Home >Documents >Reprezent‚ari neliniare »si operat»ii punctuale pentru...

Reprezent‚ari neliniare »si operat»ii punctuale pentru...

Date post:14-Jan-2020
Category:
View:1 times
Download:0 times
Share this document with a friend
Transcript:
  • UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ BUCUREŞTI FACULTATEA DE ELECTRONICĂ TELECOMUNICAŢII

    ŞI TEHNOLOGIA INFORMAŢIEI

    Reprezentări neliniare şi operaţii punctuale pentru ı̂mbunătăţirea

    imaginilor achiziţionate cu camere fotografice digitale

    Corneliu FLOREA

    Conducător ştiinţiific: prof. dr. ing. Vasile BUZULOIU

    1

  • Reprezentări neliniare şi operaţii punctuale pentru ı̂mbunătăţirea imaginilor achiziţionate cu camere fotografice

    digitale

    Abstract

    Modelele logaritmice de prelucrare a imaginilor constituie o alternativă la soluţia obişnuită, bazată pe operaţii reale, de reprezentare şi procesare a imaginilor. Deşi iniţial aceste modele au fost dezvoltate pentru sisteme ı̂n care fenomenele fizice de bază sunt multiplicative, ulte- rior, prin prisma proprietăţilor matematice demonstrate, au putut fi utilizate ı̂ntr-o multitudine de aplicaţii noi. În această lucrare, rezolvând un simplu exerciţiu de algebră, vom deduce un set de condiţii generale care sunt suficiente pentru elaborarea unor asemenea modele ce vor avea o structură algebrică de spaţiu conic/vectorial. Pe baza acestora condiţii vom construi modele noi, mai simple ca implementare, sau vom extinde funcţionalitatea celor cunoscute prin parametrizare. Aplicaţiile propuse sunt strâns legate de camerele fotografice digitale. O carac- teristica a acestora este modul neliniar de reprezentare a reflectivităţii obiectelor din scenă. Mai precis, vom prezenta problematica amplificării imaginilor subexpuse cu aplicaţii ı̂n atenuarea efectului de mişcare al imaginii şi, respectiv, la extinderea gamei dinamice a imaginilor digitale pentru recuperarea informaţiei pierdute prin fotografiere. A doua aplicaţie este un pas esenţial ı̂ntr-un proces cu cost redus de digitizare a radiografiilor analogice.

    Non-linear image representation and pixel-wise processing for enhancing images acquired with digital cameras

    Abstract

    The Logarithmic Image Processing (LIP) Models represent an alternative to classical oper- ators used in image processing with. Even though initially devised to deal with multiplicative phenomena, later on, thanks to their robust mathematical properties, they became suitable for various other image processing applications. In this paper, by using simple algebraical tools, we derive the set of sufficient conditions to elaborate a non-linear image processing model that complies with the algebraic structure of a cone/vector space. Given this set of conditions, we build new models, which either are simpler to implement or extend the capabilities of known models by means of parametrization. The proposed applications are in the domain of digital still camera and exploit the well-known non-linearity between the real and the acquired reflectances of objects in the scene. More precisely, we shall develop a method for amplifying underexposed images, with direct applications in attenuating the motion blur, and an algorithm to enhance the dynamic range of photographed images; the latter application is essential to the process of digitization of analog radiographs.

  • Cuprins

    1 Introducere 1 1.1 Motivaţie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Premize şi obiective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Structura tezei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

    2 Modele neliniare de prelucrare a imaginilor 6 2.1 Introducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 Fundamente matematice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    2.2.1 Structura algebrică . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.2 Funcţia generatoare – funcţie de compandare . . . . . . . . 14 2.2.3 Funcţia generatoare – funcţie compusă . . . . . . . . . . . . 15 2.2.4 Metrica spaţiului . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    2.3 Modele existente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3.1 Modelul Jourlin – Pinoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3.2 Modelul Pătraşcu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3.3 Modelul Vertan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    2.4 Modele neliniare noi de prelucrare a imaginilor . . . . . . . . . . . 27 2.4.1 Modelul trigonometric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    2.5 Modele liniare pe porţiuni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.5.1 Determinarea parametrilor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    2.6 Parametrizarea modelelor neliniare . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    3 Camere fotografice digitale 40 3.1 Modelul unei camere digitale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

    3.1.1 Tipuri de camere digitale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2 Sistemul optic de lentile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3 Expunerea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

    3.3.1 Valoarea de expunere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.3.2 Amplificarea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

    i

  • CUPRINS

    3.4 Senzorul de imagine. Rezoluţia imaginii . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1 Setul de filtre color optice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2 Celulele fotosensibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

    3.5 Rezoluţia pozei. Dimensiunea scenei . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.6 Algoritmi de procesare a imaginilor . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

    3.6.1 Compensarea curentului de ı̂ntuneric . . . . . . . . . . . . . 57 3.6.2 Reducerea zgomotului. Eliminarea pixelilor defecţi . . . . . 58 3.6.3 Corecţia nivelului de alb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.6.4 Corecţia neliniarităţii dispozitivului de afişare . . . . . . . . 61 3.6.5 Demozaicarea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

    3.7 Estimarea funcţiei de răspuns a camerei . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.7.1 Aproximarea supraexpunerii prin multiplicare logaritmică . 68

    4 Amplificarea imaginilor subexpuse 69 4.1 Premize . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.2 Amplificarea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

    4.2.1 Modelul de amplificare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.2.2 Imaginile de intrare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.3 Algoritmul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

    4.3 Rezultate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

    5 Extinderea gamei dinamice a imaginilor digitale fotografice 79 5.1 Punerea problemei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

    5.1.1 Gama dinamică . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.1.2 Gama dinamică a unui combinaţii de imagini . . . . . . . . 81 5.1.3 Ochiul uman, dispozitive de redare şi camere digitale . . . . 82

    5.2 Achiziţia cadrelor cu expuneri variate . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.3 Tehnici de aliniere a cadrelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

    5.3.1 Metode de aliniere pe bază de divizare ı̂n blocuri . . . . . . 86 5.3.2 Metode de potrivire globală . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

    5.4 Combinarea cadrelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.4.1 Medierea simplă . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.4.2 Anularea pixelilor saturaţi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.4.3 Medierea ponderată . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.4.4 Fuziunea imaginilor cu ajutorul modelelor neliniare . . . . . 93 5.4.5 Supra–cuantizarea imaginilor fuzionate . . . . . . . . . . . . 94 5.4.6 Echilibrarea expunerilor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

    5.5 Fuziunea imaginilor: rezultate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.5.1 Imagini cu gamă dinamică extinsă . . . . . . . . . . . . . . 95

    ii

  • CUPRINS

    5.5.2 Evaluarea imaginilor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.5.3 Analiza rezultatelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

    5.6 Extinderea gamei dinamice a radiografiilor analogice . . . . . . . . 107

    6 Concluzii 110 6.1 Contribuţii personale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.2 Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

    7 Cuvânt de mulţumire 115

    Bibliografie 115

    iii

  • Capitolul 1

    Introducere

    Începutul este ı̂ntotdeauna o problemă pentru că primele cuvinte sunt cele mai im- portante. Există o portiţă de scăpare. Ansel Adams spunea că ”atunci când cuvin- tele devin confuze ne vom concentra pe fotografii. Când imaginile devin inadecvate ne vom acoperi de tăcere”.

    1.1 Motivaţie

    Dintre cele cinci simţuri umane, percepţia vizuală este cea mai importantă. Studii psihologice au arătat că patru cincimi din informaţia acumulată de un om este obţinută pe cale vizuală. Acest lucru este posibil pentru că nişte particule mici, denumite fotoni şi al căror scop este să răspândească informaţie despre lumea ı̂nconjurătoare sunt captate de către ochiul uman, iar conţinutul lor informaţional este descrifrat şi transmis mai departe pentru a fi memorat. Pornind de la o sursă de lumină, ı̂n drumul ei, proprietăţile fizice ale undei fotonice sunt alterate de către suprafeţele obiectelor ı̂ntâlnite. Modificări ale intensităţii de-a lungul unei direcţii pot marc