Ενίσχυση ακμών σε εικόνα ψηφιακής τηλεπισκόπησης σε DCT πεδίο
Από RemoteSensing Wiki
Ενίσχυση ακμών σε εικόνα ψηφιακής τηλεπισκόπησης σε DCT πεδίο
.
Πρωτότυπος τίτλος : Edge enhancement of remote sensing image data in the DCT domain
Πηγή : Biao Chena, Shahram Latifia, Junichi Kanai, Image and Vision Computing 17 (1999) 913–921 [6]
Περίληψη
Η ενίσχυση των ακμών αποτελεί σημαντική μέθοδο επεξεργασίας της ψηφιακής τηλεπισκόπησης. Πολλές εικόνες συμπιέζονται με χρήση των προτύπων JPED τα οποία χρησιμοποιούν το πεδίο DCT (Διακριτό Μετασχηματισμό Συνημιτόνου). Δεδομένου ότι αρκετοί συντελεστές είναι μικροί και μπορούν να κβαντοποιηθούν σε μηδέν τα στοιχεία χειρισμού στα DCT πεδία είναι ένα αποδοτικός τρόπος αποθήκευσης πληροφοριών. Σε αυτό το άρθρο αναπτύσσονται νέοι και γρήγοροι αλγόριθμοι για την ανίχνευση ακμών σε εικόνες ψηφιακής τηλεπισκόπησης μορφής DCT και εφαρμόζονται σε 3 βήματα: εφαρμογή υψιπερατού φίλτρου, πρόσθεση ξανά μέρους η ολόκληρου του επιπέδου των γκρίζων τιμών στην αρχική εικόνα και αύξηση αντίθεσης. Τα αποτελέσματα του πειράματος θα δείξουν ότι η ποιότητα των εικόνων που δημιουργείται από τους νέους αλγορίθμους είναι συγκρίσιμη με τις εικόνες που δημιουργούνται από τις προτεινόμενες μεθόδους στη πεδίο του χώρου.
Μεθοδολογία
Το χωρικό φιλτράρισμα προσπαθεί να τροποποιήσει τις τιμές των pixels σύμφωνα με τα γκρίζα επίπεδα των γειτονικών pixes. Εδώ εξετάστηκαν μόνο το χαμηλοδιαβατό και το υψιπερατό φίλτρο. Το χαμηλοδιαβατό χωρικό φιλτράρισμα μπορεί να αντιμετωπιστεί σαν υπολογισμός χωρικού μέσου όρου το οποίο μπορεί να λειάνει και να θολώσει μια εικόνα, ενώ το χωρικό υψιπερατό φίλτρο είναι χρήσιμο στην εξαγωγή και τον τονισμό των ακμών της εικόνας. Ο χωρικός υπολογισμός του μέσου όρου σε μια εικόνα σημαίνει αντικατάσταση του τρέχοντος pixel με τον μέσο όρο των τιμών των γειτονικών pixel για να τονίσει τα χαμηλής συχνότητας χαρακτηριστικά γνωρίσματα. Το φίλτρο μπορεί να εφαρμοστεί στο πεδίο του χώρου με χρήση χωρικών φίλτρων. Ο πίνακας του φίλτρου είναι μια σειρά με κατάλληλα ορισμένους συντελεστές μεγέθους 3x3, 5x5, 7x7. Η λειτουργία συνελίξεων είναι να κινηθεί ένας τέτοιος πίνακας σε όλη την αρχική εικόνα και η εξαγώμενη τιμή του pixel στο κέντρο του πυρήνα υπολογίζεται ως σταθμισμένο ποσό των αντίστοιχων τιμών του pixel.
Το υψιπερατό φίλτρο από την άλλη μεριά, δίνει έμφαση στα τμήματα υψηλής συχνότητας της εικόνας. Οι υψιπερατές φιλτραρισμένες εικόνες μπορούν να ληφθούν είτε με αφαίρεση της χαμηλής διέλευσης παραγωγής φίλτρων από την αρχική εικόνα, είτε ο υψιπερατός πίνακας φίλτρων με την αρχική εικόνα άμεσα. Γραμμικό υψιπερατό φιλτράρισμα σε DCT πεδίο: Όταν ένας πίνακας είναι ευδιαχώριστος, η διαδικασία συνέλιξης μπορεί να αντικατασταθεί από τη λειτουργία πολλαπλασιασμού των πινάκων, η οποία είναι γραμμική. Εν ολίγης μπορούμε να αποσυνθέσουμε το δισδιάστατο φίλτρο ως δύο μονοδιάστατα που μπορούν να εφαρμοστούν σε μία κατεύθυνση, έπειτα σε άλλη. Από τη στιγμή που το DCT είναι ορθογώνιο, ευδιαχώριστο και γραμμικά τροποποιημένο, μπορεί να πραγματοποιηθεί δισδιάστατο ευδιαχώριστο γραμμικό φιλτράρισμα στο DCT πεδίο από πολλαπλασιασμό με τον αρχικό-πίνακα και με τον τελικό-πίνακα για το κάθετο και οριζόντιο φιλτράρισμα κατεύθυνσης [2, 4, 5]. Παρουσιάζονται δύο λύσεις για τα υψιπερατά φίλτρα. Μία λύση για γραμμικό υψιπερατό φιλτράρισμα είναι να αφαιρεθεί μια χαμηλοδιαβατή φιλτραρισμένη εικόνα από την αρχική.
Let Bi, BLi and BHi be an 8-by-8 image sub-block and the
corresponding sub-blocks after lowpass and highpass filtering,
respectively.
Ι) Μία λύση για γραμμικό υψιπερατό φιλτράρισμα είναι να αφαιρεθεί μια χαμηλοδιαβατή φιλτραρισμένη εικόνα από την αρχική.
ΙΙ) Η δεύτερη εναλλάκτική λύση είναι να χρησιμοποιηθεί άμεσα ένα υψιπερατό γραμμικό φίλτρο παίρνοντας τη διαφορά μεταξύ των γειτονικών pixel.
Ενίσχυση ακμών:
Τα υψηλών συχνοτήτων συστατικά τονίζουν μόνο την τοπική αντίθεση της αρχικής εικόνας, αλλά δεν διατηρούν τη χαμηλή συχνότητα φωτεινότητας που εμπεριέχεται στην εικόνα. η ενίσχυση των ακμών τείνει να κρατήσει και τις ακμές και τις πληροφορίες χαμηλών συχνοτήτων. Συχνά στην επεξεργασία δεδομένων της ψηφιακής τηλεπισκόπησης, η διατήρηση των ακμών εφαρμόζεται σε τρία στάδια:
α)Συστατικά εικόνας υψηλών συχνοτήτων αποκτούνται από εξαγωγή ακμών υψηλών συχνοτήτων. Η τραχύτητα της εικόνας αποφασίζει το μέγεθος του πίνακα του φίλτρου.
β)Ολόκληρη, ή ένα τμήμα των γκρίζων τιμών της αρχικής εικόνας προστίθεται πίσω στην υψιπερατή φιλτραρισμένη εικόνα, ώστε η τοπική αντίθεση της νέας εικόνας βελτιώνεται και οι χωρικές λεπτομέρειες είναι σαφέστερες εν συγκρίσει με πριν.
γ)Αύξηση αντίθεσης στη σύνθετη εικόνα.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, και τα τρία βήματα μπορούν να εκτελεστούν άμεσα στην DCT περιοχή. Το βήμα ένα μπορεί να εφαρμοστεί χρησιμοποιώντας οποιαδήποτε από τις δύο λύσεις που προαναφέθηκαν. Έχουν χρησιμοποιήσει όλα τα φίλτρα που αναφέρθηκαν πρίν για την λειτουργία του τονισμού των ακμών όπως περιγράφεται εδώ:
- Εφαρμογή της πρώτης λύσης:
Στην πρώτη μέθοδο, η αρχική εικόνα, φιλτραρίστηκε πρώτα με ένα χαμηλοδιαβατό φίλτρο από φίλτρα διαφορετικών μεγεθών. Έπειτα, από τη θολωμένη εικόνα αφαιρείται από την αρχική για να επιτευχθεί στην υψιπερατή φιλτραρισμένη εικόνα, η ενίσχυση των ακμών. Μετά από αυτό, το 100% των γκρίζων τιμών της αρχικής εικόνας προστίθενται πίσω και εκτελείται η αύξηση της αντίθεσης.
-Εφαρμογή της δεύτερης λύσης:
Στην δεύτερη προσέγγιση, η αρχική εικόνα φιλτράρεται με ένα υψιπερατό φίλτρο Vh3 και Hh3. Το 100% των κλιμάκων του γκρί της αρχικής εικόνας προστίθεται πίσω σε κάθε pixel της υψιπερατής φιλτραρισμένης εικόνας.
Αποτελέσματα
Η αύξηση της αντίθεσης μπορεί αποτελεσματικά να βελτιώσει την ποιότητα της εικόνας και οι μέθοδοι στο πεδίο του χώρου και στο πεδίο DCT μπορούν να δημιουργήσουν την ίδια απεικόνιση των ακμών. Η διαφορά μπορεί να μετρηθεί από το μέσο τετραγωνικό σφάλμα (MSE, Mean Squared Error). Η τιμή του MSE των αυξήσεων της έντασης ανάμεσα στις δύο οριακές τιμές είναι 0.39. Ο ψηφιακός «θόρυβος» (artifacts), λόγω των τεχνικών φιλτραρίσματος μειώνεται, υποθέτοντας ότι οι τιμές των pixels έξω από τη νοητή γραμμή η οποία υλοποιεί το «θορύβο», είναι ίδιες με αυτές των εσωτερικών τιμών. Συγκρίθηκαν το τελικό αποτέλεσμα με το αρχικό σχέδιο, στο οποίο υποθέσαμε ότι οι τιμές των εξωτερικών pixels είναι όλες 0, και είδαμε ότι ο πίνακας του φίλτρου μπορεί να είναι ακόμα συμμετρικός.
Επιπλέον, με την εξέταση των χαμηλής διέλευσης φιλτραρισμένων εικόνων, με πινάκες, το μέγεθος των οποίων διαφέρει σημαντικά από το μέγεθος του φίλτρου, στις εικόνες, αναδεικνύεται ότι ο πλέον κοντινός στο «θόρυβο» (στα artifacts) πίνακας, είναι ένας υποπίνακς διαστάσεων 3x3. Δεδομένου ότι αναπτύσσονται δραστηριότητες και συμπιεσμένα στοιχεία εικόνας άμεσα, δεν χρειάζεται να κάνουμε αντίστροφο διακριτό μετασχηματισμό συνημιτόνου (ICDT) και ευθύ μετασχηματισμό ημιτόνου (FDCT) για να αποσυμπιέσουμε και να επανα-συμπιέσουμε τα στοιχεία της εικόνας. Επιπλέον, σύμφωνα με την υπόθεσή μας, οι υψιπερατοί και χαμηλοδιαβατοί πίνακες φίλτρων που αναπτύχθηκαν είναι συμμετρικοί και οι αντίστοιχοι FDCT πίνακες είναι διαγώνιοι. Επομένως η λειτουργία V x Bi x H μπορεί να επιτευχθεί από έναν απλό πολλαπλασιασμό πινάκων.
Συμπεράσματα
Προτάθηκε ένα σύνολο γρήγορων αλγορίθμων για την ενίσχυση της εικόνας στο DCT πεδίο. Η αύξηση της αντίθεσης, το υψιπερατό φίλτρο και η ενίσχυση των ακμών, αποδείχθηκαν εκτελέσιμα στο DCT πεδίο με το πολλαπλασιασμό των πινάκων βάσει των ιδιοτήτων του DCT. Επιπλέον η υπολογιστική πολυπλοκότητα μπορεί να απλοποιηθεί περαιτέρω με πολλαπλασιασμούς που χρησιμοποιούν τον πίνακα «στοιχείο επί στοιχείο» για τις περιπτώσεις στις οποίες το FDCT διαθέτει διαγώνιο πίνακα. Το κριτήριο παραγωγής του FDCT πίνακα του φίλτρου, για να είναι διαγώνιο, είναι να αποσυντεθεί ο πίνακας φίλτρων σε ένα συμμετρικό πίνακα. «Ο θόρυβος» μπορεί να μειωθεί ικανοποιητικά, με την υπόθεση ότι η αξία του pixel έξω από το όριο, είναι η ίδια με εκείνης μέσα στο όριο, αντί να υποτεθεί ότι είναι μηδέν. Επιπλέον, τα artifacts αντικείμενα (στην ουσία ο ψηφιακός θόρυβος» μπορούν να μειωθούν περαιτέρω με την εφαρμογή ενός πίνακα - φίλτρου 3x3. Μελλοντικά, θα εστιάσουν περισσότερο στους χειρισμούς στην περιοχή DCT που είναι χρήσιμοι για την ανάλυση των στοιχείων τηλεπισκόπησης.
