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Signaux bidimensionnels: application au traitements d’images. A.Tabbone Université Nancy 2 Equipe Qgar-Loria tabbone@loria.fr. Plan. En savoir plus sur les images Filtrage Segmentation …. De nombreuses applications. Vision par ordinateur Télédétection, Cartographie Imagerie médicale

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Presentation Transcript
signaux bidimensionnels application au traitements d images

Signaux bidimensionnels: application au traitements d’images

A.Tabbone

Université Nancy 2

Equipe Qgar-Loria

tabbone@loria.fr

slide2
Plan
  • En savoir plus sur les images
  • Filtrage
  • Segmentation
de nombreuses applications
De nombreuses applications
  • Vision par ordinateur
  • Télédétection, Cartographie
  • Imagerie médicale
  • Imagerie industrielle
  • Images de synthèse
  • Multimédia, Internet
  • ….
principe de formation de l image

photons

Électrode +: création d’un

courant électrique

transfert

isolant

-

Substrat de silicium

Dopé P

-

-

Principe des capacités MOS

transfert

Principe de formation de l’image

Capteur CCD: charge-coupled-device inventé en 1970

Une collection de

photosites

Registre à décalage

slide5

Valeurs

numériques

Convertisseur

A/N

Amplificateur

transfert

Signal vidéo

Proportionnel à I

E(): énergie incidente

R(): réponse du site

Q(): efficacité en quantum du capteur

de la lumi re la couleur
De la lumière à la couleur

Les concepts sont liés aux travaux de Newton (XVII siècle) sur un prisme:

  • la lumière du soleil paraît blanche mais en réalité constituée

d'un ensemble de longueur d’onde dont certaines correspondent aux couleurs.

  • Un matériau n’a pas de couleur intrinsèque
  • Réflexion de rayon lumineux qui sont captés par l’œil

Stimulus de couleur

perception humaine de la couleur
Perception humaine de la couleur:

Réponse que l’homme donne au stimulus de couleur par l’intermédiaire de notre œil

rayonnement lectromagn tiques deux champs perpendiculaires lectrique et magn tique
Rayonnement électromagnétiques: deux champs perpendiculaires: électrique et magnétique

Lumière: ondeélectromagnétique

Les deux champs se déplacent à

la vitesse de la lumière (c).

Quelle est la vitesse de la lumière?

300000 km/s

fr quence et longueur d onde
Fréquence et longueur d’onde

l=c/u

c=vitesse de la lumière

l = longueur d’onde

u = fréquence

Une onde lumineuse monochromatique est caractérisée par sa longueur d'ondel, c'est-à-dire la distance séparant deux maxima successifs, et par sa fréquence u, c'est-à-dire le nombre de cycles effectués par seconde. Le temps mis pour parcourir une longueur d'onde est la période T

  • Unités de la longueur d’onde: manomètres ((nm, 10-9 mètre),

micromètres (mm, 10-6 mètre) ou

centimètres (cm, 10-2 mètre).

spectre des couleurs
Spectre des couleurs

violet : 0.4 - 0.446 mm

bleu : 0.446 - 0.500 mm

vert : 0.500 - 0.578 mm

jaune : 0.578 - 0.592 mm

orange : 0.592 - 0.620 mm

rouge : 0.620 - 0.7 mm

interaction lumi re mat riau
Interaction lumière matériau
  • Un corps blanc
  • Un corps noir

n’absorbe aucun rayon

absorbe tout les rayons

perception humaine de la couleur12
Perception humaine de la couleur.
  • pas de couleur sans lumière:
  • un matériau n'a pas de couleur intrinsèque mais transforme
  • les propriétés de la lumière

la nuit tous les chats sont gris

syst me visuel humain
Système visuel humain

Le stimulus couleur arrive sur une zone photosensible localisée

au fond de l’œil: la rétine

la r tine
La rétine
  • Cônes (4-7 millions)
    • la vision diurne (photopique)
  • Bâtonnets (110-125 millions)
  • la vision nocturne (scotopique)
slide15

Trois type de cônes:

  • cônes S: sensible à des longueurs d’onde courte
  • cônes M: sensible à des longueurs d’onde moyenne
  • cônes L: sensible à des longueurs d’onde longue

Les signaux sont transmis dans le cerveau où s’effectue

l’interprétation des couleurs

diff rence de perception
Différence de perception
  • L’œil est différent entre chaque être humain:
  • Daltonisme
  • Dichromies
attribut de la perception humaine de la couleur
Attribut de la perception humaine de la couleur
  • Luminosité ou luminance: sensation visuelle selon laquelle une surface
        • paraît émettre plus ou moins de lumière
  • Teinte ou tonalité chromatique
  • : dénominations des couleurs i.e rouge, vert, bleu,…
  • Saturation: niveau de coloration i.e vive, pale, terne…
synth se additive et soustractive
Synthèse additive et soustractive

Synthèse additive:Toutes les

couleurs peuvent être synthétisées par le

mélange en proportions variées de deux

ou trois des lumières primaires. La

superposition des trois primaires redonne

la lumière blanche.

  • Synthèse soustractive:est l'opération consistant à combiner l'effet
  • d'absorption de plusieurs couleurs afin d'en obtenir une nouvelle.
      • Trois filtres de couleurs complémentaires, vus devant une source de
      • lumière blanche, soustraient chacun un certaine quantité de lumière
      • primaire. Lorsqu'on superpose deux filtres, il ne reste qu'une couleur
  • primaire. Les trois filtres superposés donnent le noir.
          • Modèle CMY utilisé en imprimerie

La superposition sur une surface blanche de deux filtres colorés, l'un jaune et l'autre

bleu, permet d'obtenir:

Vert

colorim trie mesure de la couleur
Colorimétrie: mesure de la couleur

Commission Internationale Eclairage établie des normes de quantification

fonction colorim trique de la cie
Fonction colorimétrique de la CIE

Composante trichromatique du stimulus Cl

[R*],[G*,] et [B*,]trois couleurs primaires Rouge, Vert et Bleu.

Une couleur qu’on ne

synthétise pas

Question: Qu’est ce qu'une couleur primaire?

normalisation des r partitions spectrale s l
Normalisation des répartitions spectrale S(l)
  • Illuminant D: lumière moyenne du jour
  • Illuminant E : lumière d’énergie constante
  • Illuminant A: source lumineuse produite par

une lampe à filament de tungstène de 500 W

Répartition spectrale relative de quelques illuminants normalisés par la CIE

syst me rgb cube des couleurs
Système RGB: cube des couleurs
  • Deux stimuli de couleur peuvent posséder le même caractère chromatique (chrominance) mais avoir des composantes trichromatiques différentes à cause de leur luminance:
    • Avec des composantes chromatiques
  • sont normalisées:
  • rc = Rc/ (Rc+Gc+Bc)
  • gc=Gc/ (Rc+Gc+Bc)
  • bc = Bc/ (Rc+Gc+Bc)
    • rc+gc+bc=1, équation du plan
    • intersection avec le cube:

triangle de Maxwell

Dans ce cas 2 composantes suffisent pour décrire la chrominance d’une couleur

diagramme de chromacit
Diagramme de chromacité
  • Toutes les couleurs du visible ne sont pas représentées dans un système additif

Au centre du triangle de Maxwell

Où se trouve la couleur blanche?

syst me x y z une am lioration du rbg

2,769 1,75180 1,1300

1,000 4,5907 0,0601

0,000 0,0565 5,5943

R

G

B

X

Y

Z

=

Système X,Y,Z: une amélioration du RBG

Changement de primaire à l’aide d’une matrice de passage à partir

du système précédent.

slide28

Remarques

  • Reproduction de toutes les couleurs du visible par

synthèse additive

  • Similitude avec la luminance de l’œil
    • Un stimulus de couleur peut être représenté par

sa luminance et sa chrominance

  • Possibilités de comparaison des couleurs
  • Énormément de systèmes basés sur la luminance/chrominance
images satellitaires
"La télédétection est la technique qui, par l'acquisition d'images, permet d'obtenir de l'information sur la surface de la Terre sans contact direct avec celle-ci. La télédétection englobe tout le processus qui consiste à capter et à enregistrer l'énergie d'un rayonnement électromagnétique émis ou réfléchi, à traiter et à analyser l'information, pour ensuite mettre en application cette information".Images satellitaires
slide31

Source d'énergie ou d'illumination (A) - À l'origine de tout processus de télédétection se trouve nécessairement une source d'énergie pour illuminer la cible.

Rayonnement et atmosphère (B) - Durant son parcours entre la source d'énergie et la cible, le rayonnement interagit avec l'atmosphère. Une seconde interaction se produit lors du trajet entre la cible et le capteur

Enregistrement de l'énergie par le capteur (D) - Une fois l'énergie diffusée ou émise par la cible, elle doit être captée à distance (par un capteur qui n'est pas en contact avec la cible) pour être enfin enregistrée.

Interaction avec la cible (C) - Une fois parvenue à la cible, l'énergie interagit avec la surface de celle-ci. La nature de cette interaction dépend des caractéristiques du rayonnement et des propriétés de la surface

slide32

Transmission, réception et traitement (E) - L'énergie enregistrée par le capteur est transmise, souvent par des moyens électroniques, à une station de réception ou l'information est transformée en images (numériques ou photographiques).

Interprétation et analyse (F) - Une interprétation visuelle et/ou numérique de l'image traitée est ensuite nécessaire pour extraire l'information que l'on désire obtenir sur la cible.

Application (G) - La dernière étape du processus consiste à utiliser l'information extraite de l'image pour mieux comprendre la cible, pour nous en faire découvrir de nouveaux aspects ou pour aider à résoudre un problème particulier.

le spectre lectromagn tique s tend
Le spectre électromagnétiques’étend:
  • Des longueurs d'onde courtes (dont font partie les rayons gamma et les rayons X).
  • Aux grandes longueurs d'onde (micro-ondes et ondes radio).

La télédétection utilise plusieurs régions du spectre électromagnétique.

ultraviolet
Ultraviolet

Certains matériaux de la surface terrestre, surtout des roches et minéraux, entrent en fluorescence ou émettent de la lumière visible quand ils sont illuminés par un rayonnement ultraviolet.

spectre visible
Spectre visible

violet : 0.4 - 0.446 mm

bleu : 0.446 - 0.500 mm

vert : 0.500 - 0.578 mm

jaune : 0.578 - 0.592 mm

orange : 0.592 - 0.620 mm

rouge : 0.620 - 0.7 mm

  • La seule portion du spectre que nous pouvons associer à la notion de couleurs.
infrarouge
Infrarouge

Un intervalle environ 100 fois plus large que le spectre visible.

Deux catégories IR réfléchi: utilisé en télédétection de la même façon que le rayonnement visible.

IR émis ou thermique:énergie essentiellement émise sous forme de chaleur par la surface de la Terre

hyperfr quences
Hyperfréquences

Suscite beaucoup d’intérêt:

  • Les longueurs d'onde les plus courtes possèdent des propriétés semblables à celles de l'infrarouge thermique
  • Les longueurs d'onde les plus grandes ressemblent aux ondes radio.
interactions avec l atmosph re
Interactions avec l'atmosphère
  • Le rayonnement utile pour la télédetection traverse une certaine épaisseur

d’atmosphère avant d’atteindre la cible:

      • diffusion et absorption par des grosses particules de gaz

Diffusion

Absorption

longueur d onde utiles
Longueur d’onde utiles
  • Les régions du spectre qui ne sont pas influencées de façon importante par l'absorption atmosphérique: une grande partie des hyperfréquences, une partie de l’énergie solaire et une partie de l’énergie thermique de la terre
interactions rayonnement cible
Interactions rayonnement-cible

Le rayonnement qui atteint sa cible est soit:

  • Absorbé
  • Transmis
  • Réfléchi
la r flexion sp culaire et la r flexion diffuse
La réflexion spéculaire et la réflexion diffuse

Spéculaire:toute l'énergie est redirigée dans une même direction (ie un miroir).

Diffuse: énergie uniformément dans toutes les directions.

La plupart des objets de la surface terrestre se situent entre ces deux extrêmes.

  • Radiométrie
exemples
Exemples

Les feuilles : la chlorophylle, une molécule

que nous retrouvons à l'intérieur des feuilles,

absorbe fortement le rayonnement aux

longueurs d'onde du rouge et du bleu, mais

réfléchit le vert. Les feuilles, qui contiennent

un maximum de chlorophylle en été, sont

donc plus vertes pendant cette saison. En

automne, les feuilles qui contiennent alors

moins de chlorophylle, absorbent moins de

rouge, et paraissent donc rouges ou jaunes

(le jaune est une combinaison des longueurs

d'onde du vert et du rouge).

Feuilles: vertes en été et

rouges/jaunes en automne

signature spectrale
Signature spectrale
  • Distinguer les différents objets par leurs signatures
      • Impossible avec une seule longueur d’onde.
d tection passive et active
Détection passive et active
  • Capteur produit sa propre énergie:avantage de pouvoir prendre des mesures à n'importe quel moment de la journée ou de la saison.
  • Utilisation de fréquences pas assez produites par le soleil: hyperfréquences
    • radar à ouverture de synthèse

L'énergie du Soleil est soit réfléchie (la portion visible) ou absorbée et retransmise (infrarouge thermique) par la cible.

exemples d images partir de capteurs passifs
Exemples d’images à partir de capteurs passifs

Une photo à niveaux de gris

de la ville d’Ottawa

autres exemples
Autres exemples

Thermogramme: capteur infrarouge

thermique

Une photo couleur

capteur actifs radar
Capteur actifs: RADAR

Les radars transmettent vers la cible un signal radio dans les hyperfréquences et détectent la partie rétrodiffusée du signal.

L'intensité du signal rétrodiffusé est mesurée pour discerner les différentes cibles, et le délai entre la transmission et la réception du signal sert à déterminer la distance (ou la portée) de la cible.

A: impulsions hyperfréquences

B: Angle de visée par l’antenne

C: énergie refléche

Détection dans presque toutes les conditions atmosphériques,

et donc l'acquisition de données en tout temps.

applications des radars
Applications des radars

Détermination du relief par stéréo:

radargrammétrie

Des paires d'images radar stéréo sont obtenues de la même région, mais avec des angles de visée/incidence différents

interf rom trie
Interférométrie

.

  • Étude de la variation de la phase des ondes électromagnétiques

Deux antennes parallèles, séparées par une petite distance, qui enregistrent le signal de retour de chaque cellule de résolution.

exemples50
Exemples

Interferogramme

Image 3D de la hauteur du terrain

r solution spatiale
Résolution spatiale
  • la dimension du plus petit élément qu'il est possible de détecter: elle dépend du cône de visibilité (A) du capteur et de l’altitude (C)
exemples53
Exemples

Résolution grossière

Résolution fine

  • Exemple: une résolution spatiale de 20m
    • 1 pixel = 20X20 m au sol
slide54

Résolution spectrale

  • capteurs

multispectraux

r solution radiom trique
Résolution radiométrique
  • capacité à reconnaître de petites différences dans l'énergie électromagnétique
r solution temporelle
Résolution temporelle

Amasser périodiquement de l'information d'une même région de la Terre. Les caractéristiques spectrales de la région observée peuvent changer avec le temps.

ondes acoustiques
Ondes acoustiques
  • Onde mécanique qui se propage en oscillant dans la matière traverse
  • Fréquences audibles par l’homme: 20 à 20000 cycles par seconde
      • cycle supérieur: ultrasons
      • cycle inférieur: infrasons
  • Vitesse de propagation dépend des propriétés mécaniques du milieu
    • Pour un gaz v=SP/l, P la pression, S une constante et
    • l masse volumique

Exemple: vitesse dans l’air 331m/s; dans l’eau 1450m/s

application la d tection sous marine
Application à la détection sous-marine
  • Ondes acoustiques plus adaptées au milieu marin que les ondes
  • électromagnétiques
    • portée dans l’eau 400km pour le son et environ 1m pour le radar
  • Principe de la réflexion:
    • A la frontière de deux milieux de densités différentes
    • Différentes en fonction des surfaces rencontrées
      • Mesure des profondeurs
      • Détection de forme particulières (sous-marins, poissons,…)
  • Donner un exemple de réflexion?
sondeur monofaisceau
Sondeur monofaisceau

Un écho sondeur acoustique classique (monofaisceau) détermine la profondeur

émission une impulsion sonore au travers d’un faisceau dirigé selon la verticale du navire,

mesure du temps nécessaire au signal à parcourir le trajet navire/fond/navire

calcul de la profondeur par : P= c dt / 2. c : célérité du son dans l’eau (m/dt : durée du parcours navire / fond / navire, P : profondeur (m)

exemple
Exemple

Image sonar: sondeurs multifaiscaux

rayons x
Rayons X
  • Découverts par Roentgen (Nobel) : 8/11/1895
  • Première image médicale : 22/12/1895

Film radiologique

Comportement différents: os vs chairs

« On est convaincu que cette découverte sera de la plus grande utilité pour la médecine et la chirurgie » Princesse Radziwill, 17/01/1896

angiographie
Angiographie
  • Visualisation des vaisseaux sanguins après injection d’un produit de contraste
  • Changeur de films  Bandes video

 Numérisation

Analog to digital conversion

tomodensitom tre scanner
Tomodensitomètre (scanner)
  • Inventé par Hounsfield en 1972 (Nobel)
  • Imagerie de coupe 3D par empilement
reconstruction3d tomographie

D

Image numérique

Reconstruction3D:tomographie

S

positions de S et D (dans repère image) connues lors de la rotation

But : retrouver l’image connaissant

l’atténuation mesurée en D

  • Méthodes analytiques:

inverser la transformation f(image) = atténuations

  • Méthodes algébriques:

inverser le système d’équations linéaires liant l’image aux atténuations

  • Méthodes statistiques:

trouver l’image la plus probable étant donné les atténuations observées

tomographie par missions de positrons pet
Tomographie par émissions de positrons (PET)
  • Mise au point à Boston en 1950
  • Isotope artificiel émet des positrons
    • préparé dans un cyclotron
    • injecté dans ou inhalé par le patient
    • positrons émis interagissent rapidement avec des électrons
      • 2 photons gamma émis dans 2 directions opposées
    • capture de ces paires de photons + reconstruction tomographique
tomographie par mission d un photon simple spect
Tomographie par émission d’un photon simple (SPECT)
  • Mise au point en 1960 par Kuhl et Edwards
  • Isotopes émettant un seul photon
    • reconstruction plus difficile que pour PET
    • résolution et sensibilité moindres
    • imagerie meilleure marché
imagerie par r sonance magn tique irm
Imagerie par résonance magnétique (IRM)
  • Basée sur les équations de Bloch établies en 1946 (Nobel)
  • Principe
    • chaque noyau atomique possède un spin
    • un champ magnétique constant aligne les spins
    • un champ radiofréquence les perturbe
    • retour en position d’équilibre par précession
    • génération d’un signal caractéristique de l’état physique et chimique des tissus
slide73
IRM
  • Imagerie de coupe 3D par empilement
  • Imagerie non irradiante: coût très élevé
ultrasons
Ultrasons
  • Basés sur le principe du sonar
    • une sonde envoie des ultrasons dans le corps
    • une onde ultrasonore est en partie réfléchie sur les gradients d’impédance acoustique
    • la sonde écoute l’écho généré
    • le temps de rebond et la puissance renvoyée permettent de reconstruire l’image
  • Deux types d’images
    • échographie (anatomique)
    • Doppler (vitesse des tissus)
indexation de documents
Indexation de documents

Objectifs

  • Recherche documentaire : faciliter l’accès à un ou plusieurs documents
  • Recherche d'informations (multimédia) : faciliter l’accès à une information contenue dans des documents
  • Analyse et cartographie de l'information : identifier et organiser l’information pertinente des documents
slide77
Problématique
  • Comment représenter le contenu d’un document
  • Comment le repérer et le retrouver

⇒ Index : le plus important et le plus ancien outil de repérage de l’information

slide78
Médias modernes (numériques)
    • Ecriture (document électronique, page Web…)
    • Image 2D/3D (photo, CAO, scanner…)
    • Vidéo (DVD, caméra numérique, satellite,TV…)
    • Audio (CD, MP3, radio sur le net…)
  • une croissance de la masse d’information
    • Autoroute ou labyrinthe de l’information?
mode d interrogation
Mode d’interrogation
  • Interrogation souple

•Par le langage naturel : Pb lien document ↔ langue (TLN)

•Par le contenu des documents

  • Extraire, répertorier et classer l’information des documents

• Indexation manuelle impossible

– Volume à traiter

– Fréquences des mises à jour

– Habitudes/besoins des utilisateurs

• Indexation automatique

– Descripteurs du contenu des documents

– Organisation des descripteurs : rapidité des traitements

applications
Applications
  • INA, agences de presse
    • Recherche de l’ensemble des reportages dans lesquels apparaissent G.W. Bush
    • Recherche de l’ensemble des articles des 10 dernières années avec des images de cyclones
    • Recherche de l’ensemble des articles présentant un histogramme sur le revenu/habitant en France depuis 1950
    • Recherche de l’ensemble des séquences vidéos contenant un tir au but
  • Design
    • Rechercher tous les modèles de fauteuils
    • Rechercher une texture spécifique pour créer des vêtements
    • Rechercher les logos contenant un triangle inversé
slide81
Authentification
    • Détecter des contrefaçons de marques par le logo (douanes)
    • Retrouver le propriétaire d’une photo et tous ceux qui l’exploitent telle quelle ou bien déformée
    • Identifier une personne parmi un grand nombre par sa voix, son visage, ses empreintes…
  • Surveillance
    • Rechercher les séquences vidéos acquises par une caméra de guichet sur lesquelles la queue fait plus d’une vingtaine de personnes
  • Commerce électronique
    • Rechercher toutes les fiches avec photos de maisons avec vue donnant sur un lac
    • Recherche de chansons/clips vidéo à partir d’une mélodie (quelques notes)
slide82
Musées
    • Rechercher toutes les peintures du XIII ème représentant la vierge
    • Rechercher toutes les photos de statuettes incas représentant un sacrifice
  • Généalogie, archives
    • Rechercher toutes les fiches d’état civil entre 1850 et 1910 de personnes françaises dont le nom dérive de RAGOT
  • Gestion
    • Rechercher toutes les feuilles de soins de Dupont, non signées
  • Web
    • Rechercher tous les documents littéraires représentant une variation du « Loup et de l’agneau »
pour r sumer
Pour résumer:

Les données cibles : multimédia

    • Texte
    • Audio, parole
    • Images 2D, graphiques, modèles 3D
    • Vidéo

Les descripteurs à extraire

  • Informations présentes dans le contenu
    • Informations de bas niveau : mot, couleur, forme, texture, son, etc.
    • Informations sur les relations entre les objets du document (structure)
  • Informations de haut niveau (sémantique) : politique, foule, ensoleillé, chant d’oiseau, etc.
  • Informations qui ne peuvent être déduites du contenu (méta données)
    • Date d’enregistrement
    • Auteurs….
combinaison mot cl s couleur forme arrangement spatial
Combinaison: mot clés+ couleur+forme+ arrangement spatial
  • http://www.hermitagemuseum.org/fcgi-bin/db2www/qbicSearch.mac/qbic?selLang=English
slide98
Noeud : chaînes de points
  • Arc : quand deux chaînes de points sont connectés