پردازش تصویر (Image Processing) چیست و چه کاربردهایی دارد؟

پردازش تصویر (به انگلیسی: Image processing) امروزه بیشتر به موضوع پردازش دیجیتالی تصاویر(پردازش تصویر دیجیتال) گفته می‌شود.

که شاخه‌ای از پردازش سیگنال است که با پردازش سیگنال دیجیتال که نماینده تصاویر برداشته شده با دوربین دیجیتال یا اسکن شده توسط اسکنر هستند سر و کار دارد.

پردازش تصاویر دارای دو شاخه عمدهٔ بهبود تصاویر و بینایی ماشین است. بهبود تصاویر دربرگیرندهٔ روش‌هایی چون استفاده از فیلتر محوکننده و افزایش تضاد برای بهتر کردن .

کیفیت دیداری تصاویر و اطمینان از نمایش درست آن‌ها در محیط مقصد (مانند چاپگر یا نمایشگر رایانه) است، در حالی که بینایی ماشین به روش‌هایی می‌پردازد.

که به کمک آن‌ها می‌توان معنی و محتوای تصاویر را درک کرد تا از آن‌ها در کارهایی چون رباتیک و محور تصاویر استفاده شود.

در معنای خاص آن پردازش تصویر عبارتست از هر نوع پردازش سیگنال که ورودی یک تصویر است مثل عکس یا صحنه‌ای از یک فیلم.

خروجی پردازشگر تصویر می‌تواند یک تصویر یا یک مجموعه از نشان‌های ویژه یا متغیر (ریاضی)های مربوط به تصویر باشد.

اغلب تکنیک‌های پردازش تصویر شامل برخورد با تصویر به عنوان یک سیگنال دو بعدی و به‌کار گرفتن تکنیک‌های استاندارد پردازش سیگنال روی آن‌ها می‌شود.

پردازش تصویر اغلب به پردازش دیجیتالی تصویر اشاره می‌کند ولی پردازش نوری و عکاسی آنالوگ تصویر هم وجود دارند. این مقاله در مورد تکنیک‌های کلی است که برای همه آن‌ها به کار می‌رود.

تصویر چیست؟

قبل از اینکه به پردازش تصویر بپردازیم، لازم است ابتدا بدانیم که دقیقاً چه چیزی موجودیت یک تصویر را تشکیل می‌دهد.

یک تصویر از طریق ابعاد آن (ارتفاع و عرض) بر اساس تعداد پیکسل‌ها نشان داده می‌شود. به عنوان مثال، اگر ابعاد یک تصویر ۵۰۰ × ۴۰۰ (عرض در ارتفاع) باشد.

تعداد کل پیکسل های موجود در تصویر ۲۰۰۰۰۰ عدد است.

این پیکسل در واقع نقطه‌ای در تصویر است که رنگ، شفافیت یا ویژگی خاصی به خود می گیرد و معمولاً شامل یکی از موارد زیر می‌شود:

1. خاکستری:

پیکسلی با یک عدد صحیح و با مقداری بین ۰ تا ۲۵۵ (۰ کاملاً سیاه و ۲۵۵ کاملاً سفید است).

2. RGB:

یک پیکسل که از ۳ عدد صحیح بین ۰ تا ۲۵۵ تشکیل شده است (این اعداد، شدت رنگ قرمز، سبز و آبی را نشان می دهند).

3. RGBA:

نسخه گسترش یافته RGB  است که به آن یک فیلد آلفا اضافه شده است تا شفافیت تصویر را نشان دهد.

4. تصاویر دودویی

تصاویر دودویی ساده‌ترین نوع تصاویر هستند زیرا فقط صاحب دو مقدار هستند: سیاه یا سفید، به ترتیب، ۰ یا ۱.

این نوع تصویر به عنوان تصویری ۱ بیتی شناخته می‌شود، چراکه یک بیت دودویی برای نمایش آن کافی است.

از تصاویر دودویی می‌توان برای شناسایی شیء در تصاویر پزشکی و یا برای تشخیص چهره در تصاویر امنیتی استفاده کرد.

تاریخچه پردازش تصویر چیست؟

اولین کاربرد تصویر دیجیتال به زمانی برمیگردد که  یک تصویر برای نخستین بار توسط کابل زیر دریایی میان لندن  نیویورک ارسال شد.

این اتفاق نوین در  در اوایل دهه 1920 در صنعت روزنامه  رخ داد. و سبب شد که زمان مورد نیاز برای انتقال تصویر در سراسر اتلانتیک از یک هفته به سه ساعت در روز کاهش پیدا کند.

برای انتقال کابل ها، بوسلیله تجهیزات چاپ تخصصی تصاویر را رمز گزاری کرده و سپس آنها را باسازی میکردند

بعضی مشکلات اولیه نیز در خصوص کیفیت بصری تصاویر دیجیتال رخ میداد که مربوط میشد به، تولیدکنندگان چاپی.

تصاویر دیجیتال نیاز به ذخیره سازی و قدرت محاسباتی دارند، طوریکه پیشرفت در زمینه پردازش تصویر دیجیتال بستگی دارد.

به توسعه فناوری هایی همچون؛ رایانهای های دیجیتال، و پشتیبانی دستگاهایی برای ذخیره سازی، نمایش و انتقال داده ها.

دومین کاربرد پردازش تصویر در تاریخ به دهه 1960 برمیگردد.

در آن زمان تحقیقاتی صورت گرفت در زمینه تصویربرداری ماهواره ای، تبدیل استاندارد رادیو عکس، تصویر برداری پزشکی، ویدیوفون، شناسایی حروف و تقویت عکس با استفاده از تکنیک‌های پردازش تصویر دیجیتال یا پردازش تصویر.

هزینه این تحقیقات گزاف بود و به همین دلیل در دهه 1970 دسترسی به  رایانه‌های ارزانتر و تغییر و تحول در سخت‌افزارهای مخصوص، پردازش تصویر دیجیتال گسترش پیدا کرد.

در آن موقع پردازش همزمان تصاویر برای مسأله های خاصی چون تبدیل استانداردهای تلویزیون ممکن بود.

رایانه های چند منظوره با سریعتر شدن جای سخت افزارها را گرفتند و در سال 1994 در تالار مشاهیر فناوری فضایی، از فناوری پردازش تصویر برای کاربردهای پزشکی رونمایی شد.

و با فراهم شدن رایانه‌ها و پردازنده‌های سیگنالی در سال 2000 پردازش تصویر دیجیتال به متداول‌ترین شکل پردازش تصویر تبدیل شد.

پردازش تصویر چیست؟

پردازش تصویر (image processing) مجموعه روش‌هایی است که هدفشان دستکاری یا بهبود تصاویر است.

پردازش تصویر به صورت پیکسل به پیکسل است: یعنی الگوریتم‌ها با ویژگی‌های پیکسلی تصویر سروکار دارند، مجموعه‌ای از توابع به ترتیب بر هر پیکسل از یک تصویر اعمال می‌شوند.

و فقط هنگامی که یک تابع عملیاتی به طور کامل انجام شد، برنامه شروع به انجام تابع دوم و… می‌کند. علاوه بر آن، در پردازش تصویر اغلب از الگوریتم‌های یادگیری ماشین استفاده می‌شود.

اما برای درک بهتر چگونگی این کار، اول بهتر است بدانید که اصلا یک ماشین هوشمند چگونه تصاویر را می‌بیند؟ تصاویر  در رایانه در قالب ماتریس‌های دو بعدی یا سه بعدی توسط یک کامپیوتر تفسیر می‌شوند . مقدار درایه در هر ماتریس نشان دهنده دامنه رنگی آن پیکسل است که به عنوان “شدت” پیکسل  نیز شناخته می‌شود.

به طور معمول، با تصاویر 8 بیتی سروکار دارید که در آن مقدار دامنه از 0 تا 255 (مقدار کد رنگ قابل قبول هر پیکسل) متغیر است.

به جز آن، در پردازش تصویر از روش‌های پردازش سیگنال نیز استفاده می‌شود. در این روش‌ها، همه تصاویر به عنوان سیگنال‌های دوبعدی یا همان موقعیت مکانی پیکسل براساس محورهای x و y در نظر گرفته می‌شود.

مراحل پردازش تصویر چیست ؟

پردازش تصویر از چندین مرحله تشکیل شده است که در این بخش به آن‌ها اشاره خواهد شد. در هر یک از این گام‌ها، تغییراتی بر روی تصاویر اعمال می‌شود .

تا داده‌های تصویری در نهایت برای سایر پروژه‌های کامپیوتری آماده شوند. در ادامه، فهرستی از این مراحل شرح داده شده‌اند:

1. تهیه تصاویر
2. ویرایش تصاویر
3. ترمیم تصاویر
4. پردازش تصاویر رنگی
5. پردازش رزولوشن چندگانه
6. فشرده‌سازی تصاویر
7. پردازش ساختار تصاویر
8. قطعه‌بندی تصاویر
9. بازنمایی و استخراج ویژگی‌های تصاویر
10. تشخیص اشیاء در تصاویر

مراحل کلیدی پردازش تصویر

پردازش تصویر معمولاً شامل مجموعه‌ای از مراحل به هم پیوسته است که هر کدام نقش مهمی در تبدیل تصویر به یک شیوه نمایش معنادار دارند. این مراحل عبارتند از:

• دریافت تصویر: مرحله اولیه شامل گرفتن تصویر از یک منبع فیزیکی یا دیجیتال مانند دوربین، اسکنر یا سنسور است.
• پیش پردازش: این مرحله تصویر را برای پردازش بیشتر آماده می‌کند، از جمله حذف نویز، اصلاحات و بهبود کیفیت کلی.
• استخراج ویژگی‌ها: استخراج ویژگی‌های مرتبط از تصویر امکان تجزیه و تحلیل و طبقه بندی معنادار را فراهم می کند. این ویژگی‌ها ممکن است شامل لبه‌ها، اشکال، بافت‌ها یا الگوهای خاص باشد.
• تجزیه و تحلیل تصویر: این مرحله مشتمل است بر تجزیه و تحلیل ویژگی های استخراج شده برای شناسایی اشیا، طبقه بندی تصاویر یا تشخیص ناهنجاری‌ها.
• ارتقا کیفیت تصویر: بهبود آیتم می‌تواند در نتیجه، ظاهر، کنتراست یا خوانایی آن را بهبود بخشد و تصویر را برای تجزیه و تحلیل یا ارائه مناسب‌سازی کند.

انواع پردازش تصویر

اما پردازش تصویر چند نوع دارد؟‌ در ادامه به این سؤال پاسخ خواهیم داد. به‌طور کلی پنج نوع پردازش تصویر وجود دارد:

• تجسم یا Visualization: یافتن اشیایی که در تصویر قابل‌مشاهده نیستند.
• شناسایی یا  Recognition: تشخیص اشیا در تصویر.
• شارپ‌کردن و بازیابی یا Sharpening & Restroration: ایجاد یک تصویر بهبودیافته از تصویر اصلی.
• شناسایی الگو یا Pattern Recognition: اندازه‌گیری الگوهای مختلف اطراف اشیا در تصویر.
• بازیابی یا Retrieval: جست‌وجوی تصاویر از پایگاه داده بزرگی از تصاویر دیجیتال که مشابه تصویر اصلی هستند.

اجزای مورد نیاز برای پردازش تصویر چیست ؟

فارغ از اینکه پردازش تصویر با کدام‌یک از اهداف بالا انجام می‌شود، همواره نیاز به اجزای مشخصی برای پیش‌برد این فرایند خواهید داشت که آن‌ها را در ادامه آورده‌ایم:

• کامپیوتر: تمام سیستم‌های پردازش تصویر نیاز به یک کامپیوتر دارند، چه کامپیوتری شخصی و خانگی و چه یک ابرکامپیوتر.

گاهی از اوقات هم از کامپیوترهایی کاملا شخصی‌سازی‌شده با مشخصات سخت‌افزاری سفارشی  استفاده می‌شود تا بتوان به پرفورمنسی مشخص دست پیدا کرد.

• سخت‌افزار تخصصی پردازش تصویر: چنین قطعه‌ای از یک دیجیتایزر (Digitizer) و سخت‌افزاری برخوردار شده که می‌تواند به عملیات‌های ساده رسیدگی کند.

مثلا می‌شود به واحد محاسبه و منطق (Arithmetic Logic UNIT | ALU) اشاره کرد که عملیات‌های منطقی و محاسباتی را به صورت همزمان روی تمام تصویر پیش می‌برد.

• فضای ذخیره‌سازی کلان: به صورت کلان سه نوع حافظه دیجیتال برای پردازش تصویر داریم – حافظه‌های کوتاه‌مدت، حافظه‌های آنلاین برای فراخوانی سریع و حافظه‌های آرشیوی.

• سنسورهای دوربین: وظیفه اصلی سنسور دوربین این است که نور ورودی را دریافت و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل کند.

این سیگنال سپس مورد ارزیابی و خروجی آن در اختیار قطعات الکترونیکی قرار می‌گیرد. تصاویر با  تجهیزاتی مانند دوربین‌های دیجیتال و سنسورهایی مانند CCD و CMOS ثبت و ضبط می‌شوند.

• در مجموع معمولا به دو قطعه نیاز داریم تا ثبت تصاویر دیجیتال به خوبی پیش برود. نخستین مورد خود سنسور است که انرژی ساطع‌شده از سوژه‌ای که می‌خواهیم تبدیل به تصویر شود.

را شناسایی می‌کند. مورد دوم هم دیجیتایزر است که خروجی سنسور فیزیکی را به شکل دیجیتال درمی‌آورد.

• نمایشگر تصویر: خیلی ساده تصاویر را به نمایش درمی‌آورد.
• نرم‌افزار: نرم‌افزارهای پردازش تصویر از ماژول‌های مختلفی برخوردار شده‌اند که نیازهای گوناگون را برطرف می‌کنند.
• تجهیزات هاردکپی (Hardcopy): پرینترهای لیزری، فیلم‌های دوربین، تجهیزات حساس به حرارت، پرینترهای جوهری و تجهیزات دیجیتال گوناگون مانند دیسک‌های CDROM و نوری، تنها برخی از مثال‌های چنین تجهیزاتی هستند.
• ابزارهای شبکه: برای اینکه بتوان داده بصری را میان شبکه‌ای از کامپیوترها جابه‌جا کرد، نیاز به چنین ابزارهایی دارید.

مهم‌ترین فاکتور در مخابره تصویر، پهنای باند (Bandwidth) است، چرا که برنامه‌های پردازش تصویر نیاز به مقادیری کلان از داده دارند.

 

منابع

fa.wikipedia

7learn

blog.faradars

veerasense

codeyad

Cafetadris

quera

codeyad