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Giovanni Mettivier » 2.Digital Imaging Processing: Introduzione


Digital Imaging Processing

  • Miglioramento delle informazioni.
  • Elaborazione per l’immagazzinamento, la trasmissione e la rappresentazione.

Digital Imaging Processing (segue)

Una immagine digitale può essere vista come una funzione bidimensionale, dove f rappresenta l’intensità o livello di grigio dell’immagine in quel punto.

L’immagine viene definita “immagine digitale” se x,y ed f assumono solo valori discreti.

Un’immagine digitale è composta da un numero finito di elementi (pixel), ciascuno dei quali ha una particolare posizione ed un particolare valore.

Il valore della funzione rappresenta il livello di grigio dell’immagine nel punto di coordinate (x,y)

Il valore della funzione rappresenta il livello di grigio dell'immagine nel punto di coordinate (x,y)


Digital Imaging Processing (segue)

Definizione: Elaborazione delle immagini digitali per mezzo di elaboratori elettronici.

Comprende tutti i processi nei quali sia l’input che l’output sono immagini e racchiude processi dai quali si ricavano attributi a partire dalle immagini, includendo il riconoscimento dei singoli oggetti.

Digital Imaging Processing (segue)


Un po’ di storia …

  • 1920: Primo trasferimento di immagini digitali da Londra a New York.
  • 1922: Nasce la riproduzione fotografica.
  • 1929: Immagini con 15 livelli di grigio.
  • 1960: Utilizzo dei computer nell’image processing con le missioni spaziali.
  • 1965/70: Prime applicazioni nel campo medico, geologico e astronomico.
  • 1970: Invenzione della Computed Tomography.

Digital Imaging Processing (segue)

In presenza di una sorgente luminosa e di un oggetto, l’immagine dell’oggetto percepita da un osservatore o acquisita da un trasduttore può essere definita come una distribuzione spaziale di energia radiante prodotta da questa sorgente modificata dalla risposta dell’osservatore o del trasduttore, tipicamente secondo una media temporale e una media rispetto alle varie lunghezze d’onda:

F = f(x,y,l,t)

F è reale, non negativa, finita e limitata (rispetto alle variabili spaziali e temporale).

Esempio dell’immagine di oggetti diversamente illuminati da una sorgente luminosa percepita da un osservatore

Esempio dell'immagine di oggetti diversamente illuminati da una sorgente luminosa percepita da un osservatore


Formazione dell’Immagine

Un’immagine generata da un processo fisico ha valori proporzionali all’energia irradiata dalla sorgente fisica di illuminazione.

L’immagine può quindi essere caratterizzata, d’accordo con l’intuizione, come una distribuzione bidimensionale di intensità (luminosità).

La funzione f(x,y) è costituita da due componenti:

  • la luminosità i(x,y): quantità della sorgente luminosa incidente sulla scena
  • la reflettanza r(x,y): quantità della sorgente luminosa riflessa dagli oggetti

f(x,y) = i(x,y)r(x,y)

La luminosità dipende dalla sorgente luminosa stessa, mentre la reflettanza dagli oggetti presenti nella scena.

Tipici valori:

  • luminosità: 90000 lum/m2 (sole), 10000 lum/m2 (nuvoloso), 0.1 lum/m2 (luna piena senza nubi), 1000 lum/m2 (ufficio);
  • reflettanza: 0.01 (velluto nero), 0.9 (metallo argentato), 0.93 (neve).

Livelli di grigio

In base ai valori riportati sulla luminosità si può assumere che Lmin ≤ f(x,y) ≤ Lmax, dove valori ragionevoli per Lmin e Lmax sono Lmin = 0.005, lmax = 100 (in interni).

Per una immagine monocromatica, l’intervallo [Lmin, Lmax] prende il nome di scala di grigi, mentre l’intensità f(x,y) è detta anche livello di grigio dell’immagine nel punto di coordinate (x,y).

In pratica si usa una scala dei grigi convenzionalmente compresa tra [0, L-1], in cui 0 corrisponde al nero e L-1 rappresenta il bianco.

Esempio di  una scala di grigi

Esempio di una scala di grigi


Livelli di grigio (segue)

Si ha tipicamente L = 2k, dove k è il numero di bit usato per codificare ciascun pixel (profondità del pixel).
Per esempio, con 8 bit si ha la possibilità di rappresentare un numero di livelli (256) tale da consentire una discriminazione dei grigi accettabile nella maggior parte delle applicazioni, in quanto abbastanza prossima a quella dell’occhio umano.

Confronto tra una immagine a 32 bit ed una a 2 bit

Confronto tra una immagine a 32 bit ed una a 2 bit


Sorgenti di Energia


Sorgenti di Energia: Applicazioni

  • Imaging a raggi gamma: medicina nucleare, osservazioni astronimiche.
  • Imaging a raggi X: diagnosi medica, astronomia, industria.
  • Imaging a bande ultraviolette: litografia, ispezione industriale, microscopia, laser, biologia, osservazioni astronomiche.
  • Bande infrarosse e del visibile.
  • Imaging nella banda radio: medico ed astronomico.
Esempi di immagini acquisite con diverse sorgenti

Esempi di immagini acquisite con diverse sorgenti


L’occhio umano

L’occhio umano è racchiuso da tre membrane:

  • cornea/sclera: membrane interne spesse, una trasparente (cornea) ed una opaca (sclera).
  • coroide: posta subito sotto la sclera è piena di capillari che nutrono il bulbo oculare. L’estremità anteriore della coroide costituisce l’iride, un diaframma che si contrae e si espande per regolare la quantità di luce che incide sulla lente. L’apertura centrale dell’iride è la pupilla, il cui diametro varia da 2 a 8 mm circa.
  • retina: contiene i recettori della luce.
Schema semplificato di una sezione dell’occhio umano. Immagine tratta da Wikipedia

Schema semplificato di una sezione dell'occhio umano. Immagine tratta da Wikipedia


L’occhio umano (segue)

La lente (o cristallino), in larga misura costituita da acqua e grassi, contiene un pigmento che le conferisce una lieve colorazione gialla, che si appesantisce con l’invecchiamento. La lente assorbe circa l’8% della luce incidente, in maniera non uniforme rispetto allo spettro della luce visibile (l’assorbimento è maggiore nella regione del blu).
Sia la radiazione infrarossa che l’ultravioletta sono invece assorbite in maniera notevole, e se di entità eccessiva possono danneggiare l’occhio.

L’occhio umano (segue)

La retina occupa l’intera parete posteriore dell’occhio. Quando un oggetto o una scena sono messe a fuoco dalla lente, l’immagine ottica è proiettata sulla retina, consentendo ai ricettori fotosensibili di assorbire l’energia della radiazione elettromagnetica e di convertirla in segnali elettrochimici che vengono convogliati verso il cervello attraverso le fibre nervose che costituiscono il nervo ottico.

Coni e Bastoncelli

La superficie della retina è costituita da ricettori di luce:

  • coni: 6-7 milioni, nella fovea (centro della retina); molto sensibili al colore; utilizzati per percepire i dettagli (1 cone=1 nervo); visione fotopica;
  • bastoncelli: 75-150 milioni, distribuiti sulla retina danno la visione generale senza dettagli. Non forniscono la percezione del colore e sono usati per la visione con scarsa illuminazione; visione scototipica.
Immagine al microscopio di un gruppo di coni

Immagine al microscopio di un gruppo di coni

Immagine al microscopio di un gruppo di bastoncelli

Immagine al microscopio di un gruppo di bastoncelli


Densità dei coni e dei bastoncelli

La distribuzione dei ricettori sulla retina è radialmente simmetrica rispetto alla fovea.

Esiste un blind spot in corrispondenza del nervo ottico.

Distribuzione dei coni e dei bastoncelli nella retina

Distribuzione dei coni e dei bastoncelli nella retina


Sensitività dei recettori

Ci sono tre tipi di coni:

  1. Tipo S – sensibile alla luce “rossa”.
  2. Tipo M – sensibile alla luce”verde”.
  3. Tipo L – sensibile alla luce “blu”.

Ogni tipo di cono ha un risposta diversa alle diverse lunghezze d’onda ed eccitabile solo se presente un valore minimo di luminosità.

Andamento della sensibilità dei tre tipi di coni (S, M ed L) in funzione della lunghezza d’onda

Andamento della sensibilità dei tre tipi di coni (S, M ed L) in funzione della lunghezza d'onda


Luminosità percepita

La luminosità percepita non è soltanto funzione dell’intensità.
Infatti, il sistema visivo umano tende a “confondersi” al confine fra zone di differente intensità.

Andamento della sensibilità dei tre tipi di coni (S, M ed L) in funzione della lunghezza d’onda

Andamento della sensibilità dei tre tipi di coni (S, M ed L) in funzione della lunghezza d'onda


Contrasto simultaneo

Un altro fenomeno tipico è quello del contrasto simultaneo: il contesto contribuisce alla determinazione della luminosità di una regione.

Esempio di contrasto simultaneo. I quadrati  hanno la stessa intensità, ma quello  su fondo scuro appare più chiaro di quello su fondo chiaro

Esempio di contrasto simultaneo. I quadrati hanno la stessa intensità, ma quello su fondo scuro appare più chiaro di quello su fondo chiaro


Effetti ottici

Altri fenomeni percettivi tipici sono le illusioni ottiche: l’occhio viene ingannato dalle caratteristiche, anche geometriche, della scena e ne desume informazioni errate o inesistenti.

Esempio di illusione ottica. Le linee nell’immagine sono dritte anche se sembrano storte

Esempio di illusione ottica. Le linee nell'immagine sono dritte anche se sembrano storte


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