 262,5 righe Video Altra metodica è quella di tipo progressivo, dove i punti immagine vengono generati in sequenza riga per riga (non interlacciato) Informazioni più approfondite possono essere reperite attraverso i motori di ricerca con parole chiave come: Standard televisivi, immagini interlacciate, immagini progressive, storia della televisione. * A * * Slide 31 of 60 Facciamo un po di conti per 50 quadri/sec Per ogni singolo pixel quantizzato su 256 liv. (8 bit) 50 quadri/ sec * 3 canali (RGB) 150 Byte/sec. per pixel ( 50 B/sec rosso, 50 B/sec verde, 50 B/sec blu) Per una immagine bassa risoluzione 800* px * 50 Byte/sec = Byte /sec per colore px * 150 Byte/sec = Byte / sec. per i tre colori Tempo di conversione per un solo ADC Per un solo ADC Tc = 13,8 E-9 circa 14 nsec (tempo a disposizione per la quantizzazione per singolo pixel per singolo colore) Per una immagine in HD 1920 * * 150 = B / sec. Tc un solo ADC Tc tre ADC Tc = 3,215 E-9 = 3 nsec Tc = 9 nsec La quantità di informazione così generata è troppo grande per poter essere inviata in modo efficiente!!! Tc tempo di conversione del convertitore Analogico / Digitale ADC Slide 32 of 60 16

17 Facciamo un po di conti per 25 quadri/sec Per ogni singolo pixel quantizzato su 256 liv. (8 bit) 25 sample / sec * 3 canali (RGB) 75 Byte/sec. per pixel Per una immagine bassa risoluzione 800* px * 75 Byte/sec = B / sec. Tempo di conversione per un solo ADC Per un solo ADC Tc = 27,7 E-9 cirac 28 nsec (tempo a disposizione per la quantizzazione) Per una immagine in HD 1920 * * 75 = Byte / sec. Tc un solo ADC Tc tre ADC Tc = 6,43 E-9 = 7 nsec Tc = 21 nsec (tempo a disposizione per la quantizzazione singolo AD) Anche in queste condizioni la quantità di informazione così generata è troppo grande per poter essere inviata in modo efficiente!!! Tc tempo di conversione del convertitore Analogico / Digitale ADC Slide 33 of 60 Video Possiamo così dire che ogni singolo pixel dell immagine rappresenta un singolo segnale di variazione di intensità luminosa nel tempo alla stessa stregua di un segnale audio campionato. In effetti quando si considera l immagine a colori è necessario riferirsi a ben tre segnali variabili nel tempo, uno per ogni colore primario. Oggi sul mercato sono disponibili oggetti denominati DSP (Data Signal Procesing) realizzati sullo stesso supporto dei sensori che provvedono alla pre-elaborazione e serializzazione del segnale digitale. Slide 34 of 60 17