Signaux bidimensionnels: application au traitements d’images

1. Signaux bidimensionnels: application au traitements d’images A.Tabbone Université Nancy 2 Equipe Qgar-Loria tabbone@loria.fr

2. Plan • En savoir plus sur les images • Filtrage • Segmentation • …

3. De nombreuses applications • Vision par ordinateur • Télédétection, Cartographie • Imagerie médicale • Imagerie industrielle • Images de synthèse • Multimédia, Internet • ….

4. 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

5. 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

6. 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

7. Perception humaine de la couleur: Réponse que l’homme donne au stimulus de couleur par l’intermédiaire de notre œil

8. 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

9. 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).

10. 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

11. Interaction lumière matériau • Un corps blanc • Un corps noir n’absorbe aucun rayon absorbe tout les rayons

12. 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

13. Système visuel humain Le stimulus couleur arrive sur une zone photosensible localisée au fond de l’œil: la rétine

14. La rétine • Cônes (4-7 millions) • la vision diurne (photopique) • Bâtonnets (110-125 millions) • la vision nocturne (scotopique)

15. 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

16. Différence de perception • L’œil est différent entre chaque être humain: • Daltonisme • Dichromies • …

17. 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…

18. 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

19. Colorimétrie: mesure de la couleur Commission Internationale Eclairage établie des normes de quantification

20. 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?

21. Fonctions colorimétriques

22. Mesure des composantes trichromatiques

23. 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

24. 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

25. 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?

26. 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.

27. Diagramme de chromacité x,y

28. 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

29. "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

30. Principe

31. 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

32. 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.

33. 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.

34. 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.

35. 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.

36. 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

37. 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.

38. 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

39. 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

40. Interactions rayonnement-cible Le rayonnement qui atteint sa cible est soit: • Absorbé • Transmis • Réfléchi

41. 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

42. 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

43. Signature spectrale • Distinguer les différents objets par leurs signatures • Impossible avec une seule longueur d’onde.

44. 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.

45. Exemples d’images à partir de capteurs passifs Une photo à niveaux de gris de la ville d’Ottawa

46. Autres exemples Thermogramme: capteur infrarouge thermique Une photo couleur

47. 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.

48. 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

49. 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.

50. Exemples Interferogramme Image 3D de la hauteur du terrain