Görüntü İşleme

Nedir Bu Görüntü İşleme

1. Görüntü
En geniş tanımıyla genellikle dikdörtgen sınırlar içinde tanımlanmış ve gerçek yaşamdaki üç boyutlu nesnelerden oluşan bir sahnenin herhangi iki değişkenin fonksiyonu olarak tanımlanmasına görüntü denir. Bilgisayar görüşüne göre ise görüntü video görüntüsü, sayısal görüntü veya resim gibi kaydedilmiş görüntülere denir. Kısaca üç boyutlu gerçek görünümün iki boyut üzerindeki sayısal gösterimi olarak ifade edilebilir.

2. Görüntü İşleme

Görüntü işleme insan gözünün gördüğü görüntülerin bilgisayar ortamına aktarılarak bu görüntü üzerinde çeşitli işlemler ile istenilen sonuçlara ulaşmamızı sağlayan bir çalışma alanıdır. Görüntü işleme, günümüzde birçok alanda kullanılmakta ve günlük hayatta birçok alanda karşımıza çıkmaktadır. Teknolojinin gelişmesiyle önemli bir uygulama alanına sahip olan görüntü işleme biyomedikal veri analizi, el yazısı tanıma, üst üste bindirilmiş ve gürültülü görüntülerin gürültüden arındırılması, ziraat, arkeolojik verilerden tarihe ışık tutacak yorumların yapılması gibi güncel konularında kullanılmaktadır. Görüntü işleme iki ana kullanım alanından dolayı bilgisayar biliminde oldukça önem kazanmıştır. Bunlardan ilki resimlerden bilgi sağlama ve yorum yapabilme diğeri ise otomatik algılama işlemleridir.

Daha iyi anlaşılması adına başka bir tanım olarak verilecek olursak dijital bir resim haline getirilmiş olan gerçek yaşamdaki görüntülerin, bir girdi resim olarak işlenerek, o görüntünün özelliklerinin ve görüntüsünün değiştirilmesi sonucunda yeni bir görüntü oluşturulmasıdır. Görüntü işleme sıklıkla mevcut görüntüleri işlemek ve yeni algoritmalar gerçekleştirerek performans optimizasyonları sağlamak için kullanılmaktadır. Görüntü işlemenin kullanım alanları:

·         Bilgisayarda görme uygulamaları

·         Uzaktan algılama uygulamaları: Uydu görüntüleri üzerinde nüfus yoğunluğu, yerleşim yerleri, çevre kirliliği gibi çevresel şartların tespiti

·         Endüstriyel uygulamalar: Bir üretim bandında üretilen ürünün otomatik test edilmesi (Örneğin bir kart üzerindeki devre elemanlarının varlığının veya bağlantı yollarının sağlamlığının tespiti)

·         Elektron mikroskobu ile çekilmiş yarıiletken devre elemanı fotoğraflarından hasar tespiti

·         Güvenlik uygulamaları: Yüz tanıma, parmak izi tanıma, plaka tanıma

·         Banknot tanıma

·         Medikal görüntüleme: MRI, Röntgen

·         Astronomi uygulamaları

·         Radar uygulamaları

·         Uydu görüntüleri üzerinde hava gözlem ve tahmin uygulamaları

·         Jeolojik uygulamalar: Mineral ve petrol arama, sualtı görüntüleme

·         Arkeolojik uygulamalar: Nadir kalıntılara ait bulanık fotoğrafların iyileştirilmesi gibi birçok uygulama alanına sahiptir.  Görüntü işleme yapısı Şekil 2.1’de gösterilmektedir.

Şekil 2. 1. Görüntü işleme yapısı

2.1. Görüntü

En geniş tanımıyla genellikle dikdörtgen sınırlar içinde tanımlanmış ve gerçek yaşamdaki üç boyutlu nesnelerden oluşan bir sahnenin herhangi iki değişkenin fonksiyonu olarak tanımlanmasına görüntü denir. Bilgisayar görüşüne göre ise görüntü video görüntüsü, sayısal görüntü veya resim gibi kaydedilmiş görüntülere denir. Kısaca üç boyutlu gerçek görünümün iki boyut üzerindeki sayısal gösterimi olarak ifade edilebilir.

2.2. Sayısal Görüntü

Sayısal görüntü satır ve sütundan oluşan 2 boyutlu matristen oluşur. Satır ve sütunların kesiştiği her bölgeye piksel denir. Piksel kare şeklinde görüntünün en küçük birimidir. Sayısal bir görüntüde piksel değerinin görünümü Şekil 2.2.1’de verilmiştir.

Şekil 2.2.1. Piksel yapısı

2 boyutlu sınırlı uzayda a[M,N] şeklinde tanımlanan bir sayısal görüntü, 2 boyutlu sürekli uzayda a(x,y) şeklinde tanımlanan bir analog görüntüden örnekleme alınarak üretilir. İki boyutlu analog görüntü a(x,y) şeklinde satır(N) ve sütuna(M) bölünür.

Tamsayı olarak koordinatlara atanan değerler a[m,n] olarak gösterilir. a(x,y) gösterimi birçok değişkenin fonksiyonudur. Renk derinliği (z), renk (z) ve zaman (t) ile gösterilir. Sayısal bir görüntüyü etkileyen fonksiyonlar Şekil 2.2.2’de verilmiştir. 

Şekil 2.2.2. Sayısal bir görüntü gösterimini etkileyen fonksiyonlar

Görüntü renk uzayına bağlı olarak bir matris dönüşür. Bu matrisin boyutu satır ve sütunun çarpımına eşit olur. Kullanılan renk uzayının kanalı da bize bir satır ve sütunun kesiştiği noktadaki renk değerini verir. Gerçek bir görüntü ve bu görüntünün sayısal olarak ifade edilmesi Şekil 2.2.3’de gösterilmektedir.

Şekil 3.2.3. Gerçek bir görüntü ve sayısal bir görüntünün gösterimi

2.2.1. Çözünürlük

Çözünürlük en ince detayların ayırt edilebilmesidir. Sayısal görüntünün örneklenme frekansı miktarı, çözünürlük için iyi bir göstergedir. Sayısal görüntülerin çözünürlüğünü açıklamada inç başına düşen nokta miktarı (DPI) veya inç başına düşen piksel miktarı (PPI) terimleri kullanılır. Genelde örnekleme frekansının arttırılması çözünürlüğün arttırılmasına yardımcıdır.

Şekil 2.2.1.1. Sayısal bir görüntünün çözünürlüğü

2.2.2. Piksel Boyutları

           

Piksel boyutları, piksel ile ifade edilmiş görüntünün yatay ve düşey ölçüleridir. Piksel boyutları, genişlik ve yüksekliğin her ikisinin de çözünürlük (DPI) ile çarpımıyla açıklanabilir Şekil 2.2.2.1’de gösterimi vardır.

Şekil 2.2.2.1. Sayısal bir görüntünün piksel boyutları örneği

Bir dijital kameranın çözünürlüğünün hesaplanması için yatay ve düşey piksel sayısının belirtilmesi gerekir (2048x3072). Görüntülerin direk dijital ortama aktarılması için dijital fotoğraf makinası kullanılmaktadır. Dijital fotoğraf makinası Şekil 2.2.2.2 - Sayısal fotoğraf makinesi [2]

Şekil 2.2.2.2. Sayısal fotoğraf makinesi örneği

2.2.3. Renk Kalitesi

Renk kalitesi her pikselde kullanılan “bit” miktarıyla ilgilidir. Yüksek miktar, renk kalitesinin artmasına sebep olacaktır. Sayısal görüntüler siyah-beyaz, gri ton ve renkli olabilir. Siyah-beyaz görüntüler, piksel başına 1 bit taşır ve 2 renk tonu (0 değeri ile siyah, 1 değeri ile beyaz) üretilir. Gri ton görüntüler, piksel başına 2 – 8 bit veya daha fazla bilgi taşır. Örnek olarak 2 bit görüntüde 4 kombinasyon oluşur.[3]

• ·         00 Siyah
• ·         11 Beyaz
• ·         01 Koyu Gri
• ·         10 Açık Gri

Renkli imajlar piksel başına 8 – 24 bit veya üzerinde bilgi taşır. 3 gruba ayrılır:

• ·         8 adet kırmızı
• ·         8 adet yeşil
• ·         8 adet mavi

Bunların kombinasyonuyla 224 = 16,7 milyon renk elde edilebilir.

• ·         1 bit (2’1) 2 ton
• ·         2 bit (2’2) 4 ton
• ·         3 bit (2’3) 8 ton
• ·         4 bit (2’4) 16 ton
• ·         8 bit (2’8) 256 ton
• ·         16 bit (2’16) 65536 ton
• ·         24 bit (2’24) 16,7 milyon ton
•   

2.2.4. Dosya Boyutu

Dosya boyutu, taranacak olan doküman yüzey alanının (yükseklik x genişlik); renk kalitesi ve inç başına düşen nokta sayısının karesi ile çarpımına eşittir Dosya boyutu hesaplamak için formüller:

Dosya boyutu = (yükseklik x genişlik x renk derinliği x dpi2)/8

Dosya boyutu = (piksel boyutları x renk derinliği)/8

Örneğin; Bir dijital kamera tarafından 24 bit renk derinliği, 2048 x 3072 piksel boyutlarında olan bir imajın boyutu (2048 x 3072 x 24)/8 = 18.874.368 bayt olarak hesaplanır.

2.3. Görüntü Türleri

Sayısal görüntü kullanım alanına bağlı olarak 4 ana türden oluşur. Bunlar;

·         Gri düzeyli görüntü,
·         RGB görüntü,
·         İkili görüntü,
·         İndekslenmiş renkli görüntü 

2.3.1. Gri Düzeyli Görüntü

Görüntü farklı gri ton değerlerinden oluşur. Gri değer aralıkları: G={0,1,2,………..255} şeklinde ifade edilir. Bunun anlamı şudur: Bir gri tonlu görüntüde 256 tane farklı gri ton değeri daha doğrusu gri değer bulunabilir. Burada 256 gri değer bir byte olarak tanımlanabilir (1 Byte=8 Bit ve 28 = 256 bit).

Sıfır gri değeri kural olarak siyah renk değerine, 255 gri değeri ise beyaza karşılık gelir. Bu değerler arasında ise gri tonlar oluşur. Gri ton değer aralığı ve renk gösterimi Şekil 2.3.1.1’de verilmiştir. Gri bir görüntü ve piksel değerlerinin gösterimi Şekil 2.3.1.2’da verilmiştir.

             Şekil 2.3.1.1. Gri Ton Değer Aralığı Ve Renk Gösterimi

Şekil 2.3.1.2. Gri bir görüntü ve piksel değerlerinin gösterimi

2.3.2. RGB Görüntü 

Işıktaki ana renkler kırmızı, yeşil ve mavidir. Bu renkler, kısaca RGB (R=kırmızı, G=yeşil, B=mavi) olarak adlandırılır.

Renkli görüntüler bilgisayar ekranlarında 24 bitlik veri olarak görüntülenir. Görüntüleme R(Kırmızı), G(Yeşil), B(Mavi) kodlanmış aynı objeye ait üç adet gri düzeyli görüntünün üst üstle ekrana iletilmesi ile oluşur. Elektro-manyetik spektrumda 0,4-0,5 mm dalga boyu mavi renge; 0,5-0,6 mm dalga boyu yeşil renge; 0,6-0,7 mm dalga boyu kırmızı renge karşılık gelir. Bu dalga boylarında elde edilmiş üç gri düzeyli görüntü bilgisayar ekranında sırası ile kırmızı-yeşil-mavi kombinasyonunda üst üste düşürülecek olursa renkli görüntü elde edilmiş olur. RGB görüntü ve piksel değerlerinin gösterimi Şekil 2.3.2.1’da verilmiştir.[3]

Şekil 2.3.2.1. RGB görüntü ve piksel değerlerinin gösterimi

2.3.3. İkili Görüntü 

Siyah-Beyaz resim sadece iki değerden oluşan bir resimdir. Bu görüntüde her bir piksel ya siyah ya da beyaz olarak oluşur. Beyaz pikseller 1, siyah pikseller 0 değeri ile gösterilecektir.[4]  İkili görüntü ve piksel değerlerinin gösterimi Şekil 2.3.3.1’da verilmiştir.[3]

Şekil 2.3.3.1 - İkili görüntü ve piksel değerlerinin gösterimi

2.3.4. İndekslenmiş Renkli Görüntü

Her bir piksel, bir renk tablosundaki bir renge karşı düşen sayıyı ifade eder. İndekslenmiş Renkli Görüntü ve piksel değerlerinin gösterimi Şekil 2.3.4.1’da verilmiştir.

Şekil 2.3.4.1. İndekslenmiş Renkli Görüntü ve piksel değerlerinin gösterimi

2.4. Renk Uzayları

Renk uzayları renkleri tanımlamak için kullanılan matematiksel modellerdir. Renk uzayları, bütün renkleri temsil edecek şekilde oluşturulur. Renk uzayları 3D olarak tasarlanır. Çünkü Renkmetri biliminin temelini oluşturan Grassmann’ın birinci kanununa göre bir rengi belirlemek için birbirinden bağımsız üç değişkene gerek vardır.

Renklerin renk uzayındaki yerleri bu değişkenlere göre belirlenir. Her renk uzayının kendine özgü biçimde renk oluşturma için bazı standartları vardır. Renk uzayları oluşturulurken bir başka renk uzayına doğrusal ya da doğrusal olmayan yöntemlerle dönüşüm yapılabilmelidir. Farklı renkli görüntüleme ve işleme cihazları farklı renk uzayları kullanır. Örneğin televizyon, bilgisayar monitörleri ve tarayıcılar RGB renk uzayını, yazıcı ve çiziciler CMYK renk uzayını kullanır.

Renk uzayları genel olarak cihaz bağımlı ve cihaz bağımsız renk uzayları olarak iki gruba ayrılır. Cihaz bağımlı renk uzaylarında renkler cihazın özelliklerine bağlı olarak üretilir. Yani tamamen cihazın teknik özelliklerine bağlıdır. Cihaz bağımsız renk uzayları ise CIE tarafından geliştirilen ve bütün renkler için renk ölçümünü sağlayan yani renkmetride kullanılan uzaylardır.  CIE tarafından geliştirilen bu renk uzaylarında renk ile ilgili ortaya konulan ve önerilen tanımlamalar (standart gözlemci ve standart aydınlatıcı gibi) kullanılmıştır. Şekil 2.4.1’ de yaygın olarak kullanılan renk uzayları görülmektedir. Bundan dolayı renk uzayları konuları hakkında bilgilendirme yapılmıştır.

Şekil 2.4.1 - Yaygın Olarak Kullanılan Renk Uzayları

2.4.1. RGB Renk Uzayı

RGB renk uzayı toplamalı renk karışımı yöntemiyle bir birim küpün içinde renkleri tanımlayacak şekilde tasarlanmıştır (Şekil 2.4.1.1). RGB renk uzayı bilgisayar monitörleri, tarayıcılar ve katodik televizyon tüpleri gibi cihazlarda kullanılır.

Şekil 2.4.1.1. RGB Renk Uzayı

Herhangi bir rengi bilgisayarda görüntülemek için bu üç renk belirli yoğunluklarda karıştırılır. RGB renk uzayı koordinat eksenleri kırmızı, yeşil ve mavi olan 3D bir uzay olarak düşünülebilir. Oluşturulmak istenilen renkler bu üç ana rengin koordinatlar cinsinden ifade edilebilir.

3.4.2. LAB Renk Uzayı

Bir rengin uyarımı değiştiği zaman, gözlemci bir süre sonra renkte bir farklılık algılayacaktır. CIE Lab renk uzayının en belirgin özelliği renk uzayının algılama yönünden düzgün değişim göstermesidir. CIE Lab renk uzayı Munsell renk sistemi üzerine kuruludur. CIE Lab renk uzayı 1976 yılında görsel medya için tasarlanıp oluşturulmuştur. Günümüzde CIE Lab renk uzayı çeşitli alanlar için standart renk uzayı olarak seçilmiştir ve bugün pek çok uygulamada kullanılmaktadır. CIE Lab renk uzayının bileşenleri değer (L: lightness), tonlama ve doygunluk (a, b) dir. L, bir rengin açıklığını, a ve b ise rengi oluşturmaktadır.

(Şekil 2.4.2.1).

Şekil 2.4.2.1. LAB Renk Uzayı

3.4.3. CMYK Renk Uzayı

CMYK renk uzayı çıkarmalı renk karışım yöntemi yardımıyla birim küpte renklerin tanımlanmasıdır (Şekil 2.4.3.1). Camgöbeği, galibarda, sarı ve siyah renk uzayının eksenleridir. Bu sistem toplamalı renk karışımı yönteminin yani RGB renk uzayının tamamlayıcısıdır. Bunun anlamı CMYK renk uzayını oluşturan iki bileşenin karışımıyla RGB renk uzayını oluşturan bir bileşenin elde edilmesidir. Şekil 2.4.3.1 de CMKY renk uzayının Çizelgesi görülmektedir. 

Şekil 2.4.3.1. CMYK renk uzayının Çizelgesi