Beeldverwerking Prof. dr. ir. W. Philips Didactisch materiaal bij de cursus Academiejaar Tel: 09/ Fax: 09/

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 2 Copyright notice This powerpoint presentation was developed as an educational aid to the renewed course “Image processing” (Beeldverwerking), taught at the University of Gent, Belgium as of This presentation may be used, modified and copied free of charge for non-commercial purposes by individuals and non-for-profit organisations and distributed free of charge by individuals and non-for-profit organisations to individuals and non-for-profit organisations, either in electronic form on a physical storage medium such as a CD-rom, provided that the following conditions are observed: 1.If you use this presentation as a whole or in part either in original or modified form, you should include the copyright notice “© W. Philips, Universiteit Gent, ” in a font size of at least 10 point on each slide; 2.You should include this slide (with the copyright conditions) once in each document (by which is meant either a computer file or a reproduction derived from such a file); 3. If you modify the presentation, you should clearly state so in the presentation; 4.You may not charge a fee for presenting or distributing the presentation, except to cover your costs pertaining to distribution. In other words, you or your organisation should not intend to make or make a profit from the activity for which you use or distribute the presentation; 5. You may not distribute the presentations electronically through a network (e.g., an HTTP or FTP server) without express permission by the author. In case the presentation is modified these requirements apply to the modified work as a whole. If identifiable sections of that work are not derived from the presentation, and can be reasonably considered independent and separate works in themselves, then these requirements do not apply to those sections when you distribute them as separate works. But when you distribute the same sections as part of a whole which is a work based on the presentation, the distribution of the whole must be on the terms of this License, whose permissions for other licensees extend to the entire whole, and thus to each and every part regardless of who wrote it. In particular note that condition 4 also applies to the modified work (i.e., you may not charge for it). “Using and distributing the presentation” means using it for any purpose, including but not limited to viewing it, presenting it to an audience in a lecture, distributing it to students or employees for self-teaching purposes,... Use, modification, copying and distribution for commercial purposes or by commercial organisations is not covered by this licence and is not permitted without the author’s consent. A fee may be charged for such use. Disclaimer: Note that no warrantee is offered, neither for the correctness of the contents of this presentation, nor to the safety of its use. Electronic documents such as this one are inherently unsafe because they may become infected by macro viruses. The programs used to view and modify this software are also inherently unsafe and may contain bugs that might corrupt the data or the operating system on your computer. If you use this presentation, I would appreciate being notified of this by . I would also like to be informed of any errors or omissions that you discover. Finally, if you have developed similar presentations I would be grateful if you allow me to use these in my course lectures. Prof. dr. ir. W. Philips Department of Telecommunications and Information ProcessingFax: University of GentTel: St.-Pietersnieuwstraat 41, B9000 Gent, Belgium

Enkele karakteristieken van het menselijk visueel systeem

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 4 Inleiding Beelden zijn dikwijls bedoeld om door mensen te worden bekeken Het menselijk visueel systeen is uiterst complex; het bestaat uit het oog: een sensor met lokale signaalverwerking (“preprocessing”) de visuele cortex: lage- en hoge-niveau beeldverwerking de rest van het brein: interpretatie Al deze deelsystemen beïnvloeden elkaar!  Hopeloos complex! Beeldverwerking wijzigt beelden, gewild: b.v. beeldverbetering of ongewild: b.v. compressie  Het is dus belangrijk om te weten hoe de mens afwijkingen in beelden waarneemt

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 5 Optische illusies

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 6 Helmholtz Stripes or hoops? Fashion myth uncovered By Steve Connor Friday, 12 September 2008 The first rule of fashion – that vertical stripes flatter the figure – is a myth, according to a study conducted by scientists at York University. Women who avoid wearing clothes with horizontal stripes in the belief that it makes their bum look larger should be reassured by a scientific study showing quite the opposite. It found that horizontal stripes actually make people look slimmer. yle/fashion-beauty/stripes-or-hoops-fashion- myth-uncovered html

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 7 Golflengte en frequentie

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 8 Vermogenspectrum van licht Lichtintensiteit: I(x,y)d S is het lichtvermogen dat invalt op een elementair stukje oppervlak d S (eenheid: Watt/m 2 ) frequentiespectrumgolflengtespectrum (gebruikt in de lichttechnologie) (onafhankelijk van het transmissiemedium) I(x,y) dS Licht kan worden ontbonden in een kleurenspectrum In de vrije ruimte: f =c met c de lichtsnelheid Opmerking: zichtbaar licht   550 nm (grootteorde) f  500 THz (grootteorde) x y

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 9 Structuur van het menselijk oog Fotogevoelige elementen in de retina: twee soorten: kegeltjes en staafjes lens retina optische zenuwbundel fovea visuele as Staafjes en kegeltjes Kegeltjes aantal: voor zicht bij normaal omgevingslicht 3 types, gevoelig voor respectievelijk blauw, groen en geelgroen licht Staafjes aantal: veel gevoeliger dan kegeltjes grootste dichtheid in de fovea receptoren in het oog maar slechts zenuwdraden  er is duidelijk lokale processing in het oog  voor “donker”-zicht 1 type  geen kleuronderscheiding blinde vlek

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 10 Retina, kegeltjes en staafjes Zenuw- bundels

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 11 De neurale interconnecties in het oog Bipolaire cellen: input=kegeltjes output=ganglioncellen Horizontale cellen maken dwarsverbin- dingen tussen kegel- tjes en bipolaire cellen Amacriene cellen: maken dwarsverbin- dingen tussen bipolaire cellen en ganglion cellen amacriene cel horizontale cel bipolaire cel

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 12 Absorptiespectra van kegeltjespigmenten Deze absorptiespectra geven aan hoeveel percent van het licht op een bepaalde frequentie in de kegeltjes wordt geabsorbeerd  (blauw) relatieve absorptiespectra golflengte (nm)  (groen)  (geelgroen tot rood) Dit licht wordt echter niet volledig omgezet in een zenuwsignaal  De absorptiespectra geven slechts een ruw idee van de spectrale gevoeligheid van de kegeltjes (golflengtespectra!) arbitraire eenheden

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 13 Spectrale gevoeligheid van de kegeltjes... Wat is het verband tussen het invallend lichtspectrum I ( f ) en de zenuwsignalen “aan de uitgang” van de kegeltjes? f ( x )  c log ( x ): een monotoon stijgende “log”-achtige functie De spectrale gevoeligheidscurve geeft weer hoeveel van het licht met een bepaalde frequentie in een elektrisch signaal wordt omgezet met S i ( f ), i= 1,2,3 de spectrale gevoeligheid van de kegeltjes van type i Experimentele vaststelling: goed model voor de respons van een kegeltje van type i op licht met spectrum I(f) : f(r i ) met De log-functie zorgt voor dynamiekcompressie (sterkte daglicht kan met een factor variëren)

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 14 … Spectrale gevoeligheid van de kegeltjes... Verschil spectrale gevoeligheid en absorptiekarakteristiek: De spectrale gevoeligheidscurve S i ( f ) geeft weer hoeveel van het licht met een bepaalde frequentie in een elektrisch signaal wordt omgezet De absorptiekarakteristiek A i ( f ) geeft aan hoeveel licht bij een bepaalde frequentie wordt geabsorbeerd Spectraal filter/fotocel Absorptie A i (f) Efficiëntie E i (f) fotonen  elektronen Dynamiek- compressie Ruwe benadering: S i ( f )  A i ( f ) f(ri )f(ri ) Verband:

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b Spectrale gevoeligheid van de kegeltjes golflengte (nm)  (blauw)  (groen)  (geelgroen tot rood) De gevoeligheidscurven overlappen vrij veel  zelfs bronnen met een smal spectrum zullen meestal meerdere types kegeltjes activeren Conclusies: Het oog is weinig gevoelig voor blauw Opmerking: S i ’( ) = S i ( c/ ) Ruwe benadering voor S i ’(  ) : S i ’( )  A i ’(  )

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 16 Metamerisme bron1 bron2 Metamerisme: bronnen met een verschillend spectrum kunnen de zelfde kleurindruk geven (de mens ziet geen verschil tussen de bronnen) relatieve absorptiespectra golflengte (nm)  (blauw)  (groen)  (geelgroen tot rood) Logisch: I ( f ) is een functie en dus bepaald door oneindig veel getallen en er zijn maar drie soorten kegeltjes  er gaat informatie verloren Er bestaan minder triviale voorbeelden van metamerisme (zie appendix!)

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 17 Kleinst waarneembaar contrast: De wet van Weber... Deze experimenteel vastgestelde wet suggereert een logaritmisch verband tussen de “waargenomen helderheid” I’ en de opgenomen lichtintensiteit I : (Weber’s wet) Intensiteit I 2% Alhoewel een logaritmisch verband het experiment grotendeels kan verklaren blijkt dat de werkelijkheid veel complexer is en dat de “waargenomen helderheid” I’ in een punt ook afhangt van de lichtintensiteit in andere kegeltjes (grijs licht)

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b De wet van Weber Besluit: Weber’s wet gaat maar op als I  I 0 Kleinst waarneembaar contrast tussen 2 lichtvlekken op een achtergrond Intensiteit I Verklaring: het oog past zich aan het achtergrond-licht (omgevingslicht) aan cfr. verblinding door de zon Intensiteitsverschillen tussen twee gelijkende lichtintensiteiten I en I+  I zijn moeilijker waar te nemen als de intensiteit I 0 van achtergrondlicht sterk verschilt van I de waargenomen helderheid van een punt hangt ook af van de lichtintensiteit in andere punten

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 19 Simultaan contrast Simultaan contrast: de waargenomen intensiteit van een object hangt af van de intensiteit van de achtergrond “contrasterende kleuren versterken elkaar” Dit is nog een duidelijk bewijs dat het oog zich aanpast aan de globale helderheid in een zeker omgeving

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 20 Simultaan contrast Complementaire kleuren versterken elkaar

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 21 Simultaan contrast There is strong contrast between yellow and blue in Vincent’s painting of the "Café Terrace on the Place du Forum, Arles", 1888.

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 22 Periodieke patronen en spatiale frequentie Sinusoidaal intensiteitspatroon: Definitie: contrast van een patroon:  maximale intensiteit: M=B+A ; minimale intensiteit: m=B-A Spatiale frequentie f (cycles/deg.) relatieve gevoeligheid A ref /A A ref, f x,ref A, f Besluit: het “waargenomen contrast” hangt af van de spatiale frequentie wordt nul bij zeer hoge frequenties Verklaring: het oog neemt een zeer fijn patroon waar als “egaal grijs” hier: Opmerking: effectieve frequentie hangt af van kijkafstand Experiment: voor gegeven f, regel A af zodat de witte banden even wit lijken in beide patronen Zet A ref /A uit als functie van f

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 23 Twee patronen lijken de zelfde spatiale frequentie te hebben als Waargenomen spatiale frequentie f x,i : spatiale frequentie in cycl. per meter r i : kijkafstand in meter is dus een goede maat voor de waargenomen spatiale frequentie (aantal lijntjes per graad) wordt uitgedrukt in cycl. per radiaal (of per graad)

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 24 Vereenvoudigd zichtmodel (één type kegeltjes) lineaire combinatie Verklaring voor de afhankelijkheid van het waargenomen contrast van de spatiale frequentie: de kegeltjes worden door een “neuraal netwerk” verbonden met de optische zenuwbundel model: de zenuwsignalen zijn lineaire combinaties van de kegeltjessignalen naar visuele cortex Spectraal filter kegeltje 1 kegeltje n … Het blok “lineaire combinatie” gedraagt zich als een spatiaal filter (zie later): het maakt het zicht ietwat wazig waardoor zeer fijne zwart-wit patronen er egaal grijs gaan uitzien zorgt voor datacompressie: het heeft 8 uitgangen per 1000 ingangen

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 25 Model voor kleurzicht Spectraal filter geelgroen spatiaal filter bijdrage kegeltjes op andere plaatsen achromatische info - - chrominanties Spectraal filter blauw + spatiaal filter Spectraal filter groen + spatiaal filter Het oog is minder gevoelig aan spatiale veranderingen in kleur dan in intensiteit naar hersenen (visuele cortex)

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 26 Besluit Bij beeldverwerking moeten we rekening houden met de volgende eigenschappen van het oog: het niet-lineaire verband tussen lichtintensiteit en waargenomen helderheid: contrastaanpassing  de logaritmische karakteristiek van de kegeltjes kleurzicht is trichromatisch het oog ziet een lichtpunt als drie getallen en niet als een spectrum metamerisme: lichtbronnen met een verschillend spectrum kunnen niet altijd worden onderscheiden spatiale effecten: het oog is veel minder gevoelig bij hoge spatiale frequenties snelle spatiale veranderingen in intensiteit zijn beter zichtbaar dan even snelle veranderingen in kleur het zelfde fysisch contrast

Appendix Zelfstudie

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 28 Opmerking: S i ’( ) = S i ( c/ ) per definitie van S i ( f ) per definitie van I’ ( )

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 29 Metamerisme: algemeen geval Wanneer geven twee lichtspectra I(f) en I’(f) dezelfde respons?  als r i =r’ i voor i= 1,2,3 d.w.z. als Interpretatie: als I(f)-I’(f) loodrecht staat op de drie spectrale gevoeligheidscurven van het menselijk oog, dan ziet het oog geen verschil Het is niet moeilijk een functie te vinden die loodrecht staat op 3 gegeven functies  metamerisme komt zeer vaak voor

© W. Philips, Universiteit Gent, versie: 29/9/ b. 30 Bibliografie Jean-Bernard Martens. Image Design Technology - A Perceptual Approach. The International Series in Engineering and Computer Science, 2003, 568 p. ISBN: Nog aan te vullen