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講義ノート
教室 : 1414-202 BER OCTO 09 画像工学 2007年度版 2007年度版 Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami Imaging Science and Technology 画 像 工 学 2007年度版 2 慶応義塾大学理工学部 慶応義塾大学理工学部 教授 教授 中 中 島 島 真 真 人 人 Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami 1 2. 画像システム (例) 画像システムとしてのカメラ y 入力 f(x,y) x カメラ (フィルムカメラ、デジタルカメラ、どちらでも OK ) (紙に書かれた文字 ) (フィルム上またはCCD面上の画像 ) 出力 g(x,y) H(u,v) SYSTEM 画像の場合の伝達関数 を‘OTF ’という! x y Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 2. 画像システム (例) 画像システムとしてのカメラ y 入力 f(x,y) x カメラ (フィルムカメラ、デジタルカメラ、どちらでも OK ) (紙に書かれた文字 ) (フィルム上またはCCD面上の画像 ) 出力 g(x,y) H(u,v) SYSTEM 伝達関数 → OTF x ( Optical Transfer Function ) y G (u , v ) = H (u , v ) F (u , v ) G (u , v ) FT g ( x, y) ∞ g (x, y) = ∞ ∫ ∫ G (u , v )e + ( xu + yv ) ∫ ∫ H (u , v )e + ( xu + yv ) −∞−∞ ∞ ∞ h(x, y) = インパルス応答 Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami dudv dudv −∞−∞ ANIMATION 2 2. 画像システム (例) 画像システムとしてのカメラ y 入力 f(x,y) カメラ (フィルムカメラ、デジタルカメラ、どちらでも OK ) (紙に書かれた文字 ) x (フィルム上またはCCD面上の画像 ) 出力 g(x,y) H(u,v) SYSTEM 伝達関数 → OTF x ( Optical Transfer Function ) y G (u , v ) = H (u , v ) F (u , v ) G (u , v ) FT g ( x, y) カメラで撮影された写真 g(x,y) は、物体 f(x,y) と 伝達関数 H(x,y)のフーリエ逆変 換であるインパルス応答 h(x,y) のコンボリューションによって表される. 言い方を変えると、カメラで撮影された写真は、「h(x,y) によってボカされたものに なっている!」と言うことができる. Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 2. 画像システム 画像の場合のインパルス応答(OTFのフーリ逆変換)を、 ‘点拡がり関数’( PSF: Point Spread Function ) という. PSF,OTFの求め方 ピンホール(1画像サイズ) PSF h(x,y) δ(x,y) インパルス h( x, y) PSF Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami FT H (u , v ) OTF ANIMATION 3 2. 画像システム 画像空間上でのコンボリューションとは・・・ 時間軸上では f(t) h(t) g (t ) = f (t ) ⊗ h (t ) 画像空間上では f(x,y) h(x,y) g (x, y) = f (x, y) ⊗ h(x, y) Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 2. 画像システム 画像空間上でのコンボリューションとは・・・ h (x,y) g (x,y) f (x,y) g ( x, y ) = f ( x, y ) ⊗ h( x, y ) Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 4 2. 画像システム 画像空間上でのコンボリューションとは・・・ g (x, y) = f (x, y) ⊗ h(x, y) h (x,y) f (x,y) H (u,v) F (u,v) FT FT FT Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami G (u , v ) = F (u , v ) H (u , v ) ANIMATION 2. 画像システム 画像空間上でのコンボリューションとは・・・ g (x, y) = f (x, y) ⊗ h(x, y) h (x,y) f (x,y) FT F (u,v) FT H (u,v) FT G (u , v ) = F (u , v ) H (u , v ) Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami 5 2. 画像システム 画像空間上でのコンボリューションとは・・・ g (x, y) = f (x, y) ⊗ h(x, y) h (x,y) f (x,y) FT FT FT H (u,v) F (u,v) Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami G (u , v ) = F (u , v ) H (u , v ) ANIMATION 2. 画像システム 画像空間上でのコンボリューションとは・・・ g (x, y) = f (x, y) ⊗ h(x, y) h (x,y) f (x,y) FT FT FT 両者の違い、何による? F (u,v) Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami H (u,v) G (u , v ) = F (u , v ) H (u , v ) ANIMATION 6 2. 画像システム Application.1 [画像のボケ補正] f (x,y) g(x,y) 画像システム H(u,v) 撮影した写真がボケて 撮影した写真がボケてしまった。 どうしよう? g (x, y) = f (x, y) ⊗ h(x, y) Convolution 定理 G (u , v ) = H (u , v ) F (u , v ) Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 2. 画像システム 具体的には δ (x,y) h (x,y) PSF ・ 1st step 画像システム H(u,v) フーリエ変換して、逆数をとる. ~ g(x,y) f(x,y) 2nd step 逆フィルタ H-1(u,v) GH −1 = FT ~ FH ⇒ F → f ( x, y ) H Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ボケの取れた 画像 ボケの取れた画像 ANIMATION 7 2. 画像システム 原画像 ボケ画像 修正画像 PSF Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 2. 画像システム 諸君にも簡単にできるので、自分のパソコンで試して みてください。 ただ、何も考えないでやると、はじめは全然駄目かも しれません! その第一の理由は・・・ Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 8 2. 画像システム その第一の理由は・・・ 逆フィルタ : DeDe-convolution Filter H −1 = 1 H G の計算において、 H X ⇒∞ 0 G H なる計算をしなければなら ないところが沢山出てくる のが問題! Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 2. 画像システム そこで、この計算をする場合には、 H −1 = 1 H ≅ 2 H H +Γ 1/H を、用いる. これを、「ウィーナーフィルタ」 「ウィーナーフィルタ」という 適当に選んだ小さ目の定数 修正画像 修正画像が、 何かもう一つきれいに ならない第一の理由は、 この式が用いられている ところにある. Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 9 2. 画像システム De-convolution の実空間処理 では ... コピーマシン等の実用機でも、 実際にこの計算を使うことは可能であろうか? NO! 実用機では、Cost 実用機では、Cost--performance が悪くて が悪くて使えない. 使えない. Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 2. 画像システム De-convolution の実空間処理 Cost-performance 問題とは... (1) メモリ使用量: (2) 処理時間: g スキャン f FT G 白黒A4原稿の情報量 → 4MB コピーマシン等では準実時間処理が必至 ボケ 補正 G/H IFT f 印刷 周波数空間での処理はこの部分に時間がかかり過ぎる! 周波数空間での処理はこの部分に時間がかかり過ぎる! 原稿 印刷物 どうせ原稿の読み取り(スキャン) に時間が掛かるのだから、 どうせ原稿の読み取り(スキャン)に時間が掛かるのだから、 その間に‘ボケ補正の 処理’を行えば良 ’を行えば良い! い! その間に‘ボケ補正の処理 逐次的に処理 Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 10 ボケとは、原稿上の1点の情報が、印刷物上で 空間的にばら撒かれる現象である. 2. 画像システム ・・・・ ・ 印刷物 原稿 そこで、 原稿を読み取りながら、 だいたい数行ずつ処理 していくことにする 逐次処理 Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 2. 画像システム 逐次処理に適した De-convolution 演算 実空間 ( x-y 空間 ) での処理 これを外したい! これを外したい! g ( x, y ) = f ( x, y ) ⊗ h( x, y ) ∞ ∞ = ∫∫ f ( x ′, y ′ ) h ( x ′ − x , y ′ − y ) d x ′d y ′ −∞−∞ フーリエ空間(u フーリエ空間(u-v 空間)で行うように簡単にはいかない. フーリエ変換は、使用しない! ただし、その考え方は採用する! Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 11 2. 画像システム GH −1 FT = F ⇔ f これを、実空間で考えてみよう! h ⇔ H 1 1 ⇔ h H 1 g ⊗ = f h で、良いか? 駄目!!! Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 2. 画像システム 正解は ... [ ] g ⊗F F H −1 = f これを使う! ここで、 すなわち、 h⇔ H [ F H F F F −1 [h ] = ]⇔ GH Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami H H −1 −1 = F ANIMATION 12 2. 画像システム −−11 H のかたち δ(x,y) x H -1(u,v) u 0 h (x,y) x F F[H -1] H (u,v) u x これを、De De--convolution Window とも言う. Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 2. 画像システム 具体的な De-convolution Window の形 5×5 3×3 0.1 -0.1 -0.2 -0.1 -0.2 1.0 -0.2 -0.1 -0.2 -0.1 -0.2 0.1 -0.3 -0.3 -0.2 1.0 -0.3 0.1 -0.2 -0.3 -0.2 0.1 Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 13 2. 画像システム Pixel -0.1 -0.2 -0.1 -0.1 -0.2 -0.1 -0.2 -0.2 1.0 -0.2 -0.2 -0.2 -0.1 -0.1 -0.1 -0.2 -0.1 DeDe-convolution Window (3×3) 3×3) □□□□□□□□□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□□□□□□ DeDe-convolution Window (ここでは、3×3)を 1pixel づつ移動しながら づつ移動しながら 畳み込んでいく. 畳み込んでいく. スキャン終了と略同じに ボケ補正も終了する. Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami ANIMATION 2007年度 「画像工学」 第2回講義 おわり Autumn 2007 Prof.M.Nakajima KEIO Univ. Yagami 14