Filtracja obrazu: Definicja, rodzaje i zastosowania
- Szczegóły
W programach do obróbki obrazów, każdy blok wykonujący pewną operację na obrazie nazywany jest filtrem. Termin operacja i filtr rozumiane są szeroko, gdyż dotyczą zarówno ,,prawdziwych'' filtrów, jak i elementów wczytujących obraz statyczny, czy zapisujących wynik przetwarzania jako obrazy statyczne. Blok reprezentujący zdalny filtr, może realizować jedną operację, np. zmieniać jasność obrazu, ale może też wykonywać cały szereg operacji dostępnych jako jeden blok.
Definicja i zasada działania filtracji obrazu
Zastosowanie filtrów w przetwarzaniu obrazów oznacza, że do obliczenia nowej wartości punktu brane są pod uwagę wartości punktów z jego otoczenia. Każdy piksel z otoczenia wnosi swój wkład - wagę podczas przeprowadzania obliczeń. Wagi te zapisywane są w postaci maski. Typowe rozmiary masek to 3 x 3, 5 x 5 bądź 7 x 7. Rozmiary masek są z reguły nieparzyste, ponieważ piksel na środku reprezentuje piksel dla którego wykonywana jest operacja przekształcania filtrem.
Wówczas nową wartość składowej punktu a o współrzędnych (i, j) obliczymy według określonego wzoru. Tak otrzymaną sumę dzielimy przez sumę wszystkich wag maski, jeżeli jest ona różna od 0. Filtrację przeprowadza się osobno dla każdej składowej obrazu.
Próba zastosowania filtracji dla punktów położonych na krawędzi obrazu, prowadzi do sytuacji, w której maska "wystaje" poza przetwarzany obraz. Istnieje kilka sposobów obejścia tego problemu. Jednym z nich jest pominięcie procesu filtracji dla takich punktów, innym jest zmniejszenie obrazu po filtracji o punkty, dla których proces ten nie mógł być wykonany.
Rodzaje filtrów obrazu
Istnieje wiele rodzajów filtrów obrazu, które znajdują zastosowanie w różnych aspektach przetwarzania obrazów. Poniżej przedstawiono niektóre z nich:
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Filtry dolnoprzepustowe (Low-pass)
Filtr dolnoprzepustowy to taki, który tłumi składowe widma sygnału o dużej częstotliwości, pozostawiając bez zmian składowe o małej częstotliwości. Do najbardziej typowych zastosowań tego rodzaju filtracji należy usuwanie szumów i zakłóceń impulsowych z obrazu. Ponadto wygładzają drobne zawirowania krawędzi, usuwają efekty falowania jasności na obiektach i tle. Wadą takiego sposobu filtrowania jest rozmycie konturów i pogorszenie wyrazistości kształtów.
Elementy o wysokiej częstotliwości (szumy, drobne szczegóły) są natomiast tłumione bądź wręcz blokowane. Wynikiem działania takich filtrów jest zredukowanie szumów, w szczególności gdy jest on jedno, dwupikslowy ale również wygładzenie i rozmycie obrazu.
- piramidalny - jeżeli kolejne komórki tego filtra przedstawionoby za pomocą słupków o wysokości odpowiadającej przypisanej wadze to w efekcie otrzymalibyśmy bryłę podobną do piramidy, stąd jego nazwa.
- stożkowy - jeżeli kolejne komórki tego filtra przedstawionoby za pomocą słupków o wysokości odpowiadającej przypisanej wadze to w efekcie otrzymalibyśmy bryłę podobną do stożka, stąd jego nazwa.
- gauss 1 - jeżeli kolejne komórki tego filtra przedstawionoby za pomocą słupków o wysokości odpowiadającej przypisanej wadze to w efekcie otrzymalibyśmy bryłę podobną do krzywej rozkładu normalnego - krzywej Gaussa.
Filtry górnoprzepustowe (High-pass)
Filtry górnoprzepustowe przepuszczają i wzmacniają elementy obrazu o dużej częstotliwości, są to szumy, drobne szczegóły i krawędzie. Tłumieniu natomiast ulegają elementy o niskiej częstotliwości. Wynikiem działania takich filtrów jest wyostrzenie obrazu, a także zwiększenie ilości szumów.
Filtry przesuwania i odejmowania
Filtry przesuwania i odejmowania, wykonują przesunięcie obrazu a następnie odejmowanie obrazu od swojej kopii. Filtry te służą do wykrywania krawędzi w obrazie. W zależności od kierunku przesuwania obrazu będą to krawędzie pionowe, poziome bądź ukośne. Należy zauważyć, że w wyniku działania tego rodzaju filtrów wynikowa wartość składowej punktu może wyjść ujemna. W takim wypadku należy użyć wartości bezwzględnej albo sprowadzić wartość do 0.
Gradientowe filtry kierunkowe (Gradient Directional)
Gradientowe filtry kierunkowe służą również do wykrywania krawędzi w obrazie. Nazwa kolejnych przedstawionych filtrów określa krawędzie- zgodnie z kierunkiem geograficznym, które będą wykryte na obrazie wynikowym.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Filtry uwypuklające (Embossing)
Filtry uwypuklające wprowadzają złudzenie wypukłości i wklęsłości w miejscach, gdzie w obrazie znajdują się krawędzie - daje to efekt podobny do płaskorzeźby. Nazwa kolejnych przedstawionych filtrów określa krawędzie- zgodnie z kierunkiem geograficznym, które będą uwypuklone w obrazie wynikowym.
Filtry Laplace'a
Filtry Laplace'a - stosowane są do wykrywania krawędzi. W porównaniu do innych przedstawionych tutaj filtrów cechuje je wielokierunkowość - wykrywają krawędzie we wszystkich kierunkach. Ponadto dają w efekcie ostrzejsze krawędzie.
Filtry konturowe
Filtry konturowe - służą do wykrywania krawędzi. Podstawowymi filtrami konturowymi są filtry Sobel'a o Prewitt'a.
Filtry statystyczne
Filtry statystyczne - wykorzystuje się je podobnie jak przedstawione powyżej filtry liniowe. Wartość wynikowa jednak powstaje nie w wyniku obliczenia sumy ważonej (funkcji splotu) poszczególnych piksli lecz poprzez wybranie wartości odpowiedniego piksla pod maską.
- filtr medianowy - mediana, to wartość środkowa. Wynikiem działania tego filtru jest wybranie piksla o wartości środkowej wszystkich piksli pod maską, czyli dla filtru 3x3 będzie to taka wartość punktu, że pozostałe 4 punkty mają wartość większą a pozostałe 4 wartość mniejszą. Można do tego zadania użyć algorytm Hoare'a.
- filtr minimalny - zwany jest także filtrem kompresujacym albo erozyjnym. Jego działanie polega na wybraniu z pod maski punktu o wartości najmniejszej. Jego działanie powoduje zmniejszenie jasnosci obrazu dajace efekt erozji obiektów.
- filtr maksymalny - zwany jest także filtrem dekompresujacym albo ekspansywnym. Jego działanie polega na wybraniu z pod maski punktu o wartości największej.
Filtr Kuwahara
Filtr Kuwahara - jest filtrem wygładzającym zachowującym krawędzie. W filtrze tym maska dzielona jest na regiony. Dla każdego regionu obliczana jest wartość średnia oraz wariancja (suma kwadratów odchyleń) względem tej wartości. Najczęsciej w filtrze Kuwahara punkty pod maską dzielone są na 4 regiony. Podział następuje w taki sposób, że krawędzie przylegających do siebie regionów są wspólne. Punkt centralny dla którego obliczany jest wynik występuje w każdym regionie.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
tags: #filtracja #obrazu #definicja #rodzaje #zastosowania
