Høgskolen i Østfold Avdeling for informasjonsteknologi Fag IAD33506 Bildebehandling og mønstergjenkjenning Laboppgave nr 1 Innføring i bildebehandling Halden 24.08.2010 23.08.10 Revidert Log GKS 20.08.09 Delvis nyskrevet Log, GKS GKS 24.08.08 Revidert Log GKS 28.08.07 Revidert Log GKS 23.08.06 Revidert Log GKS 19.01.06 Revidert Log GKS 12.01.05 Ny oppgave Log LMN Log, LMN Rev. Dato. Beskrivelse. Skrevet av Kontrollert Godkjent Fil : Skrevet ut av : sl 24.08.2010 16:58:00 Antall sider : 6
Labkjøring: Alle gruppene må kjøre oppgaven i tidsrommet 26.08.2009-01.09.2009. Kun en gruppe kan ta bilder ad gangen, men prosessering i MATLAB kan dere gjøre på andre maskiner. Tidspunkt for kjøring avtales med Geir Kramviken Strøm. Presentasjon og skriftlig innlevering etter gjennomført laboppgave. Dette er likt for alle laboppgavene med mindre annet er beskrevet særskilt i oppgaven. Presentasjonsdel: Etter at gruppen har gjennomført laben, skal den gi en muntlig presentasjon, en slags miniforelesning, av laboppgaven. Maks. 30 min. Gruppen avtaler tidspunkt og sted med faglærer. Alle i gruppen skal delta i presentasjonen! Presentasjonen må ha et visst nivå for å bli godkjent. Alle bilder som er krevd vedlagt skal inngå i presentasjonen (se også skriftlig del). Alle spørsmål i oppgaveteksten skal besvares (se også skriftlig del). Følgende spørsmål skal også besvares under presentasjonen: Hvilke problemer møtte gruppen på underveis? Hvilke forbedringer, eventuelt ny løsningsstrategi, ville bli gjort dersom oppgaven skulle være løst på nytt? Oppsummering av gruppens løsning av oppgaven (se også skriftlig del) Oppgavens vanskelighetsgrad? (1 (lett) 5 (meget vanskelig)). Skriftlig del: Denne delen skal være en skriftlig labbesvarelse i kortversjon. Alle bilder som er krevd vedlegges. Pass på at de kommer i kronologisk rekkefølge. Alle spørsmål i laboppgaveteksten skal besvares. Dersom gruppen har skrevet egne MATLAB-programmer, skal de vedlegges. En beskrivelse av hvordan gruppen har jobbet med jobben. Her inngår hvem har gjort hva og hvor mange timer den enkelte har brukt. Til slutt skal rapporten inneholde en konklusjon som oppsummerer oppgaven: hva gruppen har lært, hvilke problemer oppsto underveis og hvilke forbedringer bør gjøres. Innføring i bildebehandling - HIØ side 2
Innledning. Oppgaven går ut på å bli kjent med bruk av ferdige MATLAB-funksjoner, eventuelt lage egne programmer for bildebehandling. Det skal tas bilder av ulike objekter under forskjellige lysforhold ved hjelp av et digitalkamera (nettverkskamera). Binære bilder skal så dannes ved å velge fornuftige terskelverdier, og man får erfare hvilke problemer man møter i denne sammenheng. I en viss utstrekning kan svakhetene kompenseres for ved å transformere et bilde før det terskles. Formål. Bli kjent med de deler som utgjør utstyret til et enkelt bildebehandlingslaboratorium. Få erfaring i bruk av bildeprosesseringsverktøy. Bli smertelig klar over at ytre forhold rundt arbeidscellen påvirker kvaliteten på et bilde. (Det hjelper ikke med allverdens bildebehandlingsrutiner, for eksempel bruke MATLAB, dersom et bilde har dårlig kvalitet.) Få erfaring i valg av terskelverdier, blant annet bruk av histogrammet som hjelpemiddel. Forstå hvilke problemer det ligger i valg av terskelverdi. Lære å bruke enkle transformsjonsrutiner på et bilde. Beskrivelse av utstyr. Utstyret til laboratoriet består av: Axis2100 nettverkskamera (farge). Stativfeste for kameraet og plate med overtrukket svart duk til å legge legemer på for fotografering. Til stativet hører det med en gardin. Lysrørbelysning. En spotlampe til belysning. Klosser av forskjellig form og farge. Leketøyhelikopter. Litteratur. Kompendiet utdelt i faget. Før dere begynner. Installer MATLAB på maskinene deres. Spør Hans-Olav eller Geir om hjelp. Med MATLAB-funksjonen imread('http://axis2100.hiof.no/axis-cgi/jpg/image.cgi') tar kameraet Axis 2100 Network Camera 2.34 et bilde. Lyset i rommet bør være på, men sørg for at persiennene på verkstedet er nede. Be Hans- Olav eller Geir kjøre persiennene ned dersom de er oppe. Innføring i bildebehandling - HIØ side 3
Oppgave A 1. Gjør dere kjent med utstyret og hvordan dere bruker MATLAB ved bildebehandling. Få kameraet i "on-line" og skarpstill linsen om nødvendig (ved å legge et eller annet på underlaget). 2. I dette punktet skal vi bruke lysrørbelysningen som er montert på stativet. Lysrørene skal være på, og spotlampen av. Velg en tynn og en tykk blå kloss og legg dem ved siden av hverandre på det svarte underlaget. Ta et bilde og lagre det med navnet bilde1. Det lagrede bildet skal være i gråtoner. Velger gruppen å ta et fargebilde så må det konverteres til gråtonebilde før lagring. Legg ved utskrift av bilde1. 3. La klossene ligge i samme posisjon som i punkt 2. La nå spotlampen, som er festet på rammen med en klype, være lyskilde, dvs. lysrørene er skrudd av. La spotlampen peke mot objektene. Ta et nytt bilde av klossene (bilde2) som også lagres. Legg ved utskrift av bilde2. 4. Få fram forskjellen, absoluttverdi, mellom bilde1 og bilde2 som lagres som bilde1-2. Finn største og minste pikselverdi i dette bildet. Legg ved utskrift av bilde1-2. Kommenter så hvordan lysforhold spiller inn på bildekvaliteten. 5. Ta bort den tynne blå klossen og erstatt den med en tynn gul kloss. Plasser den gule klossen slik at den hviler både mot den blå og underlaget, dvs. den gule klossen vil ligge skrått i forhold til underlaget. Ta to bilder på samme måte som i punkt 2 og 3, der bilde3 blir tatt med lysrørene som lyskilde og bilde4 med spotlampen som lyskilde. Legg ved utskrift av bilde3 og bilde4. 6. Få fram forskjellen, absoluttverdi, mellom bilde3 og bilde4 som lagres som bilde3-4. Finn største og minste pikselverdi i dette bildet. Legg ved utskrift av bilde3-4. Kommenter så hvordan lysforhold spiller inn på bildekvaliteten. Etter å ha gjennomført denne lab-sekvens besvar så følgende to punkter: Forklar hvorfor det er viktig å få så kontrastklare, skygge- og refleksjonsfrie bilder som mulig. Nevn og kommenter de viktigste støykildene i dette bildebehandlingsoppsettet. Innføring i bildebehandling - HIØ side 4
Oppgave B 1. Hent fram bilde1 eller bilde2 med de to blå klossene. Bildet skal gjøres om til et binært bilde slik at alle piksler med verdi under terskelverdien blir svarte mens de med verdi over blir hvite. Velg en fornuftig terskelverdi slik at bildet av begge "klossene" kommer klart fram, og bakgrunnen blir mest mulig redusert. Forklar hvordan histogrammet gir informasjon med hensyn til valg av terskelverdi. Legg ved en utskrift av den binære versjonen av bildet. Legg også ved bilde av histogrammet med terskelverdien markert. 2. Hent dernest fram bilde3 eller bilde4 med blå og gul klosser. Velg en terskelverdi slik at begge "klossene" kommer klart fram, og bakgrunnen blir mest mulig redusert. Forklar hvorfor det er vanskeligere å bestemme en gunstig terskelverdi for dette bildet ved å bruke histogram, framfor bildet med de to blå klossene. Glem ikke å vurdere klossenes beliggenhet i forhold til lyskilden. Legg ved den "beste" binære versjonen av bildet samt histogrammet med terskelverdien markert. 3. Forsett med valgt bilde i punkt 2. Se om gruppen klarer å finne en terskelverdi som frambringer bare klossen med høyest intensitet og deretter bare den med lavest intensitet. Legg ved den "beste" binære versjonen i hvert tildfelle. 4. Til nå har gruppen trenet på enkle objekter. Velg enten lysrørene som lyskilde eller spotlampen som lyskilde. Ta bilde av helikopteret, bilde5. Skill ut helikopterets rotor fra resten av helikopteret og underlaget. Legg ved en utskrift av det opprinnelige og det "beste" binære bildet. Med utgangspunkt i disse bildene beskriv både hvor vellykket forsøket var og hvilke problemer gruppen sto overfor. Oppgave C 1. Skru lysrørene på og la spotlampen være avslått. Plasser en gul kloss på underlaget og ta et bilde, bilde6. ( Klossen skal være i samme posisjon i resten av oppgaven.) 2. En dag ble strømtilførselen til bildebehandlingscellen i en bedrift brutt. Bedriftseieren tilkaller gruppen med oppdrag å få samme intensitetsbilde på den gule klossen som i bilde6. 3. Gruppen har til disposjon følgende teori: Et bilde kan helt eller delvis gjøres lysere eller mørkere ved å transformere pikselverdiene. Tre av måtene å gjøre det på er: addisjon subtraksjon multiplikasjon Innføring i bildebehandling - HIØ side 5
4. Skru av både lysrør og spotlampe. Trekk den svarte gardinen forsiktig over stativet uten at den gule klossen kommer ut av posisjon. Pass på å dekke til slik at minst mulig lys slipper inn. Ta et nytt bilde av den gule klossen, bilde7. (Beskjær bildet om nødvendig. I så fall gjør det samme med bilde6.) Gruppen gjennomfører hver av de tre transformasjonene på bilde7 med henblikk på å oppfylle bedriftens ønsker. Plukk ut det beste resultatet og kall det bilde8. Ta differansebildet, absoluttverdi, mellom bilde6 og bilde8. Legg ved histogrammet av differansebildet. Forklar hvordan gruppen har gått fram og hvor vellykket resultatet er blitt. 5. Gruppen kjenner til tre andre transformasjoner: eksponential (gamma) logaritmisk S-form ( stretch ) Den innebygde MATLAB-funksjonen imadjust dekker den første. MATLABfunksjonen bildetrans i kompendiet gjør jobben for de to andre. Den gjør bruk av MATLAB-funksjonen desimalform som også er i kompendiet. Begge de to siste ligger på fagets hjemmeside. Bruk av hver disse tre transformasjonene for forskjellige parameterverdier på bilde6. Plukk ut det beste resultatet og kall det bilde9. Ta differansebildet, absoluttverdi, mellom bilde6 og bilde9. Legg ved histogrammet av differansebildet. Forklar hvordan gruppen har gått fram. Hva ble best av bilde8 og bilde9? Forklar hva forbedringene ligger i. Ta vare på bildene til senere bruk. Innføring i bildebehandling - HIØ side 6