پردازش تصویر دیجیتال چیست و چه مفاهیمی دارد؟

در علوم کامپیوتر، پردازش تصویر دیجیتال عبارت است از استفاده از الگوریتم های کامپیوتری جهت انجام پردازش تصویر روی تصاویر دیجیتال.

پردازش تصویر به عنوان زیربخش یا زمینه ای از پردازش سیگنال دیجیتال، مزیت های فراوانی نسبت به پردازش تصویر آنالوگ دارد. پردازش تصویر دیجیتال امکان اِعمال گستره وسیع تری از الگوریتم ها را روی داده های ورودی فراهم میکند و میتواند از مسائلی مثل تجمع نویز و اختلال سیگنال طی فرایند پردازش اجتناب کند. از آنجا که تصاویر روی دو بعد (شاید بیشتر از دو بعد) تعریف میشوند، پردازش تصویر را میتوان را به شکل سیستم های چندبعدی مدل سازی کرد.

 

تاریخچه پردازش تصویر


بسیازی از تکنیک های پردازش تصویر دیجیتال، یا پردازش عکس که اغلب اینگونه نامیده میشد، در دهه ۱۹۶۰ در آزمایشگاه جت پروپالژن، موسسه فناوری ماساچوست، آزمایشگاه های بل، دانشگاه مریلند و چند موسسه تحقیقاتی دیگر، برای کاربردهای تصویربرداری ماهواره ای، تبدیل استاندارد رادیوعکس، تصویربرداری پزشکی، ویدیوفون، شناسایی حروف و تقویت عکس، توسعه داده شدند. هزینه این پردازش با تجهیزات کامپیوتری آن زمان نسبتاً بالا بود. این موضوع در دهه ۱۹۷۰ با دسترسی به رایانه های ارزانتر و سخت افزار های مخصوص دستخوش تغییر شد و پردازش تصویر دیجیتال گسترش یافت. در آن زمان پردازش همزمان تصاویر برای برخی مسائل خاص مثل تبدیل استانداردهای تلویزیون ممکن بود. با سریعتر شدن رایانه های چندمنظوره، آنها جای سخت افزارهای مخصوص را برای تمام کارها به جز تخصصی ترین و کامپیوتر-محور ترین عملیات گرفتند. با فراهم شدن رایانه ها و پردازنده های سیگنالی سریع در سالهای ۲۰۰۰، پردازش تصویر دیجیتال، به متداول ترین شکل پردازش تصویر تبدیل شده است و عموماً، از آن نه تنها به این دلیل که استوارترین روش است، بلکه چون ارزانترین نیز هست استفاده میشود.

فناوری پردازش تصویر دیجیتال برای کاربردهای پزشکی در ۱۹۹۴ در تالار مشاهیر فناوری فضایی بنیاد فضایی معرفی شد.

وظایف


پردازش تصویر دیجیتال استفاده از الگوریتم های بسیار پیچیده تر را ممکن میسازد و لذا، میتواند هم عملکردی پیچیده تر در کارهای ساده، و هم پیاده سازی روش هایی که توسط ابزار آنالوگ غیرممکن است را ارائه کند.

به ویژه، پردازش تصویر دیجیتال تنها فناوری عملی برای موارد زیر است:

  • دسته بندی (Classification)
  • استخراج ویژگی (Feature extraction)
  • آنالیز سیگنال چند مقیاسی (Multi-scale signal analysis)
  • الگوشناسی (Pattern recognition)
  • افکنش (Projection)

برخی تکنیک ها که در پردازش تصویر دیجیتال استفاده میشوند عبارتند از:

  • انتشار ناهمسانگرد (Anisotropic diffusion)
  • مدل های مارکوف پنهان (Hidden Markov models)
  • ویرایش تصویر
  • بازیابی تصویر
  • تحلیل اجزای مستقل
  • فیلترینگ خطی
  • شبکه های عصبی
  • معادلات دیفرانسیل جزئی
  • پیکسلی سازی
  • تحلیل اجزای اصلی
  • نگاشت های خود-سازمانده
  • موجک ها (Wavelets)

تبدیلات تصویر دیجیتال


فیلترینگ

فیلترهای دیجیتال برای تار و واضح سازی تصاویر دیجیتال استفاده میشوند. فیلترینگ را میتوان در حوزه مکان با همگردش توسط هسته های خاصِ طراحی شده (آرایه فیلتری)، یا در حوزه فرکانسی (فوریه) با ماسک گذاری برخی ناحیه های فرکانسی خاص، انجام داد. مثال های زیر هر دو روش را نشان میدهند:

لایه گذاری تصویر در فیلترینگ حوزه فوریه

تصاویر معمولاً پیش از انتقال به فضای فوریه لایه گذاری میشوند، تصاویر فیلتر بالاگذر شده زیر، نتایج تکنیک های مختلف لایه گذاری را نشان میدهند:

تصاویر فیلتر بالاگذر - مدیاسافت

توجه کنید که فیلتر بالاگذر هنگام لایه گذاری صفر، در مقایسه با لایه گذاری تکراری لبه، لبه های اضافه تری را نشان میدهد.

مثال های کد فیلترینگ

مثال متلب برای فیلترینگ بالاگذر حوزه مکان:

img=checkerboard(20);                           % generate checkerboard
% **************************  SPATIAL DOMAIN  ***************************
klaplace=[0 -1 0; -1 5 -1;  0 -1 0];             % Laplacian filter kernel
X=conv2(img,klaplace);                          % convolve test img with
                                                % ۳x3 Laplacian kernel
figure()
imshow(X,[])                                    % show Laplacian filtered 
title('Laplacian Edge Detection')

 

تبدیلات آفینی

تبدیلات آفینی، تبدیلات اساسی تصویر از جمله مقیاس کردن، دَوَران، انتقال، بازتاب و برش را ممکن میسازند. به مثال های زیر توجه کنید.

تبدیلات آفینی - پردازش تصویر - مدیاسافت

کاربردها


تصاویر دوربین دیجیتال

دوربین های دیجیتال معمولاً دارای سخت افزارهای ویژه برای پردازش تصویر هستند(یا به صورت چیپ های ویژه یا بصورت مدارهای اضافه شده روی سایر چیپ ها)تا داده های خام را از حسگرهای تصویر، به یک تصویر تصحیح شده رنگی در یک فرمت فایل تصویری استاندارد تبدیل کند.

فیلم

جهان غرب (۱۹۷۳) اولین فیلمی بود که از پردازش تصویر دیجیتال برای پیکسلی سازی عکس برداری برای شبیه سازی دید یک ربات انسان نما استفاده کرد.

نوشته پردازش تصویر دیجیتال چیست و چه مفاهیمی دارد؟ اولین بار در مدیاسافت پدیدار شد.