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2024 | Buch

Digitale Bildverarbeitung

und Bildgewinnung

verfasst von: Bernd Jähne

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

Inhaltsverzeichnis

Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch gibt Studenten und Anwendern das notwendige Wissen an die Hand, um erfolgreich Bilddaten aufzunehmen und zu verarbeiten. Dabei wurde konsequent berücksichtigt, dass Bildgewinnung und -verarbeitung auf weitgehend gleichen mathematischen Konzepten beruhen. Es wurde großer Wert darauf gelegt, die teilweise komplexen Zusammenhänge sowohl anschaulich als auch mathematisch fundiert darzustellen.

Der Stoff der 8. Auflage dieses seit 1989 erfolgreichen Lehrbuchs wurde neu strukturiert. Der Bildgewinnung wurde entsprechend der rasanten Weiterentwicklung der Bildsensortechnologie, der Optik und der vielfältigen Methoden, aus Bilddaten die dreidimensionale Welt zu rekonstruieren, erweitert. Dabei wurde der Fokus darauf gelegt, die grundlegenden Konzepte herauszuarbeiten. So kann der Leser die auf den ersten Blick verwirrende Vielfalt von Bildgewinnungsmethoden besser verstehen und lernt sie optimal einzusetzen.

Methoden der künstlichen Intelligenz wurden bewusst nicht in das Buch integriert. Dieses Buch beinhaltet vielmehr das notwendige Wissen über Bildaufnahme und -verarbeitung, um Methoden des maschinellen Lernens bestmöglich auf die Bildanalyse anwenden zu können.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Bildgewinnung

Frontmatter

Kapitel 2. Strahlung und quantitative Bildgebung

Zusammenfassung

Ein Bildaufnahmesystem sammelt die von Objekten ausgesandte Strahlung und macht diese damit sichtbar. Maschinelles oder Computersehen als Nachbildung des menschlichen Sehens nimmt Szenen mit der gegebenen Beleuchtung auf und beschränkt sich auf Licht, d. h. den engen Bereich der elektromagnetischen Strahlung, für den das Auge empfindlich ist. Mögliche Strahlung für bildaufnehmende Systeme ist aber nicht auf Licht beschränkt.

Bernd Jähne

Kapitel 3. 2D-Bildaufnahme

Zusammenfassung

Die Bildaufnahme umfasst zwei wichtige Aspekte. Der erste betrifft die Geometrie. Wo finden wir ein Objekt in einem Bild? Alle Bildaufnahmetechniken projizieren den dreidimensionalen Raum auf die eine oder andere Weise auf eine zweidimensionale Bildebene.

Bernd Jähne

Kapitel 4. Strahlungsdetektion und Bildsensoren

Zusammenfassung

Im letzten Kapitel haben wir gelernt, wie die von einem Objekt ausgesandte Strahlung auf eine Bildebene abgebildet werden kann. Nun stellt sich die Frage, wie die auf der Bildebene eintreffende Strahlung detektiert und in ein von einem Rechner verarbeitbares digitales Signal konvertiert werden kann.

Bernd Jähne

Kapitel 5. Abtastung und Interpolation

Zusammenfassung

In Abschn. 3.5 haben wir die Bestrahlung auf der Bildebene als eine kontinuierliche Funktion beschrieben. Ein digitaler Rechner kann aber nur eine Matrix von Bildpunkten speichern und verarbeiten. Daher müssen die Bestrahlungswerte auf der Bildebene in geeigneter Weise in horizontaler und vertikaler Richtung abgetastet werden.

Bernd Jähne

Kapitel 6. Diskrete Bildrepräsentation

Zusammenfassung

Bilder stellen wir uns als örtlich kontinuierliche Funktionen g(x) vor. Computer können aber keine kontinuierlichen Bilder speichern. Im letzten Kapitel haben wir uns schon ausführlich mit der Abtastung kontinuierlicher Funktionen beschäftigt und unter welchen Bedingungen und wie diese aus den abgetasteten Werten rekonstruiert werden können. In diesem Kapitel werden wir nun untersuchen, auf welche Weise zweidimensionale Bilder oder — allgemeiner betrachtet — eindimensionale Zeitserien und multidimensionale Signale adäquat diskret repräsentiert werden können und welche mathematischen Methoden dafür benötigt werden.

Bernd Jähne

Kapitel 7. Radiometrische und geometrische Bildkorrekturen

Zusammenfassung

Für die ersten Bearbeitungsschritte nach der Aufnahme eines digitalen Bildes benötigen wir zwei Klassen von Operationen, Punktoperationen und geometrische Operationen. Diese beiden Typen modifizieren im Wesentlichen das „Was“ und das „Wo“ eines Bildpunktes. Sie extrahieren weder spezifische Information aus dem Bild noch führen sie Operationen zum Erkennen von Objekten durch.

Bernd Jähne

Kapitel 8. 3D-Bildaufnahme und Lichtfelder

Zusammenfassung

Ein bekanntes Sprichwort sagt „Ein Bild sagt mehr als tausend Worte“. Doch wie viel sagt ein zweidimensionales Bild von einer dreidimensionalen Szene über diese aus? In diesem Kapitel werden wir lernen: erschreckend wenig.

Bernd Jähne

Kapitel 9. 3D-Bildaufnahme mit aktiver Beleuchtung

Zusammenfassung

Diese Kapitel führt die Überlegungen aus dem letzten zur 3D-Bildgewinnung weiter. Nachdem das letzte Kapitel nur passive Verfahren vorgestellt hat, geht es in diesem um aktive 3D-Bildaufnahmeverfahren. Damit sind Verfahren gemeint, die aktiv die aufzunehmende Szene beleuchten oder deren Beleuchtung manipulieren oder verändern.

Bernd Jähne

Bildverarbeitung

Frontmatter

Kapitel 10. Nachbarschaftsoperatoren und lokale Struktur

Zusammenfassung

Eine Analyse der räumlichen Beziehungen der Grauwerte einer kleinen Umgebung liefert uns erste Hinweise für die Objekterkennung in Bildern. Nehmen wir als einfaches Beispiel eine Szene, die Objekte mit gleichmäßiger Strahlungsdichte enthält. Ändern sich die Grauwerte innerhalb einer kleinen Nachbarschaft nicht, liegt sie innerhalb eines Objektes.

Bernd Jähne

Kapitel 11. Mittelung und Rauschunterdrückung

Zusammenfassung

In diesem Kapitel beschäftigen wir uns mit Nachbarschaftsoperationen, um die elementare Aufgabe der Mittelung durchzuführen. Diese Operation ist einer der Bausteine für komplexere Merkmalsextraktionsoperatoren, die in Kapitel 13–16 besprochen werden.

Bernd Jähne

Kapitel 12. Diskontinuitäten: Kanten, Linien, Flächen und Ecken

Zusammenfassung

Objekte können in Bildern erkannt werden, wenn sie sich in mindestens einem Kanal des Bildsignals vom Hintergrund unterscheiden. Dann gibt es am Rand des Objekts eine Diskontinuität des Grauwertverlaufs oder eine Kante. Diese ist auf einen kleinen Bereich im Bild begrenzt.

Bernd Jähne

Kapitel 13. Lokale Orientierung, lokale Wellenzahl und Phase

Zusammenfassung

In den letzten beiden Kapiteln haben wir uns mit Nachbarschaftsoperationen zur Mittelung und Kantendetektion beschäftigt. Damit haben wir nur die einfachsten Strukturen in einer lokalen Umgebung studiert, nämlich konstante Flächen und Kanten (Diskontinuitäten). In einer lokalen Umgebung können jedoch auch Muster vorhanden sein.

Bernd Jähne

Kapitel 14. Bewegung

Zusammenfassung

Die Bewegungsanalyse war lange Zeit eine spezielle Forschungsrichtung, die mit der allgemeinen Bildverarbeitung nicht viel zu tun hatte. Diese Trennung hatte zwei Grüunde. Zum Ersten waren die Techniken zur Bewegungsanalyse in Bildsequenzen andere.

Bernd Jähne

Kapitel 15. Skalenräume, Mehrgitterstrukturen

Zusammenfassung

Die in Kapitel 10 diskutierten Nachbarschaftsoperationen können nur der Ausgangspunkt für die Bildanalyse sein, da sie lediglich lokale Merkmale in der Größenordnung von höchstens einigen Pixeln extrahieren. Es ist klar, dass Bilder auch großskalige Information enthalten. Zu ihrer Extraktion benötigen wir entsprechend größere Filtermasken. Allerdings erhöht sich der Rechenaufwand bei der Verwendung großer Filtermasken beträchtlich.

Bernd Jähne

Kapitel 16. Textur und komplexe Merkmale

Zusammenfassung

In Kapitel 11 und 12 haben wir Glättung und Kantendetektion besprochen und in Kapitel 13 einfache Nachbarschaften. Nun werden wir diese wichtigen Bausteine verwenden und erweitern, um komplexe Muster, die in der Bildverarbeitung als Textur bezeichnet werden, zu analysieren. Solche Muster machen den Unterschied zwischen einer künstlichen Objektwelt, deren Oberflächen lediglich durch Farbund Reflexionseigenschaften gekennzeichnet sind, und realen Bildern aus.

Bernd Jähne

Kapitel 17. Regularisierung und Modellierung

Zusammenfassung

Alle Bildverarbeitungsoperationen, die wir bisher von Kapitel 10 bis 16 betrachtet haben, waren Nachbarschaftsoperationen, auch wenn es uns gelungen ist, diese effektive Klasse von Operatoren durch Multiskalenansätze (Kapitel 15) auch auf große Skalen zu erweitern. Trotzdem sind die damit gewonnenen Merkmalsbilder in mehrfacher Hinsicht lückenhaft.

Bernd Jähne

Kapitel 18. Morphologie und Formanalyse

Zusammenfassung

Durch Segmentierung werden Objekte aus Bildern extrahiert, d. h. es wird identifiziert, welche Pixel zu welchen Objekten gehören. Nun können wir den nächsten Schritt durchführen und die Gestalt der Objekte analysieren. In diesem Kapitel diskutieren wir zuerst eine Klasse von Nachbarschaftsoperationen, die morphologischen Operatoren für Binärbilder, mit denen sich die Form von Objekten modifizieren und analysieren lässt (Abschn. 18.2 bis 18.4).

Bernd Jähne

Mathematische Grundlagen und Referenzmaterial

Frontmatter

Kapitel 19. Notation

Zusammenfassung

Wegen der multidisziplinären Natur der Bildverarbeitung gibt es — im Gegensatz zu anderen Gebieten—keine konsistente und allgemein akzeptierte Terminologie.

Bernd Jähne

Kapitel 20. Vektorräume und unitäre Transformationen

Zusammenfassung

In der räumlichen Darstellung digitaler Bilder kann man sich jedes Bild aus Basisbildern zusammengesetzt denken, bei denen jeweils nur ein Bildpunkt den Wert eins hat, während alle anderen Bildpunkte den Wert null haben (Abb. 6.7).

Bernd Jähne

Kapitel 21. Statistik, Regression und Optimierung

Zusammenfassung

Die digitale Bildverarbeitung kann als Teilbereich der digitalen Signalverarbeitung betrachtet werden. Deshalb können alle Methoden zur Aufnahme und Analyse von Messungen und ihren Fehlern auch auf die Bildverarbeitung angewandt werden. Insbesondere sind alle Messungen, die wir an einem Bild durchf ühren, wiez. B. die Bestimmung der Größe oder Position eines Objekts oder seines mittleren Grauwertes, nur sinnvoll, wenn wir auch die Messungenauigkeit abschätzen können.

Bernd Jähne

Kapitel 22. Referenzmaterial

Zusammenfassung

Frequenz ν (Zyklen pro Zeit) und Wellenlänge λ (Länge einer Periode) sind durch die Phasengeschwindigkeit c (im Vakuumdie Lichtgeschwindigkeit c = 299.792.458m/s) verknüpft:

Bernd Jähne

Kapitel 1. Einführung

Zusammenfassung

Von den Anfängen der Wissenschaft an spielte die visuelle Beobachtung eine wichtige Rolle. Zuerst waren die verbale Beschreibung und manuell angefertigte Zeichnungen die einzigen Möglichkeiten, experimentelle Ergebnisse zu dokumentieren. Objektive Dokumentation von Ergebnissen wurde erst möglich mit der Erfindung der Fotografie.

Bernd Jähne

Backmatter

Titel: Digitale Bildverarbeitung
verfasst von: Bernd Jähne
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-59510-7
Print ISBN: 978-3-662-59509-1
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-59510-7