Bildverarbeitung und Algorithmen - Prof. Dr. Wolfgang Konen Grundlagen der visuellen Wahrnehmung und der Bildentstehung
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Bildverarbeitung und Algorithmen
Prof. Dr. Wolfgang Konen
Grundlagen der
visuellen Wahrnehmung
und der Bildentstehung
Bildverarbeitung & CompVision
2021 1.1 Konen, Zielke
Frequenz [Zyklen/Sekunde]
Das elektromagnetische
Spektrum Sichtbares Licht
Wellenlänge [Meter]
grün orange
violett Wellenlänge rot
[Nanometer] Bildverarbeitung & CompVision
2021 1.2 Konen, Zielke
Physische Struktur des menschlichen Auges
(Halbschematischer Horizontalschnitt durch ein rechtes Auge)
Iris
Pupille Linse
Optische
Fovea
Sehnerv
Achse
(optic nerve)
Sehachse
Retina
(Netzhaut)
Cornea
(Hornhaut)
Blinder
Fleck Bildverarbeitung & CompVision
2021 1.3 Konen, ZielkeEigenschaften des
menschlichen visuellen Systems (1)
Retina
Die Retina ist der
Bilddetektor des Auges.
Es gibt zwei Typen von
Photorezeptoren:
• Stäbchen (rods)
• Hohe
Lichtempfindlichkeit
• Schmales Spektralband
• Zapfen (cones)
• Geringe
Lichtempfindlichkeit
• Drei unterschiedliche
Spektralbänder
(ermöglicht Farbensehen)
Bildverarbeitung & CompVision
2021 1.4 Konen, ZielkePhysische Struktur der Retina
Die menschliche Retina besteht hauptsächlich aus 3 Schichten:
• Die Photorezeptoren "Stäbchen" und "Zapfen".
• Eine Zwischenschicht für Datenreduktion und Bildvorverarbeitung.
• Die Fasern des optischen Nervs, der zum Gehirn führt. Bildverarbeitung & CompVision
2021 1.5 Konen, ZielkeEigenschaften des
menschlichen visuellen Systems (2)
Rezeptorverteilung auf der Retina
hoch Blinder Fleck Fovea
Stäbchen (rods)
Relative Rezeptoranzahl
• Die Stäbchen
sind über die Stäbchen
gesamte Retina
verteilt, außer in
der Fovea.
Zapfen (cones)
• Die meisten Zapfen
Zapfen befinden
sich in der niedrig
Fovea.
Winkelabweichung
von der Sehachse
Bildverarbeitung & CompVision
2021 1.6 Konen, ZielkeOptische Auflösung
(Örtliche Auflösung einer optischen
Abbildung)
Der Begiff Auflösung bezieht sich auf die Fähigkeit, zwei
benachbarte Bildpunkte unterscheiden zu können.
• Wir können zwei benachbarte Bildpunkte (eines Objekts) auflösen, wenn
wir sie als separat erkennen können.
• Wenn wir im Bild zwei benachbarte Punkte eines Objekts nicht
unterscheiden können, dann lassen sich diese Punkte nicht auflösen.
In der Videotechnik, zum Beispiel, wird die Auflösung von
Kameras, Videorecordern etc. in "Linien" angegeben (ein
wichtiger Qualitätswert!):
• 450 Linien Auflösung einer Videokamera bedeutet die Fähigkeit der
Kamera, ein Wellen-Muster bestehend aus vertikalen Linien so
abzubilden, dass in einem Standard-Videobild 450 Linien dieses Musters
gerade noch unterschieden (z.B. gezählt) werden können.
Bildverarbeitung & CompVision
2021 1.7 Konen, ZielkeEigenschaften des
menschlichen visuellen Systems (3)
Fovea und Peripherie
Die (Orts-)Auflösung Simulation einer ortsvarianten
(Detailtiefe) des auf der Bildauflösung mit Auflösungsmaximum
Retina erzeugten Bildes ist im Bildzentrum und radialem Abfall der
im Zentrum (in der Fovea) Ortsauflösung zum Bildrand:
maximal und nimmt zum
Rand hin (in der Peripherie)
ab.
Die Zapfen liefern eine hohe
Bildauflösung weil sie alle
individuell mit Nervenfasern
verbunden sind.
Bei den Stäbchen sind jeweils
mehrere Rezeptoren mit einer
Nervenfaser verbunden
geringere Bildauflösung beim
Bildverarbeitung & CompVision
Farbensehen. 2021 1.8 Konen, ZielkeEigenschaften des
menschlichen visuellen Systems (4)
Fovea und Peripherie
Simulation der
Bilderzeugung auf der
Retina.
Der Zentralbereich
(Fovea) ist wesentlich
höher aufgelöst als
der Randbereich
(Peripherie).
Bildverarbeitung & CompVision
2021 1.9 Konen, ZielkeEigenschaften des
menschlichen visuellen Systems (5)
Helligkeits- und Kontrastwahrnehmung
weiß
wahrgenommene Helligkeit
Acht Graustufen, deren
Intensitätsabstände scheinbar
gleich sind:
Tatsächliches
schwarz Intensitäts-
Beleuchtungsintensität profil:
Logarithmische Helligkeitsempfindlichkeit des Auges
Deutlich wahrgenommene Helligkeitssteigerungen
entsprechen jeweils einer Verdopplung der
aufgenommenen Lichtintensität.
Bildverarbeitung & CompVision
2021 1.10 Konen, ZielkeEigenschaften des
menschlichen visuellen Systems (6)
MACH-Band Effekt
Laterale Inhibition:
Benachbarte Photorezeptoren auf
der Retina interagieren
miteinander, wodurch wichtige
visuelle Effekte entstehen.
Mach-Band Effekt:
Neben Intensitätssprüngen sieht
man helle und dunkle
Seitenbänder, die die
Intensitätsänderung stärker
erscheinen lässt, als sie ist.
Wahrgenommener
Helligkeitsverlauf
Tatsächlicher
Bildverarbeitung & CompVision
Intensitätsverlauf 2021 1.11 Konen, ZielkeEigenschaften des
menschlichen visuellen Systems (7)
Helligkeits- und Simultankontrast
I=0 I=63 Simultankontrast (simultaneous
contrast) ist eine Illusion, bei der die
wahrgenommene Helligkeit einer
Region von der Intensität der
jeweiligen Umgebung abhängt.
Das visuelle System adaptiert seine
I=190 I=255
Intensitätsempfindlichkeit an die
durchschnittliche Intensität der
Umgebung des betrachteten Objekts.
Alle inneren Quadrate haben den
gleichen Intensitätswert (I=126).
Imax - Imin Sie erscheinen aber verschieden,
Kontrast := je nach Hintergrund.
Imax + Imin
Bildverarbeitung & CompVision
2021 1.12 Konen, ZielkeÖrtliche Frequenz
(Ortsfrequenz)
Ortsfrequenz
f=2
Hohe
Details eines weit entfernten
Ortsfrequenz
Musters sind nur wahrnehmbar,
wenn hohe Ortsfrequenzen
aufgelöst werden können. Niedrige
Ortsfrequenz
(f=8)
Ortsfrequenz ⇔ Anzahl Musterzyklen im Blickfeld
Bildverarbeitung & CompVision
2021 1.13 Konen, ZielkeAbbildungsprinzipien
2D-Abbildung
Kollimator der Szene
z.B. von Objekten reflektiertes Licht
3D-Szene
Einfallende Lichtstrahlen,
Das am häufigsten genutzte
Abbildungsprinzip ist die
Lochkamera. Das Auge und praktisch
Lochkamera alle technischen Kameras basieren
auf dem Prinzip der Lochkamera.
Bei dem Kollimator-Prinzip fallen
näherungsweise parallele Lichtstrahlen
durch ein Bündel von Röhren auf die
Bildebene. Bsp.: Komplexaugen der
Insekten.
Bildverarbeitung & CompVision
2021 1.14 Konen, ZielkeVergleich der Bildentstehung
im Auge und
in einer modernen elektronischen Kamera
Mit der Iris wird die Lichtmenge
gesteuert, die den Sensor (Retina)
erreicht.
Die Fokussierung (Akkomodation)
geschieht durch Verschieben der
Linse entlang der optischen Achse.
CCD-Chip
(Charge Coupled Device)
Bildverarbeitung & CompVision
2021 1.15 Konen, ZielkePrinzip der Bildentstehung
bei einer CCD-Kamera
synchronization
logic and addressing
CCD-Chip addressing 5 6 7
3 4
2
(Charge Coupled Device) 1
to
0
0 read row
1 frame
or pixel
2
buffer
3
4
5
alternative
6
lens 7 analog to
3 D scene
(Objektiv) TV TV
(3 D Szene) signal
image plane
(Bildebene) pixel Bildverarbeitung & CompVision
2021 1.16 Konen, ZielkeErzeugung digitaler Bilddaten
mit einer Standard-(TV)-Videokamera
Eine Bildzeile
Bildmatrix mit
Grauwerte:
Grauwerten
0 ... 255
Bildpunkt
„Pixel“
Abtastung Quantisierung
Bildverarbeitung & CompVision
2021 1.17 Konen, ZielkeSie können auch lesen
