dijital görüntü - Geomatik Mühendisliği Bölümü

dijital görüntü - Geomatik Mühendisliği Bölümü

Dijital Görüntü İşleme (JDF338)
Yrd. Doç. Dr. Saygın ABDİKAN
2014-2015 Öğretim Yılı Bahar Dönemi
1
Dijital görüntü işlemede temel kavramlar



Sayısal Görüntü İşleme; bilgisayar yardımı ile raster verilerin (uydu
görüntüleri) işlenmesiyle özelliklerinin ve görüntüsünün
değiştirilmesi sonucu yeni bir görüntü oluşturulmasıdır
Yorumlanarak anlamlı bilgiler elde edilir.
Bilgisayarda algoritmalarla 3B gerçek dünyaya ilişkin detayların
tanımlanması?
2
Görüntü uygulamaları

Bilgisayarla görme (Computer vision)
 Görüntülerin işlenmesi, analizi ve anlaşılmasına
yönelik methodlar
 Gerçek dünyaya ait sayısal, simgesel bilgilerin
üretilmesi,
 Karar verme
 İnsan işlevini azaltma,
 Görsel bilginin gösterimi, erişim


Yapay zeka; bilgisayarların anlama ve öğrenme
Otomatize etme
3
Bilgisayarla görme
Güvenlik, izleme
Sosyal medya
Digital art
Sağlık
Yerbilimleri
4
Dijital görüntünün temelleri




İnsan görme sistemi
Işığın çok kanallı ve pankromatik dalga boyları her biri birer
algılama sistemi olan gözlerimiz yardımı ile algılanır.
Göz fotoğraf makinası gibi düşünülürse beynin görme bölümü de
sayısal görüntü işleme sistemidir.
Analog sistem
5


Lens esnektir, göze giren
ışığın şiddetine göre
kalınlaşır, incelir
Nesne görüntüsü retinaya
düşer
http://cf.hum.uva.nl/narratology/a06_eoffe.html
6
http://alikoker.name.tr
7
Parlaklık
adaptasyonu:
Gözlerin farklı
kontrastlara adapte
olması
 Kontrast duyarlılığı:
iki parlaklık düzeyi
birbirinden
ayırabilme

www.allaboutvision.com
8
Göz yanılsaması
http://alikoker.name.tr
9
Göz yanılsaması
10
Lineer perspektif
education-portal.com
11
Algılama
http://www.psy.ritsumei.ac.jp/~akitaoka/uzumakie.html
12
Optik sistemler
Algılayıcı
mercek tipi
 Ocak uzaklığı
 Diyafram
 Işık yoğunluğu
 Yüzey özelliği

13
Optik sistemler
(Lensler) gelen
enerjine bağlı
olarak algılayıcıda
görüntü oluşturur.
 Görüş alanı odak
uzaklığına
bağlıdır.

openhighschoolcourses.org
14
Kameranın kalibrasyonu
 İç yöneltme elemanları (Görüntü-piksel koord)
 Dış yöneltme elemanları (Kamera sistemiarazi)

15

İç yöneltme: Metrik bir kamerada tam bir
merkezsel izdüşüm söz konusudur.
kamera odak/asal uzaklığı
 asal noktanın koord


Dış yöneltme: iz düşüm merkezinin
koord, ışın demetinin üç dönme
parametresi
16
http://cmp.felk.cvut.cz/~hlavac/TeachPresEn/11ImageProc/02Ima
geFormationEn.pdf
17
Diyafram

Objektifden geçen
ışığın şiddetini
ayarlar
http://cmp.felk.cvut.cz/~hlavac/TeachPresEn/11ImageProc/03Ge
omOpticsEn.pdf
18
Netlik derinliği, odak derinliği (Depth of field DOF)
https://audster.wordpress.com/tag/cannon/
19
Tek algılayıcı



Gelen enerji, belirli enerji
tipine duyarlı algılayıcı
materyali tarafından voltaja
dönüştürülür
Dönen voltaj, algılayıcıların
gelen enerjiye cevap olarak
verdikleri dalga şeklidir
Dalgaların
sayısallaştırılması sonucu
sayısal bilgi üretilir
20

Doğrusal algılayıcı
şeritleri, şerite dik
yönde hareket
ederek görüntü
sağlar
21
A- Enerji Kaynağı / Aydınlatma
B- Işıma ve atmosfer
C- Hedef nesneyle etkileşim
D- Nesneden yansıyan / yayılan
enerjinin kaydedilmesi
E- Enerjijnin yer istasyonuna iletimi
F- Yorumlama ve analiz
G- Uygulama
http://www.nrcan.gc.ca/
22
UYDU GÖRÜNTÜSÜNÜN
Elde Edilmesi İşlenmesi

A. Enerji Kaynağı: Hedefe bir kaynak tarafından enerji gönderilmesi gerekmektedir. Bu kaynak
hedefi aydınlatır veya hedefe elektromanyetik enerji gönderir. Optik uydular için enerji kaynağı
güneştir, ancak radar uyduları kendi enerji kaynaklarını üzerlerinde taşır ve elektromanyetik enerji
üreterek hedefe yollarlar.

B. Işınım ve Atmosfer: Enerji, kaynağından çıkarak hedefe yol alırken atmosfer ortamından geçer
ve bu yol boyunca bazı etkileşimlere maruz kalır.

C. Hedef ile Etkileşim: Atmosfer ortamından geçen elektromanyetik dalga, hedefe ulaştığında
hem ışınım hem de hedef özelliklerine bağlı olarak farklı etkileşimler oluşur.

D. Enerjinin Algılayıcı Tarafından Kayıt Edilmesi: Algılayıcı hedef tarafından yayılan ve saçılan
enerjiyi algılar, ve buna ilişkin veri kayıt edilir.

E. Verinin İletimi, Alınması : Hedeften toplanan enerji miktarına ait veri algılayıcı tarafından kayıt
edildikten sonra, görüntüye dönüştürülmek ve işlenmek üzere bir uydu yer istasyonuna gönderilir.

F  G. Verinin İşlenmesi: Uydu yer istasyonuna gönderilen veri ön işleme/ işleme adımlarından
sonra çeşitli uygulama alanlarına göre değerlendirilir
Isaac Newton
24
http://vspblog.com/sky_changes_color/




Elektomanyetik enerji birbirini
dik kesen elektrik ve manyetik
alanın oluşturduğu düzleme
dik yönde, c ışık hızı ile
yayılır
Birim zamanda bir noktadan
geçen tepe noktası sayısına
frekans denir
c ışık hızı, λ dalga boyu ve f
frekans olmak üzere;
c= λ x f
25
http://tr.wikipedia.org/wiki/Elektromanyetik_radyasyon
Elektromanyetik spektrum
Fiziksel etkileşimin olmadığı uzaktan algılamada bilgi
aktarımı elektromanyetik ışıma (EMR) ile gerçekleştirilir.
 Görülebilen spektrum insan gözünün görebileceği
elektro manyetik dalga boyu aralığını tanımlar.

26
27
Görüntü işlemede temel kavramlar

Piksel(pixel):picture element sözcüklerinin birleşmesiyle oluşmuştur,
görüntünün birim elemanını ifade eder.

Parlaklık(intensity):x ve y uzaysal boyutlar olmak üzere (x,y), x ve y
koordinatlarında ki pikselin parlaklık değerini gösterir.

Ayrıklaştırma (Digitizing): Analog görüntünün sayısal sistemde
ifade edilebilmesi için önce uzaysal boyutlarda sonlu sayıda ayrık
parçaya bölünmesi (örnekleme, sampling), sonrada herbir parçadaki
analog parlaklık değerinin belli sayıda ayrık sayısal seviyelerden biri
ile ifade edilmesi(kuantalama, quantizing) gerekir.

Çözünürlük (Resolution): görüntünün kaç piksele bölündüğünü,
yani kaç pikselle temsil edildiğini gösterir. Çözünürlük ne kadar
yüksekse, görüntü o kadar yüksek frekansta örneklenmiş olur ve
görüntüdeki ayrıntılar o kadar belirginleşir.

Uzaysal Frekanslar (Spatial Frequencies): Uzaysal boyutlarda belli
bir mesafede parlaklık değerinin değişim sıklığını ifade ederler.
28
Analog ve Sayısal Görüntü
29
Sayısal/Dijital fotoğrafDoğrudan
sayısal kameralarla elde edilir
 Analog fotograf  taranarak (ışık yoğunluğu

ölçülerek) elde edilir

Gri değer
Orijinal fotoğrafda sürekli değer
 Sayısal fotoğrafda kesikli değer
piksel boyutu büyüdükçe kesiklilik artar

30
31
32
33
0 ve 1 kodlanmış piksellerden oluşan
görüntülere ikili görüntü (binary
image) adı verilir.
34
Görüntü gösterimi

Bir sayısal görüntü, analogresmin örneklenmesi ve kuantalanması
sonucunda elemanları reel sayılardan oluşan bir matrix formunda
ifade edilir. Yani f(x,y) şeklindeki bir sayısal görüntü, M satır N
sütundan oluşmuş MxN elemanlı bir matristir.
Önemli görüntü formatları

MATLAB’ındesteklediği önemli görüntü formatları
Başlıca görüntü işleme programlarının desteklediği önemli resim
formatları
 ERDAS .img
 PCI Geomatica .pix

Sayısal Görüntü

Piksel



görüntüyü oluşturan en küçük anlamlı eleman
koordinatı ve her bir piksel alanına karşılık gelen
gri değeri vardır
matris olarak ifade edilir
x
0≤gij≤255
y
Görüntü Nitelikleri
Renk

Her bir piksele ilişkin bir renk söz konusudur. En sık kullanılan renk
uzaylarından biri RGB’dir.

RGB renk uzayı, “Kırmızı” (Red), “Yesil” (Green) ve “Mavi” (Blue) ana
renklerinin belirli oranlarda karısımı ile elde edilen yaklaşık 17 milyon rengi
içerir.
Sekil: RGB uzayına göre renklerin olusturulması
Görüntü Nitelikleri
Renk

Gerçek hayattaki renklerin tamamını yeşil,
kırmızı ve mavinin birleşimleri ile elde
edebiliyoruz. Yandaki şekilden de görüleceği
üzere bu üç renk yüzde 100 karışırsa beyaz,
yüzde 0’lık bir oran olduğunda ise siyah
görüntü elde edilir.

RGB, monitör ve televizyonlarda kullanılan renk
uzayıdır. Bunun yanında CMYK
(cyan, magenta, yellow, ve key -black) adlı
baskılı medyalarda kullanılan diğer bir renk
uzayı daha vardır.
Renkli görüntüler
40
Renk algısı
brightness
41
Renk algısı



Renk: rengin baskın dalga
uzunluğunu belirler,
örneğin sarı, mavi, yeşil.
Açısal bir değerdir 0° 360°
Parlaklık: Rengin aydınlığı
(içindeki beyaz oranını
belirler)
Doygunluk: Rengin
canlılığı (doygunluk çoksa
canlı renkler)
42
Görüntü Nitelikleri
Renk
Aşağıda 32bit uzunluğunda bir renk kodu (gerçek renk) olduğu
varsayılsın.
Şekilden de görüleceği üzere ilk 8 bit kırmızı, ikinci 8 bit yeşil, üçüncü 8
bit mavi için ayrılmıştır. Son 8 bit ise piksellerin saydamlık bilgisini tutan
alfa kanalı olarak adlandırılır.
8
Kırmızıya tahsis edilen ilk 8 bitte kırmızı, 2 = 256 adet farklı renk tonu
alabilir.
8
Yeşile tahsis edilen ikinci 8 bitte yeşil, 2 = 256 adet farklı renk tonu
alabilir.
8
Maviye tahsis edilen üçüncü 8 bitte mavi 2 = 256 adet farklı renk tonu
alabilir.
Son 8 bitin renk ile alakası olmadığından; toplamda 256 x 256 x 256 =
16.777.216 farklı renk elde edilebilir.
12 bit uzunluğunda bir renk kodunda
 İlk 4 bit kırmızı, ikinci 4 bit yeşil, üçüncü
4 bit mavi için ayrıldıysa
 Toplam kaç farklı renk elde edilir?
 (24)3 = 163 = 4096

44
Görüntü Nitelikleri
Renk

Gerçek rengi ifade eden değer, 32 bit yer kaplamasına rağmen
gösterimde ilk 3 bölümdeki 8 bit kullanılır. Farklı gösterimleri
vardır. RGB (125,33,0), RGB (0,0,0), RGB (255, 10, 98) vb…
olabileceği gibi aşağıdaki gibi de heksadesimal şekilde
gösterilebilir. Örneğin;

Beyaz
RGB (FFFFFF) = RGB(255,255,255) =
RGB(11111111,11111111,11111111)

Siyah
RGB (000000) = RGB(0,0,0) = RGB
(00000000,00000000,00000000)
Görüntü Nitelikleri
Renk
RGB Renk Uzayında Yüksek Renk (High Colour) Kavramı:
 Gerçek renk 32 bit ile ifade edilirken yüksek renk 16 bitlik yer
kaplar. Kırmızı için 5 bit, yeşil için 6 bit ve mavi için 5 bit
kullanılır.
 Kırmızıya tahsis edilen 5 bitte kırmızı, 25 = 32 adet farklı renk
tonu alabilir.
 Yeşile tahsis edilen 6 bitte yeşil, 26 = 64 adet farklı renk tonu
alabilir.
 Maviye tahsis edilen 5 bitte mavi 25 = 32 adet farklı renk tonu
alabilir.
 Toplamda; 32 x 64 x 32 = 65.536 farklı renk elde edilebilir.
 RGB (31,63,31) beyazı, RGB(0,0,0) siyahı tanımlar.
RGB Renk Uzayında 256 Renk Kavramı:
256 renk (8 bit)



256 renk (8 bit) kavramında hangi rengin kaç bit yer kaplayacağı
belli değildir. Renk paletinden gerçeğe yakın renk seçmek için
kırmızı, yeşil ve mavi 8 biti en uygun değer şekilde kullanır.
Örneğin bazen kırmızı 2, yeşil 3, mavi 3 bit ile ifade edilince en
canlı renk elde edilirken;
Bazen de kırmızı 3 yeşil 2 mavi 3 bit ile ifade edilince en canlı
renk elde edilir
8 bit renk: 3 bit kırmızı 3 bit yeşil 2 bit mavi

Sistemin 256 renge ayarlı olduğunu fakat 16
bitlik bir resim dosyası açtığımızı varsayalım.
Bu durumda mevcut renklerin değişik
birleşimleri kullanılarak üretilemeyen renge
yakın bir renk oluşturulur ve bu renk üretilmesi
gereken rengin yerine gösterilir. Buna
“dithering” denir. Tabi ki bu yöntemle elde
edilmiş bir resmin kalitesi orijinal resme göre
çok daha düşüktür.
48
Renk derinliği arttıkça; görüntüdeki her bir noktacığın
ifade edilebilmesi için gerekli olan boyut arttığından,
doğru orantılı olarak görüntünün toplam boyutu da
artar. Örneğin 16 bit renk derinliği olan bir fotoğraf,
aynı çözünürlükteki 8 bit renk derinliği olan diğer
fotoğraftan 2 kat daha fazla yer kaplar.
 Sonuç olarak renk derinliği ne kadar fazla olursa, her
bir noktacık gerçek renge o kadar yakın bir renk alır.
Buna karşılık boyutu da o kadar büyük olur.
Günümüzde 32bit yer kaplayan 24bitlik renk derinliği,
dijital paneller için standart olmuş durumdadır.

49
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ

Uydu görüntü verileri birçok farklı algılayıcı
sistemlerden toplanıp farklı yollardan uydu yer
istasyonlarına iletilse de alınan tüm görüntüler bazı
ortak özelliklere sahiptir.
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ
Optik Görüntü
 Genel anlamda, bir görüntü, üç boyutlu gerçek fiziksel uzayın
iki boyutlu bir gösterilimidir. İnsan görme sistemi bir görüntü
girdi verisini mekânsal olarak dağılmış ışık enerjisinin toplamı
olarak algılar.
 Bu şekildeki algılama optik görüntü olarak adlandırılır.
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ
Optik Görüntü
 Analog fotoğraşar, sürekli bir f(x,y) fonksiyonudur.
 f(x,y) fonksiyonunun değeri,
 x,y mekânsal değişkenlerle belirtilen konumdaki genlik (yoğunluk)
 Sürekli bir fonksiyona sahip analog bir görüntü mekânsal değişkenlerine
ve genliğe göre ayrık hale getirilirse sonuçta oluşan ayrık f(x,y)
fonksiyonu dijital görüntü olarak adlandırılır.
 Bu bağlamda uydu görüntüsü hedefin basit bir fotoğraf kamerası ile
çekilen analog bir görüntüsü olmayıp görüntüyü oluşturan dijital veri
setinin toplamından oluşan dijital bir görüntüdür.
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ
Optik Görüntü

Uydu görüntüsü hedefin basit bir fotoğraf kamerası ile
çekilen analog bir görüntüsü olmayıp görüntüyü
oluşturan dijital veri setinin toplamından oluşan dijital bir
görüntüdür.

Analog bir görüntünün dijital görüntüye dönüştürülmesi
ya da “Dijitalleştirme”olarak da adlandırılan bu işlem,
örnekleme (sampling) ve nicemleme (quantizationgenliğin ayrıklaştırılması) adımlarından oluşur.
Görüntü sayısallaştırma
Görüntülerin bilgisayarda işlenebilmesi
için veri formatı bilgisayar ortamının
tanıyabileceği hale getirilmelidir
 Sayısallaştırma (digitizing)
 Fotoğrafın/Görüntünün sayısal hale
dönüştürülmesi
 Analog  Dijital

54

Resmin tarayıcılar ile
sayısal hale
dönüştürülmesi

Uzaktan algılamada
uydulara yerleştirilen
çok kanallı tarayıcılar,
uçaklarda sayısal
kameralar
55



Analog görüntüler sınırlı
spektral aralık içerir (VIS,
NIR)
Taranmış görüntüler
sadece üç (mavi, yeşil,
kırmızı) katmana ayrılır
Çok alımlı fotoğraflarda
komuşu fotoğraflar arası
radyometrik etki
giderilemez
56

Bu da obje tarafından yayılan enerjinin (analog
sinyal) bir algılayıcı tarafından öngörülen
elektromanyetik aralıkta algılanarak sayısal
sinyal haline dönüştürülmesi ile olanaklıdır.
57
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ
Optik Görüntü

Örnekleme sürekli görüntü fonksiyonundan (parlaklık)
dijital eşdeğerine belirli noktalarda yapılan bir geçiştir
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ
Optik Görüntü

Bu örnekleme noktalarının düzlemde sıralanmasıyla oluşan
geometrik ilişki grid olarak tanımlanır.

Gridi oluşturan her bir örnekleme noktası piksel (pixel; picture x
element) olarak adlandırılan bir resim elemanına karşılık gelir.

Diğer bir ifade ile örnekleme işlemiyle dijital bir görüntünün en
küçük birimi olan pikseller elde edilirken nicemleme işlemiyle gri
yoğunluk değerleri (belirli konumda yeryüzü bölgesinden
yansıtılan veya yayılan elektromanyetik enerjinin kaydı - parlaklık
değeri, DN) elde edilmektedir
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ
Raster Veri

Bir pikselin bir veri dosyasında veya görüntüdeki konumu bir
koordinat sistemi ile gösterilir. İki boyutlu koordinat sisteminde,
satır ve sütundan (N x M) oluşangrid sistemi ile belirtilen her bir
piksel konumunun 2 koordinat değeri (x,y) vardır.

Böyle bir grid içinde yer alan görüntü verileri raster veri olarak
adlandırılır.
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ
Raster Veri
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ
Görüntü boyutu

Dijital bir görüntü, elemanları, uzaydaki x,y konumlarına karşılık
gelen noktaları n f(x,y) parlaklık değerlerini içeren bir matristir.

Görüntü verisinin boyutu veri katmanı (bant) sayısı ile saptanır
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ
Görüntü türleri
1. Binari görüntü
En basit görüntü çeşidi olup sadece 0 veya 1 olmak üzere 2 değer (siyah ve beyaz)
alırlar
1-bit color (21 = 2 colors)
2. Gri renk seviyeli görüntü
Monokrom veya tek renkli görüntülerdir. Renk bilgisi içermeyip sadece parlaklık bilgisi
içerirler
3. Renkli görüntü
renk, cisimlerin farklı dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgaları farklı şekilde
yansıtma özellikleri (parlaklık değeri) ile ilişkilidir. Doğal renkli görüntü, elektromanyetik
spektrumun kırmızı, yeşil ve mavi bölgelerinden alınmış dijital görüntülerin bilgisayar
ekranında RGB katmanlarında görüntülenmesi ile elde edilir
4. Çok spektrumlu görüntü
görünür spektrumun dışındaki bölgelerden alınan ve yanlış renkli
görüntü olarak da adlandırılan görüntülerdir. Örneğin morötesi,
kızıl ötesi dalga boyları gibi. Bu tür verilerin kaynağı, uydu
sistemleri,su altı algılama sistemleri, değişik tipteki uçak radarları,
kızıl ötesi görüntüleme sistemleri ve tıbbi tanı görüntüleme
sistemleridir
64
DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ
Görüntü türleri