پردازش تصویر چیست؟ کاربردها و مراحل آن

پردازش تصویر (Image processing) امروزه بیشتر به موضوع پردازش دیجیتالی تصاویر که به آن پردازش تصویر دیجیتال گفته می‌شود سروکار دارد. پردازش دیجیتالی شاخه‌ای از پردازش سیگنال است که با پردازش سیگنال دیجیتال که نماینده تصاویر برداشته شده با دوربین دیجیتال یا اسکن شده توسط اسکنر هستند.

از طرف دیگر تعداد داده های تولید و ذخیره شده در تمام حوزه‌ها افزایش یافته است. بنابراین، برای مدیریت کارآمد این داده‌های گسترده، روش‌های مختلف فشرده‌سازی باید بر روی داده‌ها اعمال شود، تا بتوانند به شکلی بهتر و کارآمدتر مورد استفاده قرار گیرند. پردازش تصویر روشی برای تبدیل یک تصویر به شکل دیجیتال و انجام برخی عملیات بر روی آن به منظور به دست آوردن یک تصویر پیشرفته یا استخراج اطلاعات مفید از آن است.

همانطور که گفتیم پردازش تصویر دیجیتال (digital image processing) نوعی توزیع سیگنال به‌حساب می‌آید که در آن ورودی یک تصویر است، مانند فریم ویدیو یا عکس و امکان دارد خروجی تصویر یا ویژگی‌های مرتبط با آن تصویر باشد. معمولاً سیستم پردازش تصویر شامل کار روی تصاویر به عنوان سیگنال‌های دو بعدی و در عین حال اعمال روش‌های پردازش سیگنال از قبل تنظیم شده برای آن‌ها است.

تاریخچه پردازش تصویر

یکی از اولین کاربردهای تصویر دیجیتال در صنعت چاپ و روزنامه بود، زمانی که تصویر برای اولین‌بار توسط کابل زیردریایی بین لندن و نیویورک ارسال شد. با معرفی سیستم انتقال تصویر کابل خط بارت در سال های اولیه دهه ۱۹۲۰، زمان موردنیاز برای انتقال تصویر در سرتاسر آتلانتیک را از یک هفته و یا بیشتر به سه ساعت در روز کاهش داد. تجهیزات چاپ تخصصی برای انتقال کابل، تصاویر را رمزگذاری کرده و سپس در پایان آنها را بازسازی می‌کرد. برخی از مشکلات اولیه در بهبود کیفیت بصری این تصاویر دیجیتالی اولیه مربوط به انتخاب تولیدکنندگان چاپ و توزیع سطح شدت بود. در واقع، تصاویر دیجیتال به ذخیره‌سازی و قدرت محاسباتی زیادی نیاز دارند، به‌گونه‌ای که پیشرفت در زمینۀ پردازش‌تصویر دیجیتال به توسعه رایانه‌های دیجیتال و فناوری‌های پشتیبانی‌کننده ازجمله ذخیره‌سازی، نمایش و انتقال داده بستگی دارد.

تصویر دیجیتالی

تصویر دیجیتال (رقمی) از تعداد بسیار زیادی از مربع‌های کوچک، مشهور به پیکسل (pixel) تشکیل شده‌است. هر پیکسل دارای یک مقدار دیجیتال است که بیان‌گر مقدار روشنایی آن پیکسل است. به این نوع تصاویر، تصاویر رَستِری (Raster Image) هم می‌گویند. هر تصویر رستری از تعدادی سطر و تعدادی ستون تشکیل شده‌است.

مقادیر پیکسل

برای مشخص کردن رنگ یک پیکسل، روش‌های مختلفی استفاده می‌شود. آنچه که متداول‌تر است مدل رنگی آر جی بی (RGB) است که ۳ کانال مختلف برای ۳ رنگ قرمز، سبز و آبی در نظر می‌گیرد. اما در پردازش تصویر از فضاهای رنگی دیگر استفادهٔ بیشتری می‌شود. در صورتی که از ۳ کانال قرمز و سبز و آبی استفاده شود و برای هر کانال ۸ بیت در نظر گرفته شود، هر کانال دارای ۲۵۶ حالت خواهد بود. در نتیجه هر پیکسل می‌تواند ۱۶۷۷۷۲۱۶ (۲۵۶ به توان ۳) رنگ مختلف را نشان دهد.

تفکیک‌پذیری تصویر

تفکیک‌پذیری تصویر به تعداد پیکسل‌ها در طول و عرض تصویر بستگی دارد.

رزولوشن رادیو متریک تصویر

در یک تصویر ۴ بیتی، حداکثر دامنه روشنایی برابر با ۱۶ (۲ به توان ۴) می‌باشد یعنی دامنه آن از ۰ تا ۱۵ می‌باشد. این تصویر در مقایسه با یک تصویر با نرخ بیت بالاتر، کیفیت پایین‌تری را به نمایش می‌گذارد. تصویر ۸ بیتی، حداکثر دامنه روشنایی ۲۵۶ را دارد، یعنی تغییرات هر پیکسل آن بین ۰ تا ۲۵۵ است؛ بنابراین رزولوشن رادیو متریک بهتری دارد.

عملیات اصلی در پردازش تصویر

تبدیلات هندسی: همانند تغییر اندازه، چرخش و…
رنگ: همانند تغییر روشنایی، وضوح یا تغییر مدل (فضا) رنگ
ترکیب تصاویر: ترکیب دو یا چند تصویر
فشرده سازی پرونده: کاهش حجم تصویر، تغییر قالب بندی(فرمت) تصویر
ناحیه بندی پرونده: تجزیهٔ تصویر به نواحی با معنی
بهبود کیفیت پرونده: کاهش نویز، افزایش کنتراست، اصلاح گاما و …
سنجش کیفیت تصویر
ذخیره‌سازی اطلاعات در تصویر
انطباق تصاویر: شاخص شباهت ساختاری، نسبت سیگنال به نویز و …

انواع پردازش تصویر

در حالت کلی دو نوع پردازش‌تصویر وجود دارد:

پردازش تصویر آنالوگ
پردازش تصویر دیجیتال

در پردازش‌تصویر آنالوگ، تصویر گرفته‌شده توسط دوربین‌های معمولی عکاسی مورد پردازش قرار می‌گیرد اما در پردازش‌تصویر دیجیتالی با استفاده از اسکنرهای نوری، حسگرهای دیجیتالی و موارد دیگر، تصویر مورد پردازش قرار می‌گیرد.فرایند به‌دست‌آوردن تصویری از منطقۀ موردنظر، پیش‌پردازش آن تصویر، تشخیص افراد در تصویر، توصیف تصویری افراد به شکلی مناسب برای پردازش رایانه‌ای و شناسایی آنها، پردازش‌تصویر دیجیتال است.

کاربرد پردازش تصویر در زمینه‌های مختلف

امروزه با پیشرفت تجهیزات تصویر برداری و الگوریتم‌های پردازش تصویر شاخهٔ جدیدی در کنترل کیفیت و ابزار دقیق به وجود آمده‌است؛ و هر روز شاهد عرضه سیستم‌های تصویری پیشرفته برای سنجش اندازه، کالیبراسیون، کنترل اتصالات مکانیکی، افزایش کیفیت تولید و … هستیم.

دستکاری و ترمیم تصویر
پزشکی
بینایی ماشین و پردازش تصویر در اتوماسیون صنعتی
شناسایی تغییرات یک ناحیه و یا آسیب‌های زیرساختی ناشی از زلزله
کالیبراسیون و ابزار دقیق
کشاورزی
انتقال و رمزگذاری اطلاعات در اینترنت
حمل و نقل