witamy
o nas
kontakt
produkty
demo
ceny
|
| użytkownicy |
MultiScan ScanBase Multiplier
CompareScan MultiColor
Formula
MakeFilter
MeatFat
KaryotypeW skład standardowego systemu analizy obrazu MultiScanBase (poza sprzętem) wchodzą programy: System MultiScanBase - Karyotype rozszerzony jest o specjalizowany program Karyotype wspomagający analizę płytek metafazalnych i generujący interaktywnie kariogramy
O analizie obrazu
Postrzeganie
Drogi Czytelniku,
Zastanów się, co zostało narysowane obok? Oczywiście jedynie kilka kresek; w dodatku niezbyt starannie. Pomimo tego zapewne rozpoznałeś w tych kilku kreskach sylwetkę wieży Eiffia. Stało się tak dzięki temu, że przeprowadziłeś (choć wcale tego tak nie nazwałeś) analizę obrazu.
Mato tego, czytanie tego tekstu to też ciągły proces analizowania obrazu. Podobnie, gdy zobaczysz z daleka idącą osobę i wykrzykniesz To pani Krysia!, będzie to wynikiem przeprowadzonej przez Ciebie analizy obrazu.
Powyższe przykłady wskazują, że analiza obrazu jest tym, co najczęściej robimy, gdyż dzięki niej do naszego mózgu dociera najwięcej informacji. W dodatku nasza analiza jest w porównaniu z wszelkimi próbami jej naśladowania przez technikę bardzo skuteczna. Świadczą o tym chociażby trudności przy tworzeniu protezy oka. Zatem, Drogi Czytelniku, analiza obrazu dotyczy dziedziny, w której jesteś znakomitym praktykiem!
Nauka nie wyjaśniła dotąd, w jaki sposób informacje pochodzące z oka są przetwarzane przez nasz mózg. Dlatego też zajmiemy się jedynie opisem takich przekształceń, które możemy wykonać przy pomocy komputera.
Od pewnego czasu komputerowa analiza obrazu gości codziennie w większości naszych domów. Na przykład podczas telewizyjnej prognozy pogody pokazywane są komputerowo przetworzone zdjęcia satelitarne powierzchni Ziemi, które ułatwiają prognozowanie zmian pogody. Komputerowe przetwarzanie obrazu wykorzystuje się też w celach artystycznych, co często można zaobserwować na teledyskach. Jak już stwierdziliśmy wyżej, komputerowe narzędzia do analizy obrazu są bardzo ubogie w porównaniu z naszym zmysłem wzroku. Często jednak oddają nam bezcenne usługi i pozwalają odczytać informacje niedostępne normalnie dla naszego oka. Brzmi to jak paradoks, ale może być dość łatwo wyjaśnione.
Nasz zmysł wzroku z pewnością przewyższa komputer w interpretacji obrazu. Natomiast komputer jest jednoznaczny w swoich decyzjach. Dzięki temu może zmieniać obrazy tak, by były bardziej czytelne dla nas, a także (i tutaj człowiek przegrywa) przeprowadzać pomiary. Poza tym komputer może powtarzać te same czynności setki lub tysiące razy, nie odczuwając przy tym zmęczenia monotonną pracą.
Przy analizie obrazu używa się wielu, nieraz bardzo skomplikowanych i abstrakcyjnych przekształceń. Na szczęście nawet te bardzo skomplikowane przekształcenia obrazów powstają w istocie jako złożenie wielu prostych operacji.
Niniejsza praca ma Ci przybliżyć, Drogi Czytelniku, te operacje tak, abyś mógł próbować samemu wykorzystać metody analizy obrazu. Nie wiemy, kim jesteś - lekarzem, materiałoznawcą, biologiem, geografem czy policjantem. Wiemy jednak, że w każdym z wymienionych zawodów, podobnie, jak i w wielu innych, tu pominiętych, analiza obrazu ma szerokie zastosowanie. Ten szeroki krąg potencjalnych Użytkowników określił formułę opracowania, którą można określić słowami Einsteina:
"Tak prosto Jak to tylko możliwe, ale nie prościej".
powrót do spisu treści
Obraz w komputerze
Istnieje pewna analogia między obrazem odbieranym przez nasz zmysł wzroku i obrazem komputerowym. W tylnej ścianie gałki ocznej znajduje się mozaika, złożona z wielu komórek nerwowych, uczulonych na światło lub barwę, które przesyłają informację o bodźcach świetlnych do mózgu. Obraz na monitorze komputera również składa się z szeregu punktów, nazywanych zwykle pikselami. Kolor i intensywność świecenia poszczególnych punktów jest odbiciem danych zawartych w pamięci komputera. Tak więc w obydwu przypadkach obraz składa się z szeregu punktów, a jego interpretacja zależy głównie od jakości pracy interpretującego go mózgu albo komputera.
Aby odczytywać obrazy komputer potrzebuje czegoś, co zastępowałoby mu oczy - może to być kamera lub skaner. Obraz może być (tego już nie ma w naszym zmyśle wzroku) zapisany na dysku lub dyskietce i następnie wielokrotnie odtwarzany bez jakiejkolwiek straty zawartych w nim informacji. Zatem w skład komputerowego systemu analizy obrazu powinno wchodzić źródło obrazów, komputer i odpowiednie oprogramowanie.
Obrazy są zwykle zapamiętywane jako 1; 8- lub 24-bftowe. Odpowiada to kolejno obrazom: binarnym, monochromatycznym czyli wieloodcieniowym i kolorowym
W celu zapamiętania obrazu komputer potrzebuje bardzo dużej pamięci. Dlatego też, w zależności od potrzeb, obrazy są zapamiętywane w różny sposób.
Najprostsze i zajmujące najmniej pamięci, a równocześnie bardzo ważne,
są obrazy czarno-białe, w żargonie komputerowym nazywane binarnymi lub
1-bitowymi. Jeżeli czerni przypiszemy wartość O, a bieli wartość 1, to
do zapamiętania pojedynczego punktu obrazu wystarczy 1 bit pamięci. Wiele
przekształceń obrazu, o czym będzie dalej, może być wykonanych tylko na
obrazach binarnych. Są one również podstawą większości automatycznych pomiarów.
System MultiScanBase nie obsługuje formatu dyskowego 1-bitowego, zapisując
obrazy binarne jako 8-bitowe.
Następną, bardzo ważną grupę, stanowią obrazy wieloodcieniowe, nazywane
też szarymi. Zazwyczaj do zapamiętania stopnia szarości pojedynczego punktu
potrzebują one 8 bitów pamięci. Pozwala to na zapamiętanie 2^8 , czyli
256 stopni szarości. Liczba 8 nie została wybrana przypadkowo. Odpowiada
ona organizacji pamięci komputera, gdyż podstawową jednostką pamięci jest
1 bajt, czyli 8 bitów. Ponadto 256 stopni szarości wystarcza do większości
zastosowań - jest to więcej, niż potrafi rozróżnić nasze oko. Niekiedy
używa się obrazów o innej liczbie bitów na punkt obrazu, np.12. Jest to
jednak wykorzystywane rzadko i jest niewygodne z punktu widzenia zarządzania
pamięcią komputera.
Te informacje pozwalają już ocenić, jaka pojemność pamięci jest potrzebna
do zapamiętania obrazu. Wyobraźmy sobie, że chcemy przygotować do druku
widokówkę z czarno-białym zdjęciem. Aby wynik naszej pracy miał profesjonalny
wygląd, oko nie powinno widzieć poszczególnych punktów obrazu. Dlatego
też na wydruku powinno być co najmniej 10 punktów na każdy milimetr (zdolność
rozdzielcza oka wynosi ok. 0,1 mm). Przy formacie pocztówki 15x10,5 cm
daje to 1.586.550 bajtów pamięci- Ponieważ 1 kilobajt (kB) to 1024 bajty,
a 1 megabajt (MB) to 1024 kB, do zapamiętania naszej widokówki potrzeba
ok. 1,5 MB. Jest to więcej, niż mieści się na dyskietce 3,5" o dużej gęstości!
Do zapamiętania widokówki kolorowej potrzeba trzy razy więcej czyli ok.
4,5 MB
Tak wielkie zapotrzebowanie na pamięć powoduje, że zwykle analizatory
obrazu najczęściej operowały na obrazach 256x256 lub 512x512 punktów. Dopiero
niedawno, wraz z postępem w technologii budowy pamięci komputerowych i
rozwojem wydajnych mikroprocesorów, zaczęto na szerszą skalę wykorzystywać
w analizie obrazy o rozmiarach 1024x1024, czy nawet 4096x4096 punktów.
System MultiScanBase przetwarza obrazy o dowolnej rozdzielczości, zależnej
od źródła obrazu. I tak np. obrazy wideo posiadają rozdzielczość 768 X
576 punktów, a typowe rozdzielczości obrazów z aparatów cyfrowych wynoszą
1600 X 1200 punktów.
Z rozmiarem obrazu wiąże się również niezbędna do jego przetworzenia
moc obliczeniowa komputera. Liczba koniecznych przekształceń i ich złożoność
są tak wielkie, że analiza nawet niewielkiego (np. 256x256) obrazu na mało
wydajnej maszynie może trwać denerwująco długo. Z drugiej strony zakup
dużego analizatora, który kosztuje fortunę, nie zawsze jest uzasadniony.
Rozsądnym kompromisem wydaje się być wykorzystanie komputera klasy PC lub
stacji roboczej.
Naturalną koleją rzeczy jest próba analizy obrazów kolorowych. Technika
komputerowa, podobnie jak telewizja wykorzystuje standard RGB (red-green-blue),
czyli tworzy wszystkie kolory z trzech składowych: czerwonej, zielonej
i niebieskiej. Jeżeli każdemu składowemu kolorowi przyznamy 1 bajt na punkt
obrazu, to okaże się, że obraz kolorowy powinien być obrazem 24-bitowym.
Czasami, mając na względzie oszczędność pamięci, obrazy kolorowe zapamiętuje
się jako 16-bitowe- Zazwyczaj przyznaje się wówczas po 6 bitów dla kanału
czerwonego i zielonego oraz 4 bity dla kanału niebieskiego. Oczywiście,
taka oszczędność musi się odbić na jakości obrazu. W niektórych przypadkach,
gdy na obrazie zdecydowanie dominuje jeden kolor (np. lekko zachmurzone
niebo lub drzewa w lesie) można w ramach 16 bitów tak zoptymalizować paletę
barw, że obraz ma zadowalającą jakość. Generalnie jednak do zapisu obrazu
kolorowego potrzeba 24 bitów na punkt obrazu.
powrót do spisu treści
Formaty graficzne
Ustalenie liczby bitów przypadających na jeden punkt obrazu oczywiście
nie wystarcza do jego zapisu. Potrzebne są jeszcze m.in. takie informacje,
jak: szerokość i wysokość obrazu, rzeczywisty rozmiar obszaru reprezentowanego
przez pojedynczy punkt, sposób organizacji pamięci - np. wiersz po wierszu
lub kolumna po kolumnie itp. Wszystko to musi być zapisane w tzw. nagłówku
pliku graficznego, po którym następują właściwe dane obrazu. Sposób zapisu
tej całej informacji określa właśnie format graficzny zapisu obrazu. Znaczną
popularność zdobyło kilka formatów, np. bmp, jpeg, pcx, targa lub tiff.
Dla potrzeb analizy obrazu nie jest konieczna ich dokładna znajomość, wystarczy
wiedzieć, że każdy z nich zapisuje obraz w nieco inny sposób, ale istnieją
programy, które pozwalają przetłumaczyć jeden format obrazu na inny. Zainteresowani
szczegółowym opisem formatów graficznych odpowiednie informacje mogą znaleźć
w literaturze fachowej.
Niekiedy wytwórcy sprzętu do przetwarzania obrazu, np. kamer i kart
akwizycji obrazu, sprzedają sprzęt wraz z własnym oprogramowaniem, które
wykorzystuje nietypowe formaty zapisu danych. W takim przypadku należy
domagać się odpowiedniej dokumentacji, która uchroni nas przed mozolnym
odtwarzaniem sposobu organizacji plików z zapisanymi obrazami.
System MultiScanBase wczytuje obrazy zapisane w formacie bmp i jpg,
a zapisuje wyłącznie w formacie bmp. Szeroka lista innych formatów jest
dostępna za pośrednictwem podprogramu Lview.
Format jpg zawdzięcza swoją rosnącą popularność ogromnej skuteczności
użytej w nim kompresji, co wydatnie zmniejsza rozmiar zapisanych plików
i przyspiesza transmisję plików do komputera. Jednak obrazy poddane kompresji
jpg podlegają nieodwracalnej degradacji, która wprawdzie słabo widoczna
na oryginałach obrazów utrudnia, a czasem całkiem uniemożliwia ich przetwarzanie.
Dzieje się tak, ponieważ przetwarzanie mające na celu wydobycie z obrazu
słabo widocznych szczegółów (co jest regułą przy analizie), uwidacznia
defekty wprowadzone przez algorytm kompresji. Dlatego, jeżeli musisz używać
formatu jpg ustaw minimalny stopień kompresji.
powrót do spisu treści
Oprogramowanie
Dobry sprzęt nie wystarcza do przeprowadzenia analizy obrazu. Konieczne
jest jeszcze oprogramowanie. Podstawowe operacje na obrazach i wiele filtrów,
w tym filtry definiowane przez użytkownika, zawierają już programy przeznaczone
do obróbki zdjęć dla potrzeb poligrafii. Producenci oraz dystrybutorzy
kart akwizycji obrazu oferują swoje własne programy, zwykle demonstracyjne,
które poza prostą obróbką obrazu umożliwiają również przeprowadzanie pomiarów.
W pełni profesjonalne programy analizy obrazu pozwalają na wykonanie wszystkich
istotnych przekształceń, przede wszystkim morfologicznych, wykonywanie
i analizę pomiarów oraz automatyzację pracy, tj. tworzenie makropoleceń,
dołączanie oddzielnych aplikacji itp.
powrót do spisu treści
Porady
Analiza obrazu nie służy do poprawiania kiepskich zdjęć czy obrazów
mikroskopowych lecz do wydobywania z nich istotnych dla nas informacji.
Ogromny rozwój metod analizy obrazu wskazuje, że znajdują one istotne
i ważne zastosowania. Aby jednak ich wprowadzenie przyniosło sukces również
i nam, konieczne jest przyjęcie pewnego sposobu myślenia i postępowania,
który można byłoby nazwać (może trochę na wyrost) filozofią.
Wykorzystywanie metod analizy obrazu wiąże się zazwyczaj ze znacznymi
nakładami finansowymi. Dlatego, chcąc uniknąć zarzutu niepotrzebnego trwonienia
pieniędzy, trzeba zastanowić się nad celowością takiej inwestycji- W tym
celu proponujemy postawienie sobie kilku pytań:
- Jakie korzyści może przynieść wprowadzenie metod analizy obrazu do naszej pracy?
- Czy można otrzymać ten sam wynik inną metodą, przy niższych nakładach?
- Czy wiadomo dokładnie, Jaki jest charakter wyniku, który mamy otrzymać na podstawie analizy obrazu?
- Czy potrafimy opisać, na co należy zwrócić uwagę przy analizowaniu naszych obrazów?
Teraz kilka słów na temat możliwych odpowiedzi na przytoczone wyżej pytania. Wśród korzyści z wprowadzenia metod analizy obrazu należy wymienić przede wszystkim powtarzalność i odtwarzalność wyników analizy oraz jej obiektywizację, przyspieszenie pracochłonnych badań i rozszerzenie możliwości badawczych. Trzeba jednak pamiętać, że na te korzyści trzeba zazwyczaj poczekać, bo nauczenie się wydajnego korzystania z tak złożonego narzędzia, jakim jest analiza obrazu, wymaga dość sporo czasu.
Pytanie o to, czy można otrzymać ten sam wynik innymi, tańszymi metodami jest zawsze istotne. Trzeba więc dokonać rzetelnej analizy, której wyniku nie można z góry przewidzieć.
Kolejne pytanie to w istocie klucz do sukcesu lub porażki. Zanim odpowiemy sobie: jak?, trzeba wiedzieć co? i po co? To wcale nie jest takie trywialne. Analiza obrazu nie może być celem samym w sobie, gdyż jest to jedynie pewne narzędzie. Celem analizy obrazu może być na przykład obiektywizacja diagnoz, poprawa kontroli jakości, automatyzacja produkcji, identyfikacja podpisów itp. Brak jasnego sprecyzowania celu na pewno szybko zniechęci do stosowania tego wyrafinowanego narzędzia.
Następne pytanie, czy potrafimy przynajmniej zgrubnie opisać, na co należy zwrócić uwagę przy analizowaniu naszych obrazów? Najprawdopodobniej nieraz będziemy poszukiwali pomocy przy doborze przekształceń obrazu. Wtedy konieczne jest jasne sprecyzowanie, czego szukać? Jeżeli nasz doradca nie będzie sam widział tego, co powinien wyszukać komputer - jesteśmy zgubieni. Niestety, opisana wyżej sytuacja ma często miejsce, gdy analizę obrazu ma wykorzystywać ktoś o bardzo dużym doświadczeniu, ale równocześnie braku umiejętności przekazywania wiedzy. Takie osoby widzą od razu to, co trzeba i nie potrafią niekiedy zrozumieć, że ktoś inny tego nie dostrzega. Kiedyś poszedłem z kolegą, który był wędkarzem, nad górski potok. On widział w nim całe mnóstwo ryb. Ja - żadnej. Dopiero, gdy powiedział mi, jak patrzyć na wodę, pod jakim kątem i w które miejsca, również ja zobaczyłem stojące w wodzie pstrągi.
1 wreszcie ostatnia sprawa - analiza przeprowadzana przez komputer wymaga stałej kontroli z naszej strony, ponieważ jeżeli widzimy interesujące nas obiekty na obrazie, to wcale nie znaczy że komputer jest w stanie je wyszukać, natomiast jeżeli nie jesteśmy w stanie (ani nasz doradca) zobaczyć interesujących nas obiektów na obrazie, komputer ich na pewno nie "zobaczy".
powrót do spisu treści