کامپیوتر 18. پردازش تصویر

پردازش تصویر
چکیدهابزارهای پردازش تصویر همانند فتوشاپ و GIMP مجموعه ای از فیلترهایی را ارائه می دهند که شما می تواتنید بر روی تصاویرتان بکار برید تا تاثیرات خاصی را بر روی آن ها ایجاد کنید. زمانی که شما از یک میانجی کمکی (نرم افزارها) استفاده می کنید, استفاده از این افکت ها بسیار اغوا کننده می باشد. برای نمونه شما از فیلتری برای محو کردن عناصر در UI استفاده می کنید.شما همچنین می توانید به افزایش روشنایی یک تصویر با جا به جا کردن ماوس بر روی اجزای آن بپردازید.

پاورپوینت- اصول پردازش تصویر- در 50 اسلاید-powerpoint



خلاصه پردازش تصاویر امروزه بیشتر به موضوع پردازش تصویر دیجیتال گفته می‌شود که شاخه‌ای از دانش رایانه است که با پردازش سیگنال دیجیتال که نماینده تصاویر برداشته شده با دوربین دیجیتال یا پویش شده توسط پویشگر هستند سر و کار دارد.
پردازش تصاویر دارای دو شاخه عمدهٔ بهبود تصاویر و بینایی ماشین است. بهبود تصاویر در برگیرندهٔ روشهایی چون استفاده از فیلتر محوکننده و افزایش تضاد برای بهتر کردن کیفیت دیداری تصاویر و اطمینان از نمایش درست آنها در محیط مقصد(مانند چاپگر یا نمایشگر رایانه)است، در حالی که بینایی ماشین به روشهایی می‌پردازد که به کمک آنها می‌توان معنی و محتوای تصاویر را درک کرد تا از آنها در کارهایی چون رباتیک و محور تصاویر استفاده شود.
در معنای خاص آن پردازش تصویر عبارتست از هر نوع پردازش سیگنال که ورودی یک تصویر است مثل عکس یا صحنه‌ای از یک فیلم. خروجی پردازشگر تصویر می‌تواند یک تصویر یا یک مجموعه از نشانهای ویژه یا متغیرهای مربوط به تصویر باشد. اغلب تکنیک‌های پردازش تصویر شامل برخورد با تصویر به عنوان یک سیگنال دو بعدی و بکاربستن تکنیک‌های استاندارد پردازش سیگنال روی آنها می‌شود. پردازش تصویر اغلب به پردازش دیجیتالی تصویر اشاره می‌کند ولی پردازش نوری و آنالوگ تصویر هم وجود دارند. این مقاله در مورد تکنیک‌های کلی است که برای همه آنها به کار می‌رود. در هر سیستمی و با هر عملکردی برای تصمیم گیری به داده های ورودی احتیاج داریم. این ورودی ها میتوانند از یک سنسور صوتی, سنسور فاصله سنج , سنسور مادون قرمز , میکروفن و با تصاویر ارسالی از یه دوربین باشد.  امروزه پردازش تصویر بهترین ابزار برای استخراج ویژگی ها و تحلیل موقعیت و در نهایت تصمیم گیری صحیح می باشد. در مورد انسان نیز به همین صورت است, اطلاعات از طریق چشم به مغز ارسال می شوند و مغز با پردازش این اطلاعات تصمیم نهایی را گرفته و فرمان را صادر می کند. هدف از پردازش تصویر پیاده سازی عملکرد ذهن انسان در قبال داده ها و انجام پردازش های خاصی برای استخراج ویژگی مورد نیاز برای رسیدن به هدف از پیش تعیین شده می باشد. 
مقدمه تاریخچه پردازش تصویر از سال 1964 تاکنون، موضوع پردازش تصویر، رشد فراوانی کرده است. علاوه بر برنامه تحقیقات فضایی، اکنون از فنون پردازش تصویر، در موارد متعددی استفاده می شود. گر چه اغلب این مسائل با هم نامرتبط هستند، اما عموما نیازمند روش هایی هستند که قادر به ارتقای اطلاعات تصویری برای تعبیر و تحلیل انسان باشد. برای نمونه در پزشکی شیوه های رایانه ای Contrast تصویر را ارتقا می دهند یا این که برای تعبیر آسانتر تصاویر اشعه ایکس یا سایر تصاویر پزشکی، سطوح شدت روشنایی را با رنگ، رمز می کنند. متخصصان جغرافیایی نیز از این روش ها یا روش های مشابه برای مطالعه الگوهای آلودگی هوا که با تصویر برداری هوایی و ماهواره ای بدست آمده است، استفاده می کنند. در باستان شناسی نیز روش های پردازش تصویر برای بازیابی عکس های مات شده ای که تنها باقی مانده آثار هنری نادر هستند، مورد استفاده قرار می گیرد. در فیزیک و زمینه های مرتبط، فنون رایانه ای بارها تصاویر آزمایش های مربوط به موضوعاتی نظیر پلاسماهای پرانرژی و تصاویر ریزبینی الکترونی را ارتقا داده اند. کاربردهای موفق دیگری از پردازش تصویر را نیز می توان در نجوم، زیست شناسی، پزشکی هسته ای، اجرای قانون، دفع و صنعت بیان کرد. در اوایل دهه 60 سفینه فضایی رنجر 7 متعلق به ناسا شروع به ارسال تصاویر تلویزیونی مبهمی از سطح ماه به زمین کرد. استخراج جزئیات تصویر برای یافتن محلی برای فرود سفینه آپولو نیازمند اعمال تصمیماتی روی تصاویر بود. این کار مهم به عهده لابراتوار (JPL) Jet Propulsionقرار داده شد.  بدین ترتیب زمینه تخصصی پردازش تصاویر رقومی آغاز گردید و مثل تمام تکنولوژی‌های دیگر سریعاً استفاده های متعدد پیدا کرد.     عملیات اصلی در پردازش تصویر فشرده‌سازی تصاویر برای ذخیره‌سازی تصاویر باید حجم اطلاعات را تا جایی که ممکن است کاهش داد و اساس تمام روش‌های فشرده‌سازی کنار گذاردن بخش‌هایی از اطلاعات و داده‌ها است. ضریب یا نسبت فشرده‌سازی است که میزان و در صد کنار گذاشتن اطلاعات را مشخص میکند. این روش ذخیره‌سازی و انتقال اطلاعات را آسان‌تر می‌کند و پهنای‌باند و فرکانس مورد نیاز کاهش می‌یابد. امروزه روش‌هایی متعدد و پیشرفته برای فشرده‌سازی وجود دارد. فشرده‌سازی تصویر از این اصل مهم تبعیت می‌کند که چشم انسان حد فاصل دو عنصر تصویری نزدیک به هم را یکسان دیده و تمایز آنها را نمی‌تواند تشخیص دهد. همچنین اثر نور و تصویر برای مدت زمان معینی در چشم باقی مانده و از بین نمی‌رود که این ویژگی در ساخت تصاویر متحرک مورد توجه بوده‌است. روش JPEG نام این فرمت در واقع مخفف کلمات JOINT PHOTOGRAPHIC EXPERT GROUP است. از این روش در فشرده‌سازی عکس و تصاویر گرافیکی ساکن استفاده میشود JPEG اولین و ساده‌ترین روش در فشرده‌سازی تصویر است به همین دلیل در ابتدا سعی شد برای فشرده‌سازی تصاویر متحرک مورد استفاده قرار گیرد. برای این منظور تصاویر به صورت فریم به فریم مانند عکس فشرده می‌شدند وبا ابداع روش MOTION JPEG برای ارتباط دادن این عکس‌ها به هم تلاش شد که با مشکلاتی همراه بود. روش MPEG          نام این فرمت مخفف عبارت MOVING PICTURE EXOERT GROUP است. این روش در ابتدای سال ۹۰ ابداع شد و در آن اطلاعات تصویر با سرعت حدود ۵/۱ مگابیت بر ثانیه انتقال پیدا میکرد که در تهیه تصاویر ویدئویی استفاده می‌شد. با این روش امکان ذخیره حدود ۶۵۰ مگابایت اطلاعات معادل حدود ۷۰ دقیقه تصویر متحرک در یک دیسک به وجود آمد. در MPEG بیت‌های اطلاعات به صورت سریال ارسال می‌شوند و به همراه آنها بیت‌های کنترل و هماهنگ‌کننده نیز ارسال میشوند که موقعیت و نحوه قرارگیری بیت‌های اطلاعاتی را برای انتقال و ثبت اطلاعات صدا و تصویر تعیین میکند. روش MP3 MP3 نیز روشی برای فشرده سازی اطلاعات صوتی به ویژه موسیقی است که از طریق آن حجم زیادی از اطلاعات صوتی در فضای نسبتاً کوچکی ذخیره میشود. روش MPEG 4 از این روش برای تجهیزاتی که با انتقال سریع یا کند اطلاعات سرو کار دارند استفاده میشود. این روش توانایی جبران خطا و ارائه تصویر با کیفیت بالا را دارد. مسئله خطا و جبران آن در مورد تلفن‌های همراه و کامپیوترهای خانگی و لپ‌تاپ‌ها و شبکه‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است. در شبکه‌های کامپیوتری باید تصویر برای کاربرانی که از مودم‌های سریع یا کند استفاده می‌کنند به خوبی نمایش داده شود، در چنین حالتی روش MPEG 4 مناسب است. از این روش در دوربین‌های تلویزیونی نیز استفاده میشود. ایده اصلی این روش تقسیم یک فریم ویدئویی به یک یا چند موضوع است که مطابق قاعده خاصی کنار هم قرار میگیرند مانند درختی که از روی برگ‌های آن بتوان به شاخه تنه یا ریشه آن دست یافت. هر برگ میتواند شامل یک موضوع صوتی یا تصویری باشد. هر کدام از این اجزا به صورت مجزا و جداگانه قابل کپی و یا انتقال هستند. این تکنیک را با آموزش زبان می‌توان مقایسه کرد. همان‌طوری‌که در آموزش زبان کلمات به صورت مجزا و جداگانه قرار داده میشوند و ما با مرتب کردن آن جملات خاصی می‌سازیم و می‌توانیم در چند جمله، کلمات مشترک را فقط یک‌بار بنویسیم و هنگام مرتب کردن آن‌ها به کلمات مشترک رجوع کنیم، در اینجا هم هر یک از این اجزا یک موضوع خاص را مشخص می‌کند و ما می‌توانیم اجزا مشترک را فقط یک‌بار به کار ببریم و هنگام ساختن موضوع به آنها رجوع کنیم. هر یک از موضوعات هم می‌توانند با موضوعات دیگر ترکیب و مجموعه جدیدی را بوجود آورند. این مسئله باعث انعطاف‌پذیری و کاربرد فراوان روش MPEG4 می‌شود. برای مثال به صحنه بازی تنیس توجه کنید. در یک بازی تنیس میتوان صحنه را به دو موضوع بازیکن و زمین بازی تقسیم کرد زمین بازی همواره ثابت است بنا بر این بعنوان یک موضوع ثابت همواره تکرار می‌شود ولی بازیکن همواره در حال حرکت است و چندین موضوع مختلف خواهد بود. این مسئله سبب کاهش پهنای باند اشغالی توسط تصاویر دیجیتالی میشود. توجه داشته باشید که علاوه بر سیگنال‌های مربوط به این موضوعات سیگنال‌های هماهنگ کننده‌ای هم وجود دارند که نحوه ترکیب و قرارگیری صحیح موضوعات را مشخص می‌کند. تصاویر رقومی(دیجیتالی) تصاویر سنجش شده که از تعداد زیادی مربعات کوچک(پیکسل) تشکیل شده‌اند. هر پیکسل دارای یک شماره رقمی(Digital Number) میباشد که بیانگر مقدار روشنایی آن پیکسل است. به این نوع تصاویر، تصاویر رستری هم میگویند.تصاویر رستری دارای سطر و ستون میاشند. مقادیر پیکسلها مقدار انرژی مغناطیسی که یک تصویر رقومی به هنگام تصویر برداری کسب میکند، رقم‌های دوتایی(Digit binary) یا بیت ها(Bits) را تشکیل میدهند که از قوه صفر تا ۲ ارزش گذاری شده‌است.هر بیت، توان یک به قوه ۲ (۱بیت=۲۱)میباشد. حداکثر تعداد روشنایی بستگی به تعداد بیت‌ها دارد. بنابراین ۸ بیت یعنی ۲۵۶ شماره رقومی که دامنه‌ای از ۰ تا ۲۵۵ دارد.به همین دلیل است که وقتی شما تصویر رستری از گیرنده خاصی مانند TM را وارد [[نرم افزار]]ی میکنید تغییرات میزان روشنایی را بین ۰ تا ۲۵۵ نشان میدهد. دقت تصویر دقت تصویر بستگی به شماره پیکسل‌ها دارد.با یک تصویر ۲ بیتی، حداکثر دامنه روشنایی ۲۲ یعنی ۴ میباشد که دامنه آن از ۰ تا ۳ تغییر میکند.در این حالت تصویر دقت (تفکیک پذیری لازم) را ندارد.تصویر ۸ بیتی حداکثر دامنه ۲۵۶ دارد و تغییرات آن بین ۰ تا ۲۵۵ است.که دقت بالاتری دارد. روش‌های پردازش تصاویر یک هیستوگرام تصویر از یک تصویر T1 فیلتر شده از یک مغز، پردازش شده توسط نرم افزار مانگو. ۳ قلهٔ مشهود در این نمودار ستونی متعلق به ماده سفید، ماده خاکستری، و CSF (آب نخاع) میباشند. دم سمت چپ متعلق به بقایای جمجمه و چربی پس از حذف به روش پردازش (فیلترینگ)بدست آمده. روشهای متعددی در پردازش تصویر بکار برده میشوند. برخی از آنان در زیر توضیح داده شده‌اند: ترمیم تصویر(Image restoration) بیشتر تصاویری که توسط ماهواره‌ها یا رادار‌ها ثبت میگردند، اختلالاتی در تصویر به وجود میاید که به دلیل خش میباشد. دو اختلال مهم در تصاویر چند باندی، نواری شدن (Banding) و خطوط از جا افتاده میباشد. نواری شدن(باندی شدن) اشتباهی که توسط سنسور گیرنده، در ثبت و انتقال داده‌ها روی میدهد.و یا تغییر پیکسل در بین ردیف‌ها میتواند باعث ایجاد چنین اشتباهی گردد. خطوط از جا افتاده

اشتباهی که در ثبت و انتقال داده‌ها روی میدهد و در نتیجه، یک ردیف پیکسل در عکس از بین میرود.

بالا بردن دقت عکس و هیستوگرام تصویر یکی از کارهای مهمی که در پردازش تصویر انجام میگردد، بالا بردن دقت عکس به منظور دید و تفسیر چشمی دقیق تر میباشد.روش‌های بسیاری برای رسیدن به این هدف وجود دارد ولی مهمترین آنها، افزایش تباین(Contrast) تصویر و عملیات فیلتر کردن میباشد.  در هر تصویر رقومی، مقادیر پیکسل‌ها بیانگر خصوصیات آن تصویر(مانند میزان روشنایی تصویر و وضوح آن) میباشد.هیستوگرام تصویر در حقیقت بیان گرافیکی میزان روشنایی تصویر میباشد. مقادیر روشنایی(برای مثال ۰-۲۵۵) در طول محور X بیان شده و میزان فراوانی هر مقدار در محور Y بیان میگردد. تصویر ۸ بیتی(۰-۲۵۵) در بالا و هیستوگرام مقادیر پیکسل تصویر در پایین. محور افقی بین ۰-۲۵۵ و محور قائم، تعداد پیکسل