Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений (3-е изд., 2012) (1246138), страница 19

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 19)

2.13 изображена конструкция, применяемая в прецизионных сканерах,где пленочный негатив закрепляется на барабане, вращение которого обеспечивает перемещение по одной оси. Одиночный сенсор закреплен на ходовомвинте, вращение которого приводит к линейной подаче в перпендикулярномнаправлении. Поскольку механическим перемещением можно управлятьс большой точностью, такой способ позволяет регистрировать изображенияс высоким разрешением при небольших затратах (но медленно). Другой вид80Глава 2. Основы цифрового представления изображенийФотопленкаВращениеСенсорЛинейное перемещениеЗа каждый оборот регистрируетсяодна строка изображения; регистрациявсего изображения происходит за полныйход сенсора слева направо.Рис.

2.13.Перемещение одиночного сенсора при регистрации двумерного изображениямеханической конструкции аналогичного назначения — это планшет, по которому чувствительный элемент линейно передвигается в двух направлениях. Такие устройства с последовательным механическим сканированием всего поля изображения (как барабанные, так и планшетные) иногда называютмикроденситометрами.При другом способе получения изображения с помощью одиночного сенсора используется лазерный источник света, конструктивно совмещенный с сенсором. Механическая развертка осуществляется с помощью движения зеркал,направляющих луч источника на сканируемый плоский объект и возвращающих отраженный луч на чувствительный элемент.

Та же конструкция можетприменяться для регистрации изображений с помощью линеек и матриц чувствительных элементов, что обсуждается в следующих двух параграфах.2.3.2. Регистрация изображения с помощью линейки сенсоровБолее часто, чем одиночный сенсор, для считывания изображений используется одномерный массив сенсоров, обычно располагаемых вдоль прямой, как этопоказано на рис.

2.12(б). Такая линейка обеспечивает одновременную регистрацию элементов изображения в одном направлении (условно говоря, по строке),а перемещение всей линейки в перпендикулярном направлении позволяет получить все строки изображения (рис. 2.14(а)). Подобная конструкция применяется в большинстве планшетных сканеров. Удается изготавливать линейки,состоящие из 4000 и более расположенных в ряд чувствительных элементов.Расположение сенсоров в ряд широко используется при аэрофотосъемке, когда система регистрации устанавливается на самолете, летящем с постояннойскоростью и на неизменной высоте над интересующим районом.

Одномерныелинейки сенсоров, чувствительных к излучениям в различных участках электромагнитного спектра, располагаются перпендикулярно направлению полета.В каждый момент времени линейка сенсоров регистрирует одну строку изображения, а движение всей системы в перпендикулярном направлении позволяетзаполнить второе измерение двумерного изображения.

Для проекции сканируемой области на линейку сенсоров применяются линзы или другие фокусирующие устройства.2.3. Считывание и регистрация изображенияа б81Одна строка изображениярегистрируется за один шаглинейного перемещенияСканируемаяобластьРеконструкцияизображенияЛинейноеперемещениеИзображения поперечныхсрезов трехмерного объектаЛинейка сенсоровТрехмерныйобъектРентгеновскийисточникРис. 2.14.

(а) Считывание изображения с помощью линейкисенсоров. (б) Считывание изображения с помощью кольцеобразного набора сенсоровное иенейЛи ещенемперКольцо сенсоровКольцеобразные наборы сенсоров применяются в медицине и промышленности для получения изображений поперечного сечения («срезов») трехмерныхобъектов, как показано на рис. 2.14(б).

Вращающийся рентгеновский источник освещает объект, а расположенные на противоположной стороне кольцадетекторы рентгеновского излучения улавливают энергию рентгеновских лучей, прошедших сквозь объект. Таков основной принцип получения изображений в компьютерной томографии (КТ), ранее упоминавшейся в разделах 1.2и 1.3.2.

Важно отметить, что выходные сигналы сенсоров подлежат обработкес помощью алгоритмов реконструкции, задача которых состоит в преобразовании регистрируемых данных в осмысленные изображения поперечных срезов(см. раздел 5.11). Другими словами, изображение среза не может быть получено простой регистрацией принимаемых сигналов одновременно с движениемисточника, а необходима значительная по объему вычислений обработка этихпервичных данных. Трехмерное представление исследуемого объекта, состоящее из серии последовательных срезов, полученных с некоторым шагом, генерируется путем перемещения объекта в направлении, перпендикулярномк плоскости кольца.

Существуют и другие способы регистрации изображений с использованием принципа КТ, но на базе иных физических процессов,в частности получение изображений методом ядерного магнитного резонанса(ЯМР) и позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ). В них используютсяисточники освещения и чувствительные элементы других типов, отличаетсяи вид получаемых изображений, но принципиально эти способы регистрацииизображений в значительной степени основаны на базовой схеме, показаннойна рис. 2.14(б).82Глава 2.

Основы цифрового представления изображений2.3.3. Регистрация изображения с помощью матрицы сенсоровНа рис. 2.12(в) изображено расположение отдельных сенсоров в форме двумерного массива (матрицы). Многочисленные электромагнитные и некоторыеультразвуковые устройства ввода данных сегодняшних систем обработки изображений используют именно матрицу сенсоров. Такая же конструкция находится внутри подавляющего числа цифровых камер, в которых типичнымчувствительным элементом является матрица на основе приборов с зарядовойсвязью (ПЗС), которые выпускаются в виде монолитной конструкции, объединяющей 4000×4000 элементов (и более) с широким диапазоном чувствительных свойств. ПЗС-матрицы широко используются в цифровых фото- и видеокамерах, а также других светочувствительных приборах.

Отклик каждогосенсора пропорционален интегралу световой энергии, попадающей на егоповерхность за время экспозиции; это свойство используется в астрономиии других приложениях, где требуется получать изображения с низким уровнемшума. Уменьшение шума достигается за счет того, что чувствительным элементам дают возможность интегрировать принимаемый световой сигнал в течение минут или даже часов. Коль скоро изображенная на рис. 2.12(в) матрицасенсоров двумерна, ее главное достоинство состоит в том, что можно сформировать сразу все изображение, если сфокусировать на поверхности матрицыотвечающий ему пространственный поток лучистой энергии.

Легко видеть,что в таком случае отпадает необходимость в механическом перемещении сенсоров, как это было в рассмотренных выше случаях одиночного сенсора илилинейки таких сенсоров.В некоторых случаях регистрируется изображение самого источника, напримерпри получении снимков Солнца.Рис. 2.15 иллюстрирует главный способ использования матриц сенсоров.Здесь показано, что энергия, излучаемая источником освещения, отражаетсяот объекта сцены (но, как отмечалось в начале этого раздела, энергия также может и проникать сквозь объекты сцены). Первая функция, выполняемая системой формирования изображения (рис. 2.15(в)), состоит в том, чтобы собрать поступающую энергию и сфокусировать ее на плоскости изображения.

Если дляосвещения используется источник видимого света, то на входе системы формирования изображения имеется оптическая линза, которая проецирует наблюдаемую сцену на плоскость изображения (рис. 2.15(г)). Совмещенная с этойплоскостью чувствительная матрица генерирует набор выходных сигналов,каждый из которых пропорционален интегралу световой энергии, принятойсоответствующим сенсором. С помощью цифровой и аналоговой электроникиэти выходные сигналы поочередно преобразуются в комплексный видеосигнал.

Тот факт, что регистрация двумерного сигнала осуществляется дискретнорасположенными в пространстве сенсорами, обеспечивает пространственнуюдискретизацию сигнала; квантование его осуществляется в следующем блокесистемы формирования изображения. На выходе ее получается цифровое изображение, схематически показанное на рис. 2.15(д).

Преобразование изображения в цифровую форму является темой раздела 2.4.2.3. Считывание и регистрация изображения83ав г дбИсточник освещения(энергии)Цифровое изображение на выходеСистемаформированияизображенияПлоскость изображенияОбъект сценыРис.

2.15.Процесс регистрации цифрового изображения (пример). (а) Источник энергии («освещения»). (б) Элемент сцены. (в) Система формирования изображения. (г) Проекция сцены на плоскость изображения.(д) Оцифрованное изображение2.3.4. Простая модель формирования изображенияКак уже говорилось в разделе 1.1, мы рассматриваем изображение как двумерную функцию вида f(x, y). Значение функции f в точке с пространственными координатами (x, y) является положительной скалярной величиной, физическийсмысл которой определяется источником изображения.

Если изображение генерируется в результате физического процесса, его значения пропорциональны энергии излучения некоторого физического источника, например энергииэлектромагнитных колебаний, вследствие чего функция f(x, y) должна быть ненулевой и конечной, т. е.0 < f ( x, y ) < ∞ .(2.3-1)Яркость элементов изображения может принимать отрицательные значенияв ходе обработки или в результате интерпретации.

Например, в радиолокационных изображениях объекты, движущиеся в направлении локатора, часто интерпретируются как имеющие отрицательную скорость, а объекты, удаляющиесяот локатора, — как имеющие положительную скорость. Таким образом, изображение поля скоростей может кодироваться элементами как с положительными,так и отрицательными значениями. При хранении и визуализации изображенийдиапазон яркостей обычно преобразуется так, чтобы минимальному отрицательному значению соответствовала нулевая яркость (см. раздел 2.6.3 относительнопреобразования масштаба яркостей).Функцию f(x, y) можно характеризовать двумя компонентами: (1) величиной светового потока, который падает на наблюдаемую сцену от источника,84Глава 2.

Основы цифрового представления изображенийи (2) относительной долей светового потока, отраженного от объектов этой сцены. Мы будем называть эти компоненты освещенностью и коэффициентом отражения, обозначая их соответственно i(x, y) и r(x, y). Произведение этих функцийдает функцию изображения:f ( x, y ) = i ( x, y ) r ( x, y ) ,(2.3-2)0 < i ( x, y ) < ∞(2.3-3)0 < r ( x, y ) < 1 .(2.3-4)гдеиСоотношение (2.3-4) указывает, что коэффициент отражения может менятьсяв пределах от 0 (полное поглощение) до 1 (полное отражение).

Характеристики

Список файлов книги