И.М.Журавель "Краткий курс теории обработки изображений"

В оглавление книги \ К следующему разделу \ К предыдущему разделу

Восприятие изображений и методы их преобразования с целью изменения визуального качества. Модель зрительного восприятия света человеком и ее использование при создании методов обработки изображений

Изображения служат для представления информации в визуальном виде. Эффективность восприятия этой информации человеком зависит от многих факторов. Максимальный учет их влияния возможен при условии изучения целой цепочки вопросов, связанных со способами формирования, свойствами зрительного восприятия и преобразования изображений.

Существует много разных подходов к визуализации. Возникают новые методы, но они не заменяют уже существующие, а только дополняют их. К традиционным методам формирования изображений относятся - рентгеновский, ультразвуковой, радиоизотопный, ядерного магнитного резонанса и др.

Во многих визуальных, фотографических и иных приборах наблюдения глаз человека является конечным звеном, которое воспринимает информацию для анализа. От зрительных особенностей глаза оператора, его работы зависит успешное выполнение поставленной задачи. Поэтому проблему улучшения изображений нужно решать комплексно, рассматривая систему “глаз - изображение” [1, 2].

Зрение обладает еще одним очень важным биологическим свойством - адаптацией к различным режимам работы. Благодаря этому зрительная система человека работает в широком диапазоне яркостей: 10^-6 - 10⁵ кд/м2. При изменении уровня яркости поля зрения автоматически включается целый ряд механизмов, что и обеспечивает адаптационную перестройку зрения. Адаптацию следует рассматривать как развитие процесса перехода от одного уровня яркости к другому во времени.

Исследование механизмов и создание теоретических концепций восприятия света человеком имеют давнюю историю. Одним из первых исследователей этой проблемы считается П.Бугер [3], который исследовал реакцию глаза человека на световое возбуждение в 1760 г. Бугер пытался установить зависимость реакции глаза от светового возбуждения и количественно ее оценить. Было обращено внимание на то, что заметные отличия в яркостях зависят не от абсолютной величины этих отличий, а от их относительной величины. На основании проведенных опытов Бугер предложил выражение дифференциального порога (порогового контраста)

,                                                                  (1)

которое определяет величину порога различения через отношение разностного порога к изначальной яркости .

На первых порах считалось, что пороговый контраст - величина постоянная. Но Вебер в 1834 г. доказал, что эта характеристика неизменна лишь в некотором интервале яркостей (закон Вебера). Развивая исследования в этом направлении, Фехнер в 1858 г. предложил считать единицей видимой яркости восприятие порогового различения между двумя световыми полями, которое часто называют едва заметным различением или дифференциальным порогом [4, 5].

Предположив действие закона Вебера, Фехнер установил связь "светлоты" с яркостями:

,                                    (2)

где - величина изначальной яркости;
- величина яркости - го порога различения;
- постоянная величина.

Выражение (2) свидетельствует о том, что интенсивность ощущения возрастает пропорционально логарифму раздражения. Следует отметить, что закон Вебера-Фехнера справедлив лишь в определенном узком диапазоне изменения внешних действий, поэтому неоднократно подвергался критике.

Детальные исследования чувствительности человеческого глаза проводились Кенингом и Бродхуном в 1903 г., а также Штайнхардтом в 1936 г. Ими было установлено, что постоянным разностный порог является лишь в областях средних яркостей. Для яркостей, которые находятся на краях диапазона, порог значительно больше.

Поиски более точного соотношения между "светлотой" и яркостью продолжались и в дальнейшем. На практике “светлоту" часто вычисляют за формулой Вышецкого [6]

.

Вычисления по приведенной выше формуле близки к результатам, полученным по формуле (2).

В 1970 г. В.Ф.Нестерук и Н.Н.Порфирьева предложили контрастный закон восприятия света [7, 8], в котором учтены недостатки закона Вебера - Фехнера

,                                                 (3)

где - приведенный сигнал ощущения;
, - величины яркостей;
- параметр, характеризирующий физиологические свойства конкретного объекта.

Выражение (3) является контрастом внешних действий по отношению к уровню начальной адаптации. Контрастный закон восприятия света, предложенный В.Ф.Нестеруком и Н.Н.Порфирьевой, включает в себя закон Вебера-Фехнера как первое приближение [4]. Выражение (3) характеризуется ограниченностью изменения контраста на промежутке [0, 1] и безграничным количеством условий достижения его максимума.

С целью устранения многозначности условий, при которых достигается максимальное значение контраста, неравноправности влияния яркостей на контраст, Р.А.Воробель в 1999 году предложил линейное описание локальных контрастов:

,

где , - величины яркостей элементов изображения, , ;
- максимальное значение величины яркости элементов изображения.

Особенность этого выражения состоит в том, что оно обеспечивает максимальное значение локального контраста только в том случае, когда одна из яркостей имеет минимально возможное значение, а другая - максимальное. Для определения контрастности сюжетного изображения нужно было установить правило суммирования контрастов. Р.А.Воробель предложил метод определения контраста сюжетного изображения, который базируется на линейном описании локальных контрастов

,                    (4)

где - величина яркости элементов изображения;
- среднеарифметическое значение уровней яркостей элементов изображения;
- гистограмма распределения яркостей элементов изображения.

Выражение (4) позволяет находить числовое значение обобщенного контраста изображения по гистограмме распределения яркостей его элементов. Обобщенный контраст, выраженный конкретным числом, является важной характеристикой изображения.

Результаты работы той или иной системы обработки изображений анализирует человек. Поэтому чем лучше информация на изображении согласована с свойствами зрительной системы восприятия, тем выше будет вероятность принятия правильного решения по результатам его анализа. Для этого рассмотрим основные законы зрительного восприятия [9, 10, 11]:

1) закон контрастного восприятия света;
2) закон формирования уровня адаптации;
3) закон константности зрительного восприятия;
4) закон зрительного восприятия сюжетного изображения;
5) закон экстремальности зрительного восприятия информации.

Учет приведенных выше законов чрезвычайно актуален при разработке эффективных алгоритмов обработки изображений. Наиболее часто при разработке методов контрастирования изображений используются три первых закона.

Эксперименты, исследование и поиск аналитических выражений зрительного восприятия света человеком длятся и поныне. Эти выражения должны быть корректными во всем диапазоне внешних воздействий и обладать достаточной общностью для учета свойств физиологических объектов и состояний их адаптации от пороговой к предельно допустимой. Целесообразно использовать принцип реакции зрительной системы на яркостной стимул как основу анализа изображений и построения методов их обработки. Поэтому, исходя с этих позиций, рассмотрим дальше основные методы преобразования изображений.

Основные методы преобразования изображений для повышения их контрастности

Значительная часть задач обработки информации и анализа данных связана с изображениями. Примерами могут служить обработка и анализ данных дистанционного зондирования Земли со спутников, объемные изображения объектов, полученные с помощью голографических устройств, результаты применения методов неразрушающих исследований и контроля в промышленности, разработка “органов зрения” роботов и современных медицинских систем диагностики (рентгенография, машинная томография, эндоскопия и т.д.). Для успешного решения задач поиска и идентификации объектов, определения различного рода их количественных характеристик необходимо, чтобы первичные изображения характеризовались высоким визуальным качеством, которое теряется из-за неудовлетворительных условий получения изображений, несовершенства систем передачи видеоинформации и ее отображения, влияния помех и т.п.

Поэтому актуальной является задача преобразования изображений с целью улучшения их визуального качества и повышения информативности. Все основное множество методов, которые решают эту задачу, делится на методы обработки в частотной и пространственной областях. Для обработки изображений в пространственной области наибольшее распространение получили методы пяти классов:

1) методы растяжения;
2) гистограммные методы;
3) ранговые методы;
4) разностные методы;
5) методы преобразования локальных контрастов.

К преимуществам методов обработки изображений в пространственной области относится возможность быстрой обработки в масштабе реального времени телевизионного видеосигнала, а к недостаткам - ограниченность функциональных возможностей и недостаточная эффективность.

При рассмотрении методов обработки изображений всегда остро стоит вопрос выбора критериев оценки качества их преобразования. Этот вопрос всегда был актуальным, однако ставился и решался он разными способами. В дальнейшем материале рассмотрим известные современные подходы к решению этой задачи [12].

Разделение на классы условно, поскольку все методы имеют в своей основе локальный контраст элементов изображения.

Хотя способы обработки изображений в частотной области и достаточно развиты, но требуют значительных вычислительных затрат и для решения практических задач применяются реже. Поэтому в дальнейшем рассмотрим основные методы обработки изображений в пространственной области, а именно методы растяжения, гистограммные, ранговые, разностные и методы преобразования локальных контрастов.

Список литературы

1. Абакумов В.Г., Крылов В.Н., Антощук С.Г. Обнаружение и распознавание признаков объектов с помощью сферической модели зрительного анализатора // Электроника и связь. – 2000. – №8. – т. 2.–С. 211 – 212.
2. Эргономика зрительной деятельности человека / В.В. Волков, А.В. Луизов, Б.В. Овчинников, Н.П. Травникова. – Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд–ние, 1989. – 112 с.
3. Bouguer P. Traite d’Optique surla Gradation de la Lumiere. I’Abbe de Lacaille. – Paris, 1760.
4. Fechner G.T. Elemente der Psychophysik. – Leipzig. – 1860.
5. Fechner G.T. Vebereinige Verhaltnisse des binocularen Sehens // Abhandl. Sachsische Gesellschaft d. Wissensch. – 1870. –№ 7.
6. Шашлов Б.А. Теория фотографических процессов. –М.: Книга, 1981. – 319 с.
7. Нестерук В.Ф., Порфирьева Н.Н. Контрастный закон восприятия света // Оптика и спектроскопия. – 1970. – Т. ХХІХ, вып. 6. – С. 1138 – 1143.
8. Nesteruk V.F., Porfirieva N.N. Vision Research. – 1974. – v. 14, № 9. – p. 899 – 904.
9. Гранрат Д.Дж. Роль моделей зрения человека в обработке изображений // ТИИЭР. – Т. 69. – № 5. – 1981. – С. 65 – 77.
10. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико–электронных приборов. – Л.: Машиностроение, 1983. – 696 с.
11. Нестерук В.Ф., Порфирьева Н.Н. Информационная оценка процесса зрительного восприятия // Оптика и спектроскопия. – 1978. – Т. 44, вып. 4. – С. 801 – 803.
12. Журавель И.М. Локально-адаптивные методы повышения контрастности изображений: Дис… канд. техн. наук: 05.13.06. – Львов, 2001. – 154 с.

В оглавление книги \ К следующему разделу \ К предыдущему разделу