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<strong>Realzado</strong> <strong>de</strong> <strong>imágenes</strong><br />

Técnicas <strong>de</strong> preprocesado<br />

Autores:<br />

José Luis Alba y Fernando Martín - Universidad <strong>de</strong> Vigo<br />

Jesús Cid - Universidad Carlos III <strong>de</strong> Madrid<br />

Inmaculada Mora - Universidad Rey Juan Carlos<br />

Ultima revisión: marzo <strong>de</strong> 2006


Indice<br />

• Introducción<br />

• Operaciones puntuales<br />

• http://wgpi.tsc.uvigo.es/libro2/realzado/transint.htm<br />

• http://www.tsc.uc3m.es/~jcid/cursotdi/fourier/transfer/in<strong>de</strong>x.html<br />

(botón <strong>de</strong>recho <strong>de</strong>l ratón sobre cualquier imagen)<br />

• Operaciones espaciales<br />

• http://www.tsc.uc3m.es/~jcid/cursotdi/fourier/mascara/in<strong>de</strong>x.html<br />

• Filtros lineales<br />

• Filtros no lineales<br />

José Luis Alba y Fernando Martín - Universidad <strong>de</strong> Vigo; Jesús Cid - Universidad Carlos III; Inmaculada Mora - Universidad Rey Juan Carlos 2


Introducción<br />

• Notación:<br />

• La literatura sobre procesado <strong>de</strong> <strong>imágenes</strong> no es<br />

uniforme en la notación utilizada para representar<br />

una imagen discreta.<br />

• Nosotros utilizaremos, habitualmente (aunque no<br />

siempre)<br />

• f(x,y), g(x,y),<br />

• I(x,y), O(x,y),<br />

• u(x,y), v(x,y)<br />

• También son habituales notaciones <strong>de</strong>l tipo<br />

• f (m,n), f (n 1 ,n 2 ), …<br />

José Luis Alba y Fernando Martín - Universidad <strong>de</strong> Vigo; Jesús Cid - Universidad Carlos III; Inmaculada Mora - Universidad Rey Juan Carlos 3


Operaciones con Imágenes<br />

• Operaciones puntuales:<br />

• (in<strong>de</strong>pendientes <strong>de</strong> la posición)<br />

(x 0 ,y 0 ) (x 0 ,y 0 )<br />

f(.)<br />

v = f(u)<br />

• Operaciones <strong>de</strong> vecindad (o entorno local)<br />

• Si la vecindad se extien<strong>de</strong> a toda la imagen diremos que<br />

la operación es <strong>de</strong> entorno global<br />

E N (x 0 ,y 0 ) (x 0 ,y 0 )<br />

f N (.)<br />

v = f N (U)<br />

José Luis Alba y Fernando Martín - Universidad <strong>de</strong> Vigo; Jesús Cid - Universidad Carlos III; Inmaculada Mora - Universidad Rey Juan Carlos 4


Operaciones puntuales:<br />

Contraste, recorte y umbralización<br />

• Modificación <strong>de</strong>l contraste:<br />

v b<br />

v a<br />

v<br />

λ<br />

f(u)<br />

β<br />

α<br />

a b L u<br />

u ∈[0,<br />

L],<br />

v ∈[0,<br />

L]<br />

⎧ tan( α)<br />

u,<br />

0 ≤ u < a<br />

⎪<br />

v = ⎨tan(<br />

β )( u − a)<br />

+ va,<br />

a ≤ u < b<br />

⎪<br />

⎩tan(<br />

λ)(<br />

u − b)<br />

+ vb,<br />

b ≤ u < L<br />

⎧tan(<br />

β ) > 1<br />

⎪<br />

función monótona creciente ⎨ b ≥ a<br />

⎪ ⎩ β > α,<br />

λ<br />

Matlab: Matlab: J=imadjust(I,[a J=imadjust(I,[a b],[va b],[va vb],g); vb],g);<br />

0 < a,b,v a,b,v a ,v<br />

a ,v b <<br />

b 1; 1;<br />

(( g>1 g>1 f f ’’>0; ’’>0; g


Operaciones puntuales:<br />

Contraste, recorte y umbralización<br />

• Ejemplo:<br />

José Luis Alba y Fernando Martín - Universidad <strong>de</strong> Vigo; Jesús Cid - Universidad Carlos III; Inmaculada Mora - Universidad Rey Juan Carlos 6


Operaciones puntuales:<br />

Contraste, recorte y umbralización<br />

• Casos particulares:<br />

• Recorte:<br />

• α = γ = 0<br />

Matlab: Matlab: [a,b]=stretchlim(I,[Tol_inf Tol_sup]); Tol_sup]);<br />

Tol: Tol: porcentaje porcentaje inferior inferior y y superior superior <strong>de</strong> <strong>de</strong> pérdida pérdida<br />

• Umbralización:<br />

• α = γ = 0,<br />

• β = π/2 a = b<br />

v<br />

v<br />

f(u)<br />

β<br />

a b L u<br />

Matlab: Matlab: a=graythresh(I);umbral óptimo óptimo (Otsu) (Otsu)<br />

J=im2bw(I,a);imagen binarizada binarizada<br />

a=b<br />

β<br />

L<br />

u<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Doble umbral<br />

• Segmentación <strong>de</strong> un<br />

intervalo <strong>de</strong> grises:<br />

• Eliminando el resto <strong>de</strong><br />

la imagen<br />

v<br />

f(u)<br />

⎧L,<br />

v = ⎨<br />

⎩0,<br />

a ≤ u<br />

resto<br />

≤ b<br />

• Sin eliminar el resto <strong>de</strong><br />

la imagen<br />

v<br />

a b L u<br />

b=1<br />

v<br />

=<br />

⎧L,<br />

⎨<br />

⎩u,<br />

a<br />

≤ u ≤<br />

resto<br />

b<br />

f(u)<br />

a b L u<br />

a=0<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Compresión <strong>de</strong>l margen dinámico<br />

• Para visualizar bajos niveles <strong>de</strong><br />

intensidad con mayor margen<br />

dinámico.<br />

• (Será útil, por ejemplo, para visualizar la<br />

magnitud <strong>de</strong> la transformada <strong>de</strong> Fourier<br />

<strong>de</strong> una imagen utilizando una<br />

transformación logarítmica antes <strong>de</strong> la<br />

cuantificación).<br />

• v = f(u) = c log 10 (1+u)<br />

v<br />

f(u)<br />

L u<br />

• v = f(u) = u 1/n<br />

• Ejemplo (log)<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Expansión <strong>de</strong>l margen dinámico<br />

• Realiza la transformación opuesta.<br />

• Pue<strong>de</strong> mejorar la discriminación visual en zonas <strong>de</strong> alta<br />

luminosidad<br />

• v = f(u) = c exp(u-1)<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Negativo<br />

• Es una<br />

transformación lineal<br />

que genera una<br />

imagen similar al<br />

negativo <strong>de</strong> una<br />

fotografía<br />

• v = f(u) = u max -u<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong>l histograma<br />

• Histograma:<br />

• Representación <strong>de</strong> la frecuencia relativa <strong>de</strong> cada<br />

color en una imagen.<br />

• Mi<strong>de</strong> la frecuencia relativa <strong>de</strong> apariciones <strong>de</strong> los<br />

niveles <strong>de</strong> gris <strong>de</strong> una imagen<br />

h(n k ) = nº <strong>de</strong> píxeles con nivel n k<br />

• Histograma relativo o normalizado<br />

• Sus valores (entre 0 y 1, con suma 1) pue<strong>de</strong>n<br />

interpretarse como probabilida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> ocurrencia<br />

<strong>de</strong> cada nivel n k , h<br />

( )<br />

( nk<br />

)<br />

Pr<br />

nk<br />

=<br />

h n<br />

∑<br />

i<br />

( )<br />

• Todas las operaciones puntuales vistas<br />

anteriormente implican una transformación <strong>de</strong>l<br />

histograma.<br />

• Imágenes <strong>de</strong> color:<br />

• Pue<strong>de</strong> obtenerse un histograma para cada<br />

componente <strong>de</strong> color<br />

i<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong>l histograma<br />

• Igualación <strong>de</strong>l histograma:<br />

• Permite mejorar el contraste <strong>de</strong> una imagen<br />

• Objetivo: conseguir histograma uniforme en la imagen <strong>de</strong> salida<br />

(todos los niveles con la misma frecuencia <strong>de</strong> aparición)<br />

• Estudio continuo para imagen en gris:<br />

u,<br />

v ∈[0,1]<br />

p<br />

v<br />

u<br />

≡<br />

( u)<br />

Dem :<br />

≡ fdp continua <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong> gris <strong>de</strong>l pixel<br />

F (u) ≡ función <strong>de</strong> distribución<br />

u<br />

F (u) ≡<br />

u<br />

p<br />

v<br />

∫<br />

u<br />

0<br />

( v)<br />

=<br />

p<br />

u<br />

p<br />

( x)<br />

dx<br />

F (u)<br />

u<br />

( F<br />

→ unif. distribuida en (0,1)<br />

u<br />

(u))<br />

=<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎣<br />

≡ P[u<br />

≤ u]<br />

p<br />

u<br />

( u)<br />

du ⎤<br />

dv<br />

⎥<br />

⎦<br />

u=<br />

f<br />

−1<br />

( v)<br />

=<br />

→<br />

p<br />

u<br />

p<br />

v<br />

( u)<br />

( v)<br />

= 1<br />

p<br />

u<br />

1<br />

( u)<br />

= 1<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong>l histograma<br />

• Ejemplo <strong>de</strong> función <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> probabilidad <strong>de</strong>l píxel y su función <strong>de</strong><br />

distribución correspondiente.<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong>l histograma<br />

• Particularización para <strong>imágenes</strong> digitales:<br />

• Niveles <strong>de</strong> gris normalizados:<br />

• Sean<br />

u, v∈[0,1];<br />

u ∈{<br />

ui | i = 0,1, ,<br />

L −1}<br />

• n(u i ): nº <strong>de</strong> píxeles con nivel u i<br />

• n: nº total <strong>de</strong> píxeles<br />

• Histograma:<br />

n(<br />

ui)<br />

pu<br />

( ui)<br />

=<br />

n<br />

• Distribución acumulada:<br />

v<br />

i<br />

=<br />

i<br />

∑<br />

j = 0<br />

p<br />

u<br />

( u<br />

j<br />

)<br />

=<br />

i<br />

∑<br />

j = 0<br />

n(<br />

u<br />

n<br />

j<br />

)<br />

• Recuantificación:<br />

vˆ<br />

i<br />

⎡v<br />

⎤<br />

i<br />

− vmin<br />

≡ Ent⎢<br />

+ 0. 5⎥<br />

⎣ 1−<br />

vmin<br />

⎦<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong>l histograma<br />

• Implementación:<br />

• La igualación <strong>de</strong>l histograma, como cualquier transformación<br />

<strong>de</strong> intensida<strong>de</strong>s, pue<strong>de</strong> implementarse mediante una LUT<br />

(Look-Up Table)<br />

• LUT: tabla que reasigna el nivel <strong>de</strong> gris <strong>de</strong> cada píxel<br />

Matlab: Matlab: [J,T]=histeq(I);<br />

T: T: LUT LUT <strong>de</strong> <strong>de</strong> la la transformación transformación monótona monótona creciente creciente que que da da lugar lugar a la laimagen resultante resultante ‘J’ ‘J’<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong>l histograma<br />

• Ejemplo 1: Mejora <strong>de</strong>l contraste<br />

Histograma<br />

Distribución acumulada<br />

Imagen original<br />

Imagen ecualizada Histograma Distribución acumulada<br />

La pendiente<br />

es menos<br />

abrupta, lo<br />

que indica<br />

que los<br />

niveles <strong>de</strong><br />

gris están<br />

más<br />

distribuidos<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong>l histograma<br />

• Ejemplo 2:<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong>l histograma<br />

• Ejemplo 3:<br />

• En <strong>imágenes</strong> <strong>de</strong> alto contraste,<br />

la igualación pue<strong>de</strong> tener efectos<br />

in<strong>de</strong>seados.<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong>l histograma<br />

• Especificación <strong>de</strong>l histograma: obtener un histograma concreto en la<br />

imagen <strong>de</strong> salida.<br />

• Continuo:<br />

u<br />

• Discreto:<br />

w ≡<br />

w ≡<br />

v<br />

w<br />

i<br />

=<br />

=<br />

F (u) ≡<br />

F<br />

u<br />

F (v) ≡<br />

v<br />

−1<br />

v<br />

i<br />

∑<br />

j=<br />

0<br />

p<br />

u<br />

∫<br />

∫<br />

( u<br />

0<br />

v<br />

0<br />

( w)<br />

= F<br />

j<br />

p<br />

p<br />

);<br />

u<br />

v<br />

( x)<br />

dx →<br />

( x)<br />

dx →<br />

−1<br />

v<br />

wˆ<br />

( F<br />

k<br />

u<br />

=<br />

(u))<br />

k<br />

∑<br />

l=<br />

0<br />

unif. distribuida<br />

unif. distribuida<br />

p<br />

v<br />

( v ) =<br />

l<br />

k<br />

∑<br />

l=<br />

0<br />

p<br />

v<br />

en (0,1) → p<br />

en (0,1) → p<br />

( T ( u<br />

l<br />

))<br />

w<br />

w<br />

( w)<br />

= 1<br />

( w)<br />

= 1<br />

u i<br />

w i<br />

Fu (u i ) { wˆ<br />

0}<br />

F<br />

-1 n − w ≥<br />

v (.)<br />

min n<br />

i<br />

w n<br />

v n<br />

Matlab: Matlab: [J,T]=histeq(I,[hgram]);<br />

hgram: hgram: vector vector <strong>de</strong> <strong>de</strong> histograma <strong>de</strong>seado <strong>de</strong>seado para para la la imagen imagen resultado<br />

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u i<br />

w i<br />

Fu (u i ) { wˆ<br />

0}<br />

F<br />

-1 n − w ≥<br />

v (.)<br />

min n<br />

i<br />

w n<br />

v n<br />

José Luis Alba y Fernando Martín - Universidad <strong>de</strong> Vigo; Jesús Cid - Universidad Carlos III; Inmaculada Mora - Universidad Rey Juan Carlos 21


Operaciones puntuales:<br />

Mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong>l histograma<br />

• Ejemplo 3, revisado:<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Histograma local (operación puntual con vecindad)<br />

• Las operaciones basadas en el histograma pue<strong>de</strong>n efectuarse a partir<br />

<strong>de</strong> histogramas locales: <strong>de</strong> este modo, el perfil <strong>de</strong>l histograma se<br />

adapta a las propieda<strong>de</strong>s locales <strong>de</strong> la imagen:<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Histograma en <strong>imágenes</strong> color<br />

• Pue<strong>de</strong>n <strong>de</strong>finirse transformaciones in<strong>de</strong>pendientes <strong>de</strong>l histograma <strong>de</strong><br />

cada componente <strong>de</strong> color.<br />

• Ejemplo: igualación <strong>de</strong> histogramas<br />

Observe que el<br />

procesado<br />

in<strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong> cada<br />

componente pue<strong>de</strong><br />

alterar los colores.<br />

Para evitarlo, la<br />

igualación pue<strong>de</strong><br />

limitarse a la<br />

componente <strong>de</strong><br />

intensidad (a partir <strong>de</strong><br />

un mo<strong>de</strong>lo HSI, por<br />

ejemplo)<br />

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Operaciones puntuales:<br />

Imágenes En Falso Color<br />

• Pseudocolor:<br />

• Es una técnica que aprovecha la mayor sensibilidad <strong>de</strong>l ojo a<br />

variaciones cromáticas que <strong>de</strong> intensidad.<br />

• El uso <strong>de</strong> sensores capaces <strong>de</strong> <strong>de</strong>tectar radiaciones fuera <strong>de</strong>l<br />

espectro visible es habitual en aplicaciones como medicina o<br />

tele<strong>de</strong>tección: las nubes o la piel impi<strong>de</strong>n la observación <strong>de</strong>l<br />

motivo.<br />

• P.e., los satélites <strong>de</strong> la serie Landsat tienen 7 componentes (3<br />

visibles). Barredor multiespectral: registros <strong>de</strong> hasta 100<br />

bandas. Barredor hiperespectral: más <strong>de</strong> 100 bandas<br />

• Se pue<strong>de</strong> generar una imagen con las tres componentes<br />

más significativas (en Landsat, bandas <strong>de</strong>l IR). Otra opción<br />

es una combinación lineal <strong>de</strong> las componentes.<br />

N<br />

q ∑ 1 =<br />

=<br />

i<br />

1<br />

a i C<br />

• No siempre es fácil conocer la combinación lineal óptima. Un<br />

criterio frecuente es la máxima varianza resultante.<br />

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,1<br />

i


Operaciones puntuales:<br />

Imágenes En Falso Color<br />

• La representación en pseudocolor <strong>de</strong> una imagen<br />

monocromática pue<strong>de</strong> reinterpretarse como combinación <strong>de</strong><br />

tres transformaciones puntuales intensidad color<br />

Rojo<br />

Ver<strong>de</strong><br />

Azul<br />

0 255<br />

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• Percepción <strong>de</strong> la<br />

intensidad:<br />

• Rango dinámico<br />

limitado <strong>de</strong>l ojo: 100<br />

niveles <strong>de</strong> gris (pero<br />

miles <strong>de</strong> colores)<br />

• Fuera <strong>de</strong>l rango se<br />

percibe blanco o negro<br />

• El pseudocolor permite<br />

aumentar el rango<br />

dinámico útil <strong>de</strong> la<br />

representación<br />

Imagen original<br />

monocroma<br />

200 planos<br />

equidistantes<br />

10 planos<br />

equidistantes<br />

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• Ejemplos en tele<strong>de</strong>tección<br />

Temperaturas en la superficie <strong>de</strong>l mar<br />

Concentración <strong>de</strong> fitoplancton<br />

El Niño<br />

Profundidad <strong>de</strong> la costa<br />

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Operaciones puntuales<br />

Operaciones entre <strong>imágenes</strong><br />

• Son extensiones directas <strong>de</strong> las operaciones punto a punto:<br />

• Suma: C(x,y) = A(x,y) + B(x,y)<br />

• Resta: C(x,y) = A(x,y) – B(x,y)<br />

• Producto: C(x,y) = A(x,y) B(x,y)<br />

• División: C(x,y) = A(x,y) / B(x,y)<br />

• Máximo: C(x,y) = máx(A(x,y), B(x,y))<br />

• Mínimo: C(x,y) = mín(A(x,y), B(x,y))<br />

• Para <strong>imágenes</strong> en color, las operaciones se <strong>de</strong>finen <strong>de</strong> modo análogo, operando<br />

componente a componente.<br />

A(x,y)<br />

B(x,y)<br />

Operador<br />

C(x,y)<br />

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Operaciones puntuales<br />

Operaciones entre <strong>imágenes</strong><br />

• Algunas aplicaciones <strong>de</strong> operaciones algebraicas:<br />

• Suma<br />

• Promediado para reducir ruido aleatorio aditivo<br />

• Superposición <strong>de</strong> <strong>imágenes</strong><br />

+<br />

=<br />

Imagen original<br />

Ruido “sal y pimienta”<br />

Imagen con ruido aditivo<br />

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Operaciones puntuales<br />

Operaciones entre <strong>imágenes</strong><br />

• Resta<br />

• Eliminación <strong>de</strong> interferencia aditiva (reducción <strong>de</strong>l<br />

fondo)<br />

• Detección <strong>de</strong> movimiento entre <strong>imágenes</strong> <strong>de</strong> la misma<br />

escena<br />

-<br />

=<br />

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Operaciones puntuales<br />

Operaciones entre <strong>imágenes</strong><br />

• Multiplicación<br />

• Eliminación <strong>de</strong> partes <strong>de</strong> una imagen si el producto se realiza con<br />

una máscara.<br />

• Se conservan sólo los objetos bajo la máscara<br />

x<br />

=<br />

Imagen original Imagen máscara Imagen producto<br />

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Operaciones puntuales<br />

Operaciones entre <strong>imágenes</strong><br />

• Máximo / mínimo<br />

• Operadores no lineales que permiten combinar <strong>imágenes</strong><br />

Max<br />

+<br />

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Operaciones espaciales<br />

Introducción<br />

• Las operaciones espaciales o <strong>de</strong> vecindad se <strong>de</strong>finen en un entorno ‘E N ’<br />

(vecindad) <strong>de</strong>l punto a transformar (m 0 ,n 0 )<br />

f N (.)<br />

E N (m 0 ,n 0 ) (m 0 ,n 0 )<br />

v = f N (u)<br />

• La herramienta habitual son las operaciones basadas en máscaras<br />

espaciales (plantillas, ventanas, kernels o filtros FIR): array pequeño<br />

en relación a la imagen (3x3, 5x5, 7x7,...) los valores <strong>de</strong> los<br />

coeficientes <strong>de</strong>terminan el proceso <strong>de</strong> transformación.<br />

• Filtros FIR: linealidad convolución Transformada <strong>de</strong> Fourier <br />

relaciones frecuenciales (variación espacial)<br />

José Luis Alba y Fernando Martín - Universidad <strong>de</strong> Vigo; Jesús Cid - Universidad Carlos III; Inmaculada Mora - Universidad Rey Juan Carlos 34


Operaciones espaciales:<br />

Filtrado lineal e invariante (LSI). Propieda<strong>de</strong>s.<br />

• Extendiendo las <strong>imágenes</strong> hasta el infinito (añadiendo ceros) y fijando<br />

un origen <strong>de</strong> coor<strong>de</strong>nadas (p. ej. En la esquina inferior izquierda),<br />

po<strong>de</strong>mos generalizar <strong>de</strong> modo inmediato la teoría <strong>de</strong> filtrado lineal e<br />

invariante al dominio espacial:<br />

• Definiremos estas propieda<strong>de</strong>s como sigue:<br />

• Linealidad<br />

H c I x y + c I x,<br />

y = c H I x,<br />

y c H I x,<br />

y<br />

( ( ) ( )) ( ( )) ( ( ))<br />

1 1<br />

,<br />

2 2<br />

1 1<br />

+<br />

2 2<br />

• Invarianza en el espacio: la respuesta en un punto sólo <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />

los valores <strong>de</strong> los píxeles y <strong>de</strong> su posición relativa<br />

H<br />

( I ( x − x , y − y )) = O( x − x y − y )<br />

0 0<br />

0,<br />

0<br />

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Operaciones espaciales:<br />

Filtrado lineal e invariante<br />

• Todos los filtros LSI están caracterizados por una<br />

función (imagen) h (x,y), <strong>de</strong> modo que<br />

∞<br />

∞<br />

O( x,<br />

y)<br />

h(<br />

k,<br />

l)<br />

I(<br />

x − k,<br />

y − l)<br />

= h(<br />

x,<br />

y)<br />

∗ I(<br />

x,<br />

y)<br />

= ∑∑<br />

k=−∞<br />

l=−∞<br />

• La imagen h (x,y) es la respuesta al impulso: es <strong>de</strong>cir, la salida<br />

<strong>de</strong>l filtro cuando la imagen <strong>de</strong> entrada es<br />

y<br />

x<br />

[ x, y] = δ [ x] δ [ y]<br />

δ .<br />

Filtro espacial<br />

h(x,y)<br />

h(x,y)<br />

• La mayoría <strong>de</strong> las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la convolución <strong>de</strong> señales<br />

unidimensionales se extien<strong>de</strong>n <strong>de</strong> modo inmediato al caso 2D.<br />

Matlab: J=conv2(I,h);<br />

h: h: kernel <strong>de</strong> <strong>de</strong> convolución o filtro filtro FIR FIR (ej: (ej: h=1/9*ones(3,3))<br />

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Operaciones espaciales:<br />

Filtrado lineal<br />

• Respuesta impulsional: h(x,y)<br />

• Transformada <strong>de</strong> Fourier: H(u ,v)<br />

• Propiedad <strong>de</strong> convolución: I(x,y)*h(x,y) I(u,v)H(u,v)<br />

∗<br />

Promediado espacial<br />

⎡1<br />

1 ⎢<br />

⎢<br />

1<br />

9<br />

⎢⎣<br />

1<br />

1<br />

1<br />

1<br />

1⎤<br />

1<br />

⎥<br />

⎥<br />

1⎥⎦<br />

=<br />

.<br />

=<br />

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Operaciones espaciales:<br />

Filtrado lineal en el dominio frecuencial<br />

• Diseño <strong>de</strong>l filtro H(u,v) en el dominio <strong>de</strong> la frecuencia<br />

• TF -1 (I(u,v)H(u,v)) efectos visibles en el dominio espacial<br />

∗<br />

=<br />

.<br />

=<br />

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Operaciones espaciales:<br />

Filtrado basado en máscaras<br />

• Máscara: matriz <strong>de</strong> coeficientes <strong>de</strong> la combinación lineal<br />

• El entorno <strong>de</strong>l punto (x,y) que se consi<strong>de</strong>ra en la imagen I para<br />

obtener O (x,y) está <strong>de</strong>terminado por el tamaño y forma <strong>de</strong> la<br />

máscara<br />

• El tipo <strong>de</strong> filtrado está <strong>de</strong>terminado por el contenido <strong>de</strong> la<br />

máscara<br />

• Matemáticamente, la operación <strong>de</strong> la máscara se pue<strong>de</strong><br />

escribir como<br />

I(x-1,y+1)I(x,y+1)I(x+1,y+1)<br />

I(x-1,y)<br />

I(x,y) I(x+1,y)<br />

O(<br />

x,<br />

y)<br />

=<br />

∑∑<br />

( k , l)<br />

∈<br />

h(1,-1) h(0,1) h(-1,-1)<br />

E N<br />

I(x,y)<br />

h(<br />

k,<br />

l)<br />

I(<br />

x − k,<br />

y − l)<br />

Filtro espacial<br />

h(x,y)<br />

O(x,y)<br />

I(x-1,y-1) I(x,y-1) I(x+1,y-1)<br />

h(1,0)<br />

h(0,0) h(-1,0)<br />

O(x,y)<br />

h(1,1)<br />

h(0,1) h(-1,1)<br />

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Operaciones espaciales:<br />

Filtrado basado en máscaras<br />

• Tratamiento <strong>de</strong> límites <strong>de</strong> la imagen<br />

• Pue<strong>de</strong> aplicarse la máscara extendiendo la imagen con un<br />

marco <strong>de</strong> ceros <strong>de</strong> la anchura a<strong>de</strong>cuada.<br />

• Esto pue<strong>de</strong> tener efectos no <strong>de</strong>seados (p.ej., <strong>de</strong> difuminación<br />

en los límites <strong>de</strong> la imagen) pero, en general, poco<br />

significativos si la máscara es pequeña en relación con el<br />

tamaño <strong>de</strong> la imagen.<br />

0 0 0<br />

I(x-1,y) I(x,y) 0<br />

I(x-1,y-1) I(x,y-1) 0<br />

h(1,-1) h(0,1) h(-1,-1)<br />

h(1,0)<br />

h(0,0) h(-1,0)<br />

h(1,1)<br />

h(0,1) h(-1,1)<br />

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Operaciones espaciales:<br />

Filtrado lineal<br />

• Filtrado paso-bajo: <strong>de</strong>senfocar, suavizar, eliminar ruido.<br />

• Todos los coeficientes positivos y <strong>de</strong> suma 1. ej:<br />

⎡1<br />

1 ⎢<br />

⎢<br />

1<br />

9<br />

⎢⎣<br />

1<br />

1<br />

1<br />

1<br />

1⎤<br />

1<br />

⎥<br />

⎥<br />

1⎥⎦<br />

⎡ 0<br />

⎢<br />

⎢<br />

1/ 8<br />

⎢⎣<br />

0<br />

• Se utilizan para reducir ruido, aunque también producen un<br />

difuminado, tanto mayor cuanto mayor sea el tamaño <strong>de</strong> la<br />

máscara<br />

1/ 8<br />

1/ 2<br />

1/ 8<br />

0 ⎤<br />

1/ 8<br />

⎥<br />

⎥<br />

0 ⎥⎦<br />

Original<br />

Filtrada 3x3<br />

Filtrada 11x11<br />

Original con<br />

ruido<br />

impulsivo<br />

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Operaciones espaciales:<br />

Filtrado lineal<br />

• Ejemplo <strong>de</strong> reducción <strong>de</strong> ruido gaussiano <strong>de</strong> media cero:<br />

Iˆ(<br />

x,<br />

y)<br />

I'(<br />

x,<br />

y)<br />

=<br />

=<br />

=<br />

I(<br />

x,<br />

y)<br />

+ η(<br />

x,<br />

y),<br />

1<br />

N<br />

1<br />

N<br />

∑∑<br />

( k , l ) ∈E<br />

( k , l ) ∈E<br />

N<br />

∑∑<br />

N<br />

Iˆ(<br />

x − k,<br />

y<br />

I(<br />

x − k,<br />

y<br />

2<br />

η(<br />

x,<br />

y)<br />

≡ N (0, σ )<br />

− l)<br />

=<br />

− l)<br />

+ η ( x,<br />

y),<br />

η ( x,<br />

y)<br />

=<br />

2<br />

N(0,<br />

σ<br />

/ N )<br />

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Operaciones espaciales:<br />

Filtrado lineal<br />

• Suavizado direccional (preservación <strong>de</strong> bor<strong>de</strong>s):<br />

• La eliminación <strong>de</strong> ruido mediante suavizado distorsiona la información <strong>de</strong><br />

bor<strong>de</strong>s<br />

• Mediante un kernel direccional se pue<strong>de</strong> reducir este efecto<br />

1<br />

I'(<br />

x,<br />

y)<br />

= ∑∑I(<br />

x − k,<br />

y − l)<br />

⇒<br />

N<br />

θ ( k , l)<br />

∈E<br />

θ<br />

*<br />

*<br />

se busca la dirección θ / | I'(<br />

x,<br />

y : θ ) − I(<br />

x,<br />

y)<br />

| ≤|<br />

I'(<br />

x,<br />

y : θ ) − I(<br />

x,<br />

y)<br />

| ∀θ<br />

⎡0<br />

⎢<br />

⎢<br />

0<br />

⎢0<br />

⎢<br />

⎣1<br />

0<br />

0<br />

1<br />

0<br />

0<br />

1<br />

0<br />

0<br />

1⎤<br />

0<br />

⎥<br />

⎥<br />

0⎥<br />

⎥<br />

0⎦<br />

θ *<br />

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Operaciones espaciales:<br />

Filtrado lineal<br />

• Filtrado paso-alto: resaltar bor<strong>de</strong>s,<br />

enfocar, <strong>de</strong>tección <strong>de</strong> piezas, objetivos...<br />

• Los coeficientes <strong>de</strong>ben sumar 0.<br />

• En general, se reduce mucho el contraste<br />

• Aparecen valores negativos escalar o<br />

recortar<br />

• Los más sencillos son las máscaras <strong>de</strong><br />

<strong>de</strong>rivación direccional:<br />

• Roberts (gradiente cruzado):<br />

⎡1<br />

⎢<br />

⎣0<br />

0 ⎤ ⎡ 0 1⎤<br />

⎥,<br />

−1<br />

⎢ ⎥<br />

⎦ ⎣−1<br />

0⎦<br />

• Prewitt:<br />

• Sobel:<br />

⎡−1<br />

⎢<br />

0<br />

⎢<br />

⎢⎣<br />

1<br />

⎡−1<br />

⎢<br />

0<br />

⎢<br />

⎢⎣<br />

1<br />

−1<br />

0<br />

1<br />

− 2<br />

0<br />

2<br />

−1⎤<br />

0<br />

⎥<br />

,<br />

⎥<br />

1 ⎥⎦<br />

−1⎤<br />

0<br />

⎥<br />

,<br />

⎥<br />

1 ⎥⎦<br />

⎡−1<br />

⎢<br />

−1<br />

⎢<br />

⎢⎣<br />

−1<br />

⎡−1<br />

⎢<br />

− 2<br />

⎢<br />

⎢⎣<br />

−1<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0<br />

1⎤<br />

1<br />

⎥<br />

⎥<br />

1⎥⎦<br />

1⎤<br />

2<br />

⎥<br />

⎥<br />

1⎥⎦<br />

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Operaciones espaciales:<br />

Filtrado lineal<br />

• Los operadores <strong>de</strong> Prewitt y<br />

Sobel son separables: pue<strong>de</strong>n<br />

construirse como combinación <strong>de</strong> filtros<br />

en direcciones ortogonales (uno <strong>de</strong><br />

ellos paso alto y el otro paso bajo)<br />

• Ej: Sobel:<br />

⎡−1<br />

⎢<br />

0<br />

⎢<br />

⎢⎣<br />

1<br />

− 2<br />

0<br />

2<br />

−1⎤<br />

⎡−1⎤<br />

0<br />

⎥<br />

=<br />

⎢<br />

0<br />

⎥<br />

⎥ ⎢ ⎥<br />

1 ⎥⎦<br />

⎢⎣<br />

1 ⎥⎦<br />

[ 1 2 1]<br />

• Aplicando un cuantificador,<br />

pue<strong>de</strong>n utilizarse para <strong>de</strong>tección<br />

<strong>de</strong> bor<strong>de</strong>s direccionales<br />

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Operaciones espaciales:<br />

Filtrado lineal<br />

• También pue<strong>de</strong>n diseñarse filtros no direccionales<br />

• Coef. Positivos en centro y neg. en periferia: suman 0<br />

⎡−1<br />

1 ⎢<br />

⎢<br />

−1<br />

9<br />

⎢⎣<br />

−1<br />

−1<br />

8<br />

−1<br />

−1⎤<br />

−1<br />

⎥<br />

⎥<br />

−1⎥⎦<br />

⎡−.5<br />

⎢<br />

⎢<br />

−.5<br />

⎢⎣<br />

−.5<br />

−.5<br />

−.5<br />

−.5⎤<br />

−.5<br />

⎥<br />

⎥<br />

−.5⎥⎦<br />

• Se pue<strong>de</strong>n implementar a partir <strong>de</strong> un FPB:<br />

4<br />

I(x,y)<br />

h(x,y)<br />

−<br />

J(x,y)<br />

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Operaciones espaciales:<br />

Filtrado lineal<br />

• Filtrado paso-banda: realzar bor<strong>de</strong>s, etc.<br />

• Los coeficientes <strong>de</strong>ben sumar 0. Ej:<br />

• Se reduce mucho el contraste<br />

• Aparecen valores negativos escalar o recortar<br />

• Se pue<strong>de</strong> implementar a partir <strong>de</strong> dos FPB <strong>de</strong> diferente frec.<br />

corte:<br />

⎡ 0<br />

⎢<br />

⎢<br />

−1<br />

⎢⎣<br />

0<br />

−1<br />

4<br />

−1<br />

0 ⎤<br />

−1<br />

⎥<br />

⎥<br />

0 ⎥⎦<br />

I(x,y)<br />

h 1<br />

(x,y)<br />

−<br />

J(x,y)<br />

h 2<br />

(x,y)<br />

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∇f<br />

⎡z<br />

⎢<br />

z<br />

⎢<br />

⎢⎣<br />

z<br />

1<br />

4<br />

7<br />

Operaciones espaciales:<br />

Filtrado no lineal<br />

• Filtros <strong>de</strong>rivativos:<br />

• Se obtienen a partir <strong>de</strong> las máscaras <strong>de</strong> <strong>de</strong>rivación<br />

⎡∂f<br />

⎤<br />

2<br />

−1/<br />

2<br />

2<br />

⎢<br />

f f<br />

f x ⎥<br />

⎡⎛<br />

∂ ⎞ ⎛ ∂ ⎞ ⎤<br />

= ⎢∂ ∂ ⎥;<br />

mag(<br />

∇f<br />

) = ⎢⎜<br />

⎟ + ⎜ ⎟ ⎥<br />

⎢ ⎥<br />

⎢⎣<br />

⎝ ∂x<br />

⎠ ⎝ ∂y<br />

⎠ ⎥⎦<br />

⎢⎣<br />

∂y<br />

⎥⎦<br />

z2<br />

z3⎤<br />

2<br />

2 2<br />

z<br />

[( ) ( ) ] 1/<br />

5<br />

z<br />

⎥<br />

−<br />

6<br />

→ ∇f<br />

z<br />

= z5<br />

− z6<br />

+ z5<br />

− z8<br />

≈ ( z5<br />

− z6<br />

) + ( z5<br />

− z8<br />

)<br />

⎥<br />

5<br />

z8<br />

z9<br />

⎥⎦<br />

⎡1<br />

⎢<br />

⎣0<br />

0 ⎤ ⎡ 0<br />

+<br />

−1<br />

⎥ ⎢<br />

⎦ ⎣−1<br />

1⎤<br />

→<br />

0<br />

⎥<br />

⎦<br />

( z − z ) + ( z − z )<br />

1<br />

4<br />

2<br />

3<br />

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Operaciones espaciales:<br />

Filtrado no lineal<br />

• Filtros <strong>de</strong> estadísticos or<strong>de</strong>nados.<br />

• Son filtros en los que la operación a realizar es no lineal<br />

• Funcionan or<strong>de</strong>nando los valores en la vecindad <strong>de</strong> cada<br />

punto <strong>de</strong> menor a mayor, y obteniendo algún valor a<br />

partir <strong>de</strong> la lista or<strong>de</strong>nada.<br />

• Ejemplos:<br />

• Mínimo: selecciona el valor más pequeño<br />

• Máximo: selecciona el valor más alto<br />

• Mediana: selecciona el valor en la posición intermedia<br />

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Operaciones espaciales:<br />

Filtrado no lineal<br />

• El filtro <strong>de</strong> mediana suele utilizarse para eliminar ruido<br />

impulsivo preservando los bor<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la imagen<br />

Original<br />

Original con<br />

ruido<br />

impulsivo<br />

Filtro LSI<br />

Filtrada 3x3<br />

Filtrada 11x11<br />

Filtro <strong>de</strong><br />

medianas<br />

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