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Bildverarbeitungsalgorithmen Gesamtwiederholung

Bildverarbeitungsalgorithmen Gesamtwiederholung. Manfred Thaller, Universität zu Köln Köln 29. Januar 2008. I. Bildverarbeitung. Bearbeitung von Bildern, die als strukturierter Bytestream im Memory geladen sind. Basisalgorithmus Bildverarbeitung. Unter Annahme eines Bildes als:

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Bildverarbeitungsalgorithmen Gesamtwiederholung

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Presentation Transcript

  1. BildverarbeitungsalgorithmenGesamtwiederholung Manfred Thaller, Universität zu Köln Köln 29. Januar 2008

  2. I. Bildverarbeitung Bearbeitung von Bildern, die als strukturierter Bytestream im Memory geladen sind.

  3. Basisalgorithmus Bildverarbeitung Unter Annahme eines Bildes als: struct image { int zeilen; int spalten; unsigned char *bytes; } o; for (i=0;i<o.spalten;i++) for (j=0;j<o.zeilen;j++) transform(* (o.bytes + (j*spalten) + i) );

  4. Basisalgorithmus Bildverarbeitung Oder allgemeiner: struct image { int zeilen; int spalten; pixel *pixel; } o; for (i=0;i<o.spalten;i++) for (j=0;j<o.zeilen;j++) transform(* (o.pixel + (j*spalten) + i) );

  5. Basisalgorithmus Bildverarbeitung Eingebunden in den Kontext von Qt (i.e., QImage): Beispiel: Negation 8 Bit for (int y=0;y<image->height();y++) for (int x=0;x<image->width();x++) { oldVal = *(image->scanLine(y) + x); newVal=255-oldVal; *(image->scanLine(y) + x) = newVal; }

  6. Basisalgorithmus Bildverarbeitung Eingebunden in den Kontext von Qt (i.e., QImage): Beispiel: Negation 24 Bit for (int y=0;y<image->height();y++) for (int x=0;x<image->width();x++) { RGB=(QRgb *)image->scanLine(y) + x; oldRed = qRed(*RGB); newRed=255-oldRed; oldGreen = qGreen(*RGB); newGreen=255-oldGreen; oldBlue = qBlue(*RGB); newBlue=255-oldBlue; *RGB = qRgb(newRed,newGreen,newBlue); }

  7. Basisalgorithmus Bildverarbeitung Dabei gilt jedoch: for (int y=0;y<result.height();y++) { for (int x=0;x<result.width();x++) { *(result.scanLine(y) + x) = meineTransformation(*(image.scanLine(y)) ; } Etwa eine Größenordnung langsamer als:

  8. Basisalgorithmus Bildverarbeitung for (int y=0;y<result.height();y++) { newpixel=result.scanLine(y); oldpixel=image.scanLine(y); for (int x=0;x<result.width();x++) *(newpixel++) = meineTransformation(*(oldpixel++)); }

  9. Basisalgorithmus Bildverarbeitung Merke: Bildverarbeitung muss performant sein!

  10. Basistransformationen Negation: oldVal = *(image->scanLine(y) + x); newVal=255-oldVal; *(image->scanLine(y) + x) = newVal;

  11. Basistransformationen Horizontale Spiegelung: for (int y=0;y<image->height();y++) for (int target=0,source=image->width()-1; target<limit;target++,source--) { pixel=*(image->scanLine(y) + source); *(image->scanLine(y) + source) = *(image->scanLine(y) + target); *(image->scanLine(y) + target) = pixel; }

  12. Basistransformationen Vertikale Spiegelung: for (int target=0,source=image->height()-1; target<limit;target++,source--) for (int x=0;x<image->width();x++) { pixel=*(image->scanLine(source) + x); *(image->scanLine(source) + x) = *(image->scanLine(target) + x); *(image->scanLine(target) + x) = pixel; }

  13. Basistransformationen Farbbandextraktion (Qt spezifisch, lookup table): for (int y=0;y<image->height();y++) for (int x=0;x<image->width();x++) { RGBval=image->colorTable() [*(image->scanLine(y) + x)]; pixel=qRed(RGBval); *(result.scanLine(y) + x) = pixel; }

  14. Basistransformationen Quadrantenrotation: for (int oldy=0,newx=image->height()-1;oldy<image->height(); oldy++,newx--) for (int oldx=0,newy=0;oldx<image->width(); oldx++,newy++) *(result.scanLine(newy) + newx) = *(image->scanLine(oldy) + oldx);

  15. Basistransformationen Gradgenaue Rotation: for (int y=0;y<image->height();y++) { h=image->height()-y; for (int x=0;x<image->width();x++) { rho=sqrt((double)(x*x)+(double)(h*h)); theta=atan((double)h/(double)x)-usearc; newx=(int)rint(rho*cos(theta)+xmin); newy=ysize-((int)rint(rho*sin(theta)+ymin)); *(inter+(newy*xsize)+newx)= *(image->scanLine(y) + x); } }

  16. Basistransformationen Nachgeschobene Interpolation zur Rotation: offset[0]= -1; offset[1]= 1; offset[2]= xsize*-1; offset[3]= xsize; for (int y=0;y<result.height();y++) { for (int x=0;x<result.width();x++,use++) { if (*use>=0) *(result.scanLine(y)+x) = *use; else if (*(use-1)<0 || *(use+1)<0) *(result.scanLine(y)+x) = 0; else { *(result.scanLine(y)+x) = *(use+offset[now]); if (++now==4) now=0; } } }

  17. Lookuptable Transformationen Intensitätsmodifikation: table8=new unsigned int[256]; for (int i=0;i<256;i++) { newpixel=i+value; if (newpixel < 0)newpixel=0; else if (newpixel>255) newpixel=255; table8[i]=newpixel; } result=TIlookup(image,(void *)table8); delete table8;

  18. Lookuptable Transformationen Wobei gilt TIlookup ==: for (int y=0;y<image.height();y++) for (int x=0;x<image.width();x++) *(result.scanLine(y) + x) = table8[*(image.scanLine(y) + x)];

  19. Lookuptable Transformationen Wobei gilt TIlookup ==: for (int y=0;y<image.height();y++) for (int x=0;x<image.width();x++) *(result.scanLine(y) + x) = table8[*(image.scanLine(y) + x)];

  20. Lookuptable Transformationen Davon abgeleitet: Winkeltransformation (Beispiel cosinus) arcfactor=M_PI/180.0; cosfactor=255.0/2.0; table8=new unsigned int[256]; for (int i=0;i<256;i++) table8[i]=(int)rint((cos((double)i*arcfactor)+1.0)*cosfactor); result=TIlookup(image,(void *)table8); delete table8;

  21. Lookuptable Transformationen Davon abgeleitet: Reduktion auf Helligkeitsausschnitt factor=(float)256.0/(high-low+1); table8=new unsigned int[256]; step=low; for (int i=0;i<256;i++) { table8[i]=(int)step; if (step<255.0) { step+=factor; if (step>255.0) step=255.0; } } result=TIlookup(image,(void *)table8); delete table8;

  22. Lookuptable Transformationen Histogramm errechnen: histo8 = new unsigned int[256]; for (int i=0; i<256; i++) histo8[i] = 0; for (int y=0;y<image.height();y++) for (int x=0;x<image.width();x++) histo8[*(image.scanLine(y) + x)]++;

  23. Lookuptable Transformationen Davon abgeleitet auch Standardkontrastausgleich 1 / 2: histo8 = (unsigned int*)TIhistogram(image); total=image.width() * image.height(); limit=(int)(total*0.05); for (low=0,i=0;low<limit;i++) low+=histo8[i]; low=i; for (high=0,i=255;high<limit;i--) high+=histo8[i]; high=i;

  24. Lookuptable Transformationen Davon abgeleitet auch Standardkontrastausgleich 2 / 2: factor=13.0/low; for (i=0,step=0.0;i<low;i++) { histo8[i]=(int)step; step+=factor; } factor=230.0/(high-low); for (step=13.0;i<high+1;i++) { histo8[i]=(int)step; step+=factor; } factor=13.0/(256-high); for (step=243.0;i<256;i++) { histo8[i]=(int)step; step+=factor; } return TIlookup(image,(void *)histo8);

  25. Lookuptable Transformationen Davon abgeleitet auch Standardkontrastausgleich 2 / 2: factor=13.0/low; for (i=0,step=0.0;i<low;i++) { histo8[i]=(int)step; step+=factor; } factor=230.0/(high-low); for (step=13.0;i<high+1;i++) { histo8[i]=(int)step; step+=factor; } factor=13.0/(256-high); for (step=243.0;i<256;i++) { histo8[i]=(int)step; step+=factor; } return TIlookup(image,(void *)histo8);

  26. Lookuptable Transformationen Verwandt damit: Table-basierter Zoom: factor = (float) zoom / (float)image.width(); xtable=new int[result.width()]; ytable=new int[result.height()]; for (int newy=0;newy<result.height();newy++) ytable[newy] = (int)(newy / factor); for (int newx=0;newx<result.width();newx++) xtable[newx] = (int)(newx / factor); for (int newy=0;newy<result.height();newy++) { newpixel=result.scanLine(newy); oldbase=image.scanLine(ytable[newy]); for (int newx=0;newx<result.width();newx++) *(newpixel++) = *(oldbase + xtable[newx]); }

  27. Lookuptable Transformationen NB: Interpolierender Zoom wird realisiert durch komplexeren Aufbau der Lookuptables.

  28. Nachbarschaftstransformationen Basisvorgehen: for (int y=1;y<result.height()-1;y++) { baseline=image.scanLine(y); for (int x=1;x<result.width()-1;x++) *(result.scanLine(y) + x) = TIneighbour8(image,x,type,baseline); }

  29. Nachbarschaftstransformationen Beispiel für eine Nachbarschaftstransformation: static int Xoffset[] = { -1, 0, 1, -1, 0, 1, -1, 0, 1}; static int Yoffset[] = { -1, -1, -1, 0, 0, 0, 1, 1, 1}; width=image.width(); switch(action) { case TINMinimum: result=255; for (int i=0;i < 9; i++) { candidate = *(baseline + (width*Yoffset[i]) + x + Xoffset[i]); if (candidate < result) result=candidate; } break;

  30. Nachbarschaftstransformationen Hervorheben von Intensitätsänderungen – X Differenz for (int y=0;y<result.height();y++) for (int x=1;x<result.width();x++) { collect = *(image.scanLine(y) + x) – *(image.scanLine(y) + x-1); *(result.scanLine(y) + x) = (collect<0) ? collect * -1 : collect; }

  31. Nachbarschaftstransformationen NB: Partielle Transformationen können in Bilder „eingeschrieben“ werden – Übergangsbetonung durch Einrechnen XY Differenz: step1=TIcontrastS(TIXYdifference(image)); for (int y=0;y<result.height();y++) for (int x=0;x<result.width();x++) *(result.scanLine(y) + x) = (*(step1.scanLine(y) + x) >= 128) ? 0 : *(image.scanLine(y) + x);

  32. Filteroperationen : Nachbarschaften Auf der operativen – nicht mathematischen – Ebene können Filter als multiplikative Nachbarschaftstransformationen verstanden werden.

  33. Filteroperationen : Nachbarschaften Filteranwendung 1 / 2: static int filter[4][9]= { 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, /* 0 = low pass 1 */ 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, /* 1 = low pass 2 */ 0,-1, 0,-1, 5,-1, 0,-1, 0, /* 2 = high pass 1 */ -1,-1,-1,-1, 9,-1,-1,-1,-1 /* 3 = high pass 2 */ }; static int divisor[4] = {9,5,1,1}; unsigned char *baseline; for (int y=1;y<result.height()-1;y++) { baseline=image.scanLine(y); for (int x=1;x<result.width()-1;x++) *(result.scanLine(y) + x) = TIfilter8(image,x,filter[type],divisor[type],baseline);

  34. Filteroperationen : Nachbarschaften Wobei gilt (Filteranwendung 2 / 2): int Xoffset[] = { -1, 0, 1, -1, 0, 1, -1, 0, 1}; int Yoffset[] = { -1, -1, -1, 0, 0, 0, 1, 1, 1}; width=image.width(); collect=0; for (int i=0;i < 9; i++) collect += *(baseline + (width*Yoffset[i]) + x + Xoffset[i]) *filter[i]; result = collect / divisor;

  35. Filter: Dementsprechend, die wichtigsten Filter: static int filter[15][9]= { 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, /* 0 = low pass 1 */ 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, /* 1 = low pass 2 */ 0,-1, 0,-1, 5,-1, 0,-1, 0, /* 2 = high pass 1 */ -1,-1,-1,-1, 9,-1,-1,-1,-1, /* 3 = high pass 2 */ 1, 2, 1, 2, 4, 2, 1, 2, 1, /* 4 = W.Mean 1 */ 0, 1, 0, 1, 2, 1, 0, 1, 0, /* 5 = W.Mean 2 */ 0, 1, 0, 1,-4, 1, 0, 1, 0, /* 6 = Laplace 1 */ -1,-1,-1,-1, 8,-1,-1,-1,-1, /* 7 = Laplace 2 */ 0,-1, 0,-1, 7,-1, 0,-1, 0, /* 8 = Laplace 3 */ -1,-1,-1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, /* 9 = Prewitt A */ -1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, /* 10 = Roberts A */ -1,-2,-1, 0, 0, 0, 1, 2, 1, /* 11 = Sobel A */ 1, 0,-1, 1, 0,-1, 1, 0,-1, /* 12 = Prewitt B */ 0, 0,-1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, /* 13 = Roberts B */ -1, 0, 1,-2, 0, 2,-1, 0, 1 /* 14 = Sobel B */ }; static int divisor[15] = {9,5,1,1,16,6,1,1,3,1,1,1,1,1,1}; static int absolute[15] = {0,0,0,0,0,0,0,0,0,-1,-1,-1,-1,-1,-1};

  36. Transformationen des Fourier Typs Prinzip: Die Zuordnung von Helligkeitswerten zu Punkten wird durch eine andere geometrisch / mathematische Interpretation derselben numerischen Werte ersetzt. Fourier: Die räumliche Verteilung von Helligkeitswerten kann durch eine Bündelung von Frequenzwerten ersetzt werden.

  37. Transformationen des Fourier Typs Beispielsweise ist leicht nachvollziehbar, dass im Bild jede Zeile des Bildes auch als eine „Schwingung“ verstanden werden kann, deren „hohe“ Amplitude besonders „hell“, deren „niedrige“ besonders „dunkel“ ist.

  38. Transformationen des Fourier Typs Wenn dies so ist, kann dieses Bild offensichtlich durch Angabe der Schwingungsdauer und der Amplitude dargestellt werden. Wird dies weitergedacht, kann man konzeptuell jeden Punkt eines Punktes dadurch beschreiben, dass man behauptet, das Bild von n x m Pixeln stelle n x m Schwingungen dar, von denen jede an genau einem der Pixel jene Ausprägung der Amplitude habe, die dem Helligkeitswert dieses Pixels entspräche.

  39. Transformationen des Fourier Typs Fouriertransformationen sind relativ anspruchsvoll effektiv zu optimieren; wurden deshalb während des Semesters NICHT im Quellcode besprochen. Sie sind aber EXTREM wichtig. Wichtig ist, folgende Eigenschaften festzuhalten:

  40. Transformationen des Fourier Typs (1) Fouriertransformationen sind voll umkehrbar:

  41. Transformationen des Fourier Typs (2) Transformierte Bilder können zielgerichtet bearbeitet werden:

  42. Transformationen des Fourier Typs (2) Transformierte Bilder bestehen üblicherweise aus überwiegend sehr viel kleineren Zahlenwerten:

  43. II. Bildspeicherung und Kompression Techniken zum Transfer von Bytestreams aus der linearen Form (Platte) in strukturierte Form (Memory).

  44. Binäres Lesen (Qt flavour) „Lesen“ imageFile.seek(ifd_addr); imageFile.read((char *)buffer,n); „Schreiben“ imageFile.seek(ifd_addr); imageFile.write((char *)buffer,n); „Position merken“ ifdstart = imageFile.pos();

  45. Komprimieren Run Length Encoding while(line > 0) { c = *(source)++; if (c < 0) { count = c * -1 + 1; memset(target, *source, count); source++; } else { count = c + 1; memcpy(target, source, count); source += count; } line -= count; target += count; }

  46. Komprimieren CCITT / Huffmann Encoding (bitonal) 1 / 3 while(gotten<header->width) { if ((runlength=TIfetchrun(&ccitt,buffer,0,&err))<0) goto cleanup; memset(target,usecolor[0],runlength); target+=runlength; gotten+=runlength; if (gotten>=header->width) break; if ((runlength=TIfetchrun(&ccitt,buffer,1,&err))<0) goto cleanup; memset(target,usecolor[1],runlength); target+=runlength; gotten+=runlength; }

  47. Komprimieren CCITT / Huffmann Encoding (bitonal) 2 / 3

  48. Komprimieren CCITT / Huffmann Encoding (bitonal) 3 / 3

  49. Komprimieren Lempel-Ziv & Welch (LZW) 1 / 2 InitializeStringTable(); WriteCode(ClearCode); W = the empty string; for each character in the strip { K = GetNextCharacter(); if W+K is in the string table { W = W+K; /* string concatenation */ } else { WriteCode (CodeFromString(W)); AddTableEntry(W+K); W = K; } } WriteCode (CodeFromString(W)); WriteCode (EndOfInformation);

  50. Komprimieren Lempel-Ziv & Welch (LZW) 2 / 2 static int shifts[4][8] = { 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5 }; int raw, use; use = lzw->lzwbits >> 3; if (use >=max) return TiffLZWEOI; raw = (raster[use] << 8) + (raster[use + 1]); if (lzw->lzwcs>9) raw= (raw<<8) + (raster[use + 2]); raw >>= shifts[lzw->lzwcs-9][lzw->lzwbits % 8]; lzw->lzwbits += lzw->lzwcs; return (raw&lzw->lzwmask);

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