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Cours Pretraitement Des Images

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Prétraitements

d’images
Institut supérieur d’arts
Multimédia

1ère année mastère de Recherche


Informatique Décisionnel et Intelligence
Appliquée à la Gestion

Enseignant : Dr. Zouhaier ben Rabah


Traitement Mail : zouhaierbr@yahoo.fr
d’images
Tel : 98946126

1
Introduction
• Le mécanisme d’acquisition des images est loin
d’être parfait.
– Source de dégradation :
• Mauvais éclairage
• Capteur avec plage dynamique faible
• Sources d’éclairage parasites
• Réponse non-linéaire du capteur

• L’image à la sortie de ce mécanisme doit être


traitée avant d’être soumise aux traitements
Traitement
d’images ultérieurs.
2
• Objectifs
– Améliorer le contraste,
– Rehausser les niveaux de gris,
– Accentuer les caractéristiques.

• Techniques de rehaussement de l’image :


– Modifications d’histogramme,
– Égalisation d’histogramme,
– Spécification d’histogramme,
– Décalage de l’histogramme,
Traitement – ….
d’images

3
« Sé koi ? »

On entend par prétraitements des opérations effectuées


sur l’image pour soit l’améliorer, soit la restaurer, i.e.
restituer aussi fidèlement que possible le signal d'origine.

• Amélioration visuelle
• Réduction de l’information inutile (bruit)
• Renforcement de l’information utile

Prétraitements

Traitement
d’images Amélioration Restauration
(modification de la (débruitage par ex.)
dynamique par ex.) 4
Amélioration
Problème de l'amélioration : un problème subjectif.
Quand pourra-t-on dire qu'une image est améliorée ?

Œil humain : essentiellement sensible aux forts contrastes.


 Techniques d'amélioration tentent d'augmenter
ceux-ci pour accroître la séparabilité des
régions composant une scène.

Traitement
d’images

5
Luminance ou brillance
La luminance (ou brillance) est définie comme la moyenne de
tous les pixels de l’image.

Pour augmenter la luminance, il suffit de décaler


l’histogramme : F(x,y)=f(x,y)+n

Traitement
d’images

6
Luminance ou brillance

Dans les deux images suivantes, seule la luminance est


différente :

Traitement
d’images

7
Luminance et brillance
F(x,y)=f(x,y)+n

n=0 n=-80 n=+80

Traitement
d’images
image source Résultat
8
Contraste
Le contraste peut être défini de plusieurs façons :

• Variance des niveaux de gris (NxM nombre de pixels dans l’image)

N M
1
N M
 ( f (i
i 1 j 1
, j )  Moy ) 2

• Variation entre niveaux de gris max et min

max f (i, j )  min f (i, j )


Traitement
d’images max f (i, j )  min f (i, j )
Contraste
C’est une mesure relative aux différences des niveaux de gris
dans l’image.
Il est d'autant plus élevé que l'histogramme est « étalé »
horizontalement.

Traitement
d’images
Amélioration du contraste
Modifier chaque niveau de gris dans le but d'accroître le contraste.

Ce type de correction est également adapté lorsqu'une majeure


partie des niveaux de gris présents dans l'image est concentrée
dans un faible intervalle sur l'échelle des intensités lumineuses.

L'approche la plus simple et de créer une "fonction de transfert",


f'(x,y) = t(f(x,y)) afin de modifier la dynamique d'une image
(généralement pour l'augmenter).
où f(x,y) est l’image d’origine et t est une fonction prédéfinie.
Traitement
d’images

11
Modification de l’échelle des niveaux de gris

Chaque niveau de gris est modifié dans le but d'accroître le


contraste (en contrôle qualité, où on a un ou plusieurs objets sur un
fond continu uniforme, on s'attache à accroître les transitions objet-
fond).  opération ponctuelle

Type de correction adapté lorsqu'une majeure partie des niveaux de


gris présents dans l'image est concentrée dans un faible intervalle
sur l'échelle des intensités lumineuses.

g ' ( x, y )  t (g ( x, y ))
Traitement
d’images

Fonction prédéfinie
ex.: recadrage, linéarisation, amincissement 12
Modification de l’échelle des gris

Traitement
d’images

13
Modification de l’échelle des niveaux de gris

Traitement
d’images

14
Réhaussement de contraste

Traitement
d’images

15
Réhaussement de contraste

Traitement
d’images

16
Réhaussement de contraste

Traitement
d’images

17
Réhaussement de contraste

Traitement
d’images

18
Amélioration du contraste
La majorité des techniques de traitement d ’ image pour
l ’ amélioration du contraste d ’ une image se base sur la
manipulation des histogrammes.

Parmi ces techniques on distingue:

Transformation linéaire,

Transformation linéaire avec saturation,

Transformation linéaire par morceau,

Traitement Transformation non-linéaire,


d’images
Égalisation de l’histogramme.
19
Histogramme
L'histogramme fournit une information globale sur la répartition des
niveau de gris dans l'image.

Un histogramme simple est une fonction h donnant, pour chaque valeur


de niveau de gris x, le nombre de pixels ayant ce niveau.

Traitement
d’images La fréquence d’apparition du niveau de gris x représente la probabilité
d’obtenir le niveau x, c’est une densité de probabilité
20
Histogramme
• La construction de l’histogramme consiste à subdiviser la droite réelle en
intervalles de mesure constante hN  pas de l’histogramme.
(N )
• Soit ,I k le kème intervalle de l’histogramme

I (N)
k 
 a  khN , a  k  1hN   ak , ak 1 N  N 

Traitement
d’images

21
Histogramme
Remarque : Une image possède un seul histogramme mais la réciproque est
fausse (l'histogramme ne comprend pas d'information spatiale)

Traitement
Deux images différentes ayant un même histogramme
d’images

22
Histogramme
Pour les images en vrai couleur plusieurs histogrammes
sont nécessaires. Par exemple pour une image codée en
RGB :
un histogramme représentant la distribution de la
luminance,
trois histogrammes représentant respectivement la
distribution des valeurs respectives des composantes
rouges, bleues et vertes.

Traitement
d’images

23
Histogramme cumulé
L'histogramme cumulé d'une image s'obtient en associant à chaque niveau
c
de gris i le nombre hi de pixels de l'image qui ont une valeur inférieure ou
égale à i.
Ceci revient à calculer l'histogramme de l'image et d'associer à chaque
niveau i la somme des hj pour j≤i.

L'histogramme cumulé dénombre les occurrences cumulées de chacun des


niveaux :

Il est défini de façon récursive par

Traitement
d’images

24
Histogramme cumulé
Exemple d’histogramme cumulé d’une image en niveau de gris

Histogramme de l’image (rouge) et


Traitement l'histogramme cumulé (noir)
d’images

25
Histogramme cumulé
Exemple d ’ histogramme cumulé d ’ une image
couleur

Traitement
d’images

26
Egalisation d’histogramme

L'égalisation d'histogramme permet de mieux répartir


les intensités sur l'ensemble de la plage de valeurs
possibles, en « étalant » l'histogramme.

L'égalisation est intéressante pour les images dont la


totalité, ou seulement une partie, est de faible
contraste (l'ensemble des pixels sont d'intensité
proches).

Traitement
d’images

27
Egalisation d’histogramme

La transformation T permet d'égaliser


Traitement
d’images l'histogramme et d'améliorer le contraste.

28
Egalisation d’histogramme

image originale Son histogramme (rouge) et


l'histogramme cumulé (noir)

Traitement
d’images

29
L'histogramme (rouge) et l'histogramme
L'image après égalisation d'histogramme cumulé (noir) après égalisation
Egalisation d’histogramme

Traitement
d’images

30
Egalisation d’histogramme

Traitement
Image originale Image après égalisation
d’images

31
Egalisation d’histogramme

Image originale Histogramme original

Transformation
Traitement
d’images

Image après Histogramme égalisé


32
égalisation
Transformations d’images
Principe :
Changer la valeur de chaque pixel d'une image f pour obtenir une nouvelle
image f'. Cette image résultat a la même taille que f, mais des propriétés
plus intéressantes.

Types de transformations
o Ponctuelles (ou pixel à pixel) : la nouvelle valeur f'(x,y) est obtenue à
partir de f(x,y) seulement.
o Locales (ou de voisinage) : la nouvelle valeur f'(x,y) est obtenue à
partir de l'ensemble des valeurs initiales f(V(x,y)) dans un voisinage
autour du pixel de coordonnées (x,y).
o Globales : la nouvelle valeur f'(x,y) est obtenue à partir de l'ensemble
Traitement de valeurs de l'image initiale f.
d’images

33
Transformations d’images
Transformations ponctuelles
f ( x, y ) 

t
f ' ( x, y )  t ( f ( x , y )
Ex. seuillage, ajustement luminosité/
Contraste, manipulation d'histogramme

Transformations locales
f ( x, y ) 

t
f ' ( x, y )  t ( f (V ( x, y )))

Ex. filtrage

Transformations globales
Traitement
f ( x, y ) 

t
f ' ( x, y )  t ( f )
d’images Ex. transformée de Fourier

34
Transformations Ponctuelles
Elle est donc définie par une table de correspondance ou LUT (Look-Up
Table) qui définit, pour chaque niveau de gris i, le nouveau niveau i'=t(i).

Représentations de la LUT: tableau ou graphe

Traitement
d’images

35
Transformations Ponctuelles
Lien avec l'histogramme : une LUT définit la transformation t des
niveaux de gris entre l'image initiale et l'image finale. Cette transformation
change la distribution statistique des niveaux de gris, caractérisée par
l'histogramme de chaque image

Traitement
d’images

36
Transformations Ponctuelles
Exemple :

• Expansion de la dynamique
par étirement de
l’histogramme

Effet : amélioration du
contraste

Traitement
d’images

37
Changement du contraste
La Transformation linéaire : On étire la dynamique en rééchelonnant les
niveaux de gris entre 0 et 255

255
f ' ( x, y )  ( f ( x, y )  min)
max  min
f’
255

f’(x,y)
f
Traitement
d’images 0
f(x,y)
min max
38
Changement du contraste
Exemple de transformation linéaire :

Traitement
d’images

39
Changement du contraste
Limite des transformations linéaires : Si la dynamique est déjà
maximale, la transformation n’apporte aucun changement.

Traitement
d’images

40
Changement du contraste
La Transformation linéaire avec saturation :
o Définie par 2 seuils : min( f ( x, y))  S min  S max  max( f ( x, y))
o Effet :Rehaussement du contraste des niveaux :S min  i  S max
et saturation :
• à 0 les niveaux : min( f ( x, y ))  i  S min
• à 255 les niveaux : S max  i  max( f ( x, y ))

255
f ' ( x, y)  ( f ( x, y)  Smin )
Smax  Smin
Traitement f ' ( x, y)  0  f ' ( x, y)  0
d’images
f ' ( x, y)  255  f ' ( x, y)  255
41
Changement du contraste
La Transformation linéaire avec saturation :

Traitement
d’images

42
Changement du contraste
La Transformation linéaire par morceau :
o Effet : selon la pente locale (gain), expansion ou compression de la
dynamique
• rehaussement du contraste si gain > 1
• diminution du contraste si gain < 1

Traitement
d’images

43
Changement du contraste
La Transformation linéaire par morceau :

Traitement
d’images

44
Changement du contraste
La Transformation non linéaire

Traitement
d’images

45
Changement du contraste
Autres transformations d’histogramme

négatif i'=255-i

Traitement
d’images
Quantification
46
Changement du contraste
Egalisation d’histogramme : exemple

Traitement
d’images

47
Changement du contraste
Egalisation d’histogramme : Méthode
On cherche à aplatir l’histogramme

1. Calcul de l’histogramme h(k) avec kk  [0, 255]


2. Histogramme cumulé hc (k )   h(i)
3. Transformation des niveaux de grisi de1 l’image
Traitement
hc ( f ( x, y )) * 255
d’images
f ' ( x, y ) 
N
48
Changement du contraste
Egalisation d’histogramme : exemple

Traitement
d’images

49
Changement du contraste
Egalisation d’histogramme : exemple

Traitement
d’images

50
Changement du contraste
Egalisation d’histogramme : exemple
Si on prend la même image avec des contrastes différents, l’égalisation
d’histogramme donne le même résultat pour
toutes les images.

Traitement
d’images

51
Changement du contraste
Egalisation locale d’histogramme

Traitement
d’images

52
Changement du contraste
Egalisation d’une image couleur
1. Calculer l’intensité de l’image couleur f = (R + V + B)/3
2. Calculer l’histogramme de f
3. Calculer l’histogramme cumulé de f
4. Appliquer l’égalisation de l’histogramme dans chaque
plan de l’image couleur

Traitement
d’images

53
Changement du contraste
Egalisation d’une image couleur : exemple

Traitement
d’images

54
Changement du contraste
Seuillage

Traitement
d’images

55
Changement du contraste
Seuillage : Comment trouver le seuil?

Traitement
d’images

56
Restauration

Objet : la réduction, voire l'élimination des


distorsions introduites (bruits) par le
système ayant servi à acquérir l'image.

But : obtenir une image qui soit la plus


proche possible de l'image idéale qui aurait
été obtenue si le système d'acquisition était
Traitement
d’images parfait.
57
Restauration
Nature du bruit

Bruit lié au contexte de l'acquisition


Bruit lié au capteur
Bruit lié à l'échantillonnage
Bruit lié à la nature de la scène

Traitement
d’images

58
Autres dégradations visibles dans une image:
• bruit "poivre-et-sel" (très localisé et très perturbant) ;
• bruit de "speckle " (chatoiement; bruit granulaire de type
multiplicatif);
• trous ou coupures sur une forme et des frontières pas nettes
(dents de scie).

Traitement local associé ou non à une connaissance a priori et a


posteriori de la forme peut donner de bons résultats.

Remarque:
• On peut tenter de modéliser le processus de dégradation pour
l’inverser (restauration)
• ou Agir directement sur l'image obtenue (amélioration).
• Dans ce cas le modèle de restauration retenu est linéaire et se
Traitement traduit par une transformation de voisinage
d’images

59
Restauration

Original Salt and pepper

Traitement
d’images

Gaussien Speckle 60
Dégradations Restauration

Dans l'ensemble des dégradations possibles d'une image,


il existe une classe intéressante : les transformations linéaires.
Dans ce cas, on suppose les dégradations invariantes
spatialement ce qui permet d'écrire le modèle suivant :

f ( x, y )  h  g ( x, y )  b( x, y )

Image à restaurer Image initiale Bruit additif

réponse impulsionnelle
Traitement du système linéaire modèle
d’images
de la source de dégradation

61
Restauration d’image
La restauration a pour but d'inverser l'effet du phénomène dégradant.
Il s'agit de produire une image la plus proche de la réalité physique de
la scène observée.

L'amélioration a pour but de satisfaire l'oeil de l'observateur humain. C'est


pourquoi l'image produite peut être différente de la réalité. appelé
prétraitement, regroupe toutes les techniques visant à améliorer la qualité
d'une image.

La notion de qualité est une notion très subjective:


La qualité d'une image n'est pas forcément la même pour un
ordinateur ou pour un opérateur humain.

Traitement
d’images

62
Bruit
Parasite :
phénomène de brusque variation de l’intensité d’un pixel
par rapport à ses voisins

Provenance :

l’éclairage,
l’objet,
La transmission,
l’optique de la caméra,
Traitement
d’images
Le capteur CCD,
l’échantillonnage,
63
Le stockage de l’image
Bruit

Traitement agrandissement 400%


d’images

64
Les sources de dégradations
Les techniques de restauration proposent de réduire les
effets des dégradations (ou bruits) subies par une image.

Il en existe quatre possible :

bruit lié au contexte de l'acquisition

bruit lié au capteur

bruit lié à la numérisation

bruit lié à la nature de la scène.


Traitement
d’images

65
Les sources de dégradations
Bruit lié au contexte de l'acquisition :

le bougé, conditions d'éclairage.

Bruit lié au capteur (bruit gaussien):


mauvaise qualité, mal utilisé.

Bruit lié à la numérisation : (bruit impulsionnel)


Mauvaise quantification dû à un mauvais calibrage des
capteurs.

Bruit lié à la nature de la scène :


Nuage (cas d ’ images satellites), la poussière dans un
Traitement
d’images
atelier de production.

Autres types de dégradations :


66
vieillissement de film,…
Les sources de dégradations

Traitement
d’images
Image initiale Dérivé lumineuse

67
Les sources de dégradations

Originale Bruit gaussien

Traitement
d’images

Bruit gaussien Bruit


impulsionnel 68
Restauration par connaissance a priori
La connaissance du phénomène physique, source de dégradation, permet
de déterminer un modèle représentant le processus de dégradation.

Le modèle du bruit étant connu, il suffit alors d’appliquer à l’image un


modèle inverse afin de neutraliser le bruit et retrouver l’image initiale.

Ce processus est assez complexe vu que généralement le bruit est généré


par une source aléatoire.

Sa modélisation nécessite donc une connaissance exacte des phénomènes


Traitement physiques agissant sur la lumière ainsi que la réponse de l ’ appareil
d’images
d’acquisition à l’instant de la prise de vue.

69
Restauration par connaissance a posteriori
le phénomène dégradant est inconnu, ou bien trop complexe pour qu’une
approche analytique soit envisageable.

Il est donc nécessaire d’estimer ce phénomène à partir de la connaissance


de l’image dégradée.

Par exemple, la recherche de points de formes particulières (coins, arrêtes,


etc.) connus et devant exister dans la scène permet une estimation locale
de certaines caractéristiques du phénomène dégradant.

Traitement
d’images

70
Restauration par filtrage spatial
Le filtrage consiste à appliquer une transformation (appelée
filtre) à tout ou partie d'une image numérique.
Son objectif est de réduire les variations d’intensité au sein de chaque
région de l’image tout en respectant l’intégrité des scènes :
• les transitions entre régions homogènes,
• les éléments significatifs de l’image

Différentes méthodes de filtrage :


• linéaire stationnaire (invariant par translations)

Traitement
• Non linéaire
d’images

71
Restauration par filtrage spatial
Filtre linéaire : c’ est un système linéaire et invariant
dans le temps
• une combinaison linéaire d ’ entrées entraîne la même
combinaison linéaire des sorties
• tout décalage temporel de l ’ entrée entraîne le même
décalage en sortie
L’application du filtre est le produit de convolution de l’image
bruitée G(x, y) avec la fonction de transfert de la réponse
impulsionnelle h(x,y) appelée kernel ou noyau du filtre.

Traitement
d’images

72
Restauration par filtrage spatial
Convolution discrète :

Traitement
d’images

73
Restauration par filtrage spatial
Convolution discrète :
• Le masque est de dimension N impair et symétrique
( N 1) / 2 ( N 1) / 2
( f * filtre)( x, y )    f ( x  i, y  i) filtre(i, j )
i   ( N 1) / 2 j   ( N 1) / 2

Exemple voisinage de 3x3

Traitement
d’images

74
Restauration par filtrage spatial
Propriétés de la convolution discrète :
• Elément neutre

• Réponse impulsionnelle discrète

Traitement
d’images

75
Restauration par filtrage spatial
Propriétés de la convolution discrète :
• Additivité /distributivité
• Commutativité
• Associativité
• Norme d’un opérateur
• Séparabilité du produit de convolution

Traitement
d’images

76
Filtre moyenneur
Il s’agit d’effectuer un lissage spatial tout en remplacent la
valeur du pixel courant par la moyenne de tous les pixels
inclus dans un voisinage centré en ce point.

La taille du kernel dépend de l’intensité du bruit et de la taille


des détails significatifs de l’image traitée.

Traitement
d’images

77
Convolution en discret
Exemple de convolution: le filtre moyenneur

1 1 1

1/9 1 1 1

1 1 1

Traitement
d’images
Filtre moyenneur
78
Filtre moyenneur

1/9 *

Zone d’une Matrice de


image convolution
Valeur du pixel central après filtrage :
(27*1+13*1+21*1+19*1+12*1+29*1+15*1+18*1+14*1)/9
=19
Le résultat d’un tel filtrage est le lissage de l’image

Traitement
d’images

Zone après 79
filtrage
Filtre moyenneur

Traitement
d’images

80
Filtre moyenneur
Les effets du filtre moyenneur varient avec la taille du noyau :
- plus les dimensions du noyau seront importantes, plus le
bruit sera éliminé ;
- mais en contrepartie, il lisse les contours, ce qui donne une
impression de flou

Traitement
d’images

81
Filtre gaussien
Ce filtre tire son nom de la valeur de ses coefficients qui sont
ceux d’une courbe de gauss à deux dimensions.
Plus la taille d’un filtre est importante, plus l’image filtrée est
floue.
L’application d’un filtre gaussien à une image revient à sa
convolution par un noyau gaussien h, d’écart-type σ, donné
par l’équation suivante :

Traitement
d’images

82
Filtre gaussien

Traitement
d’images

83
Filtre gaussien

Traitement
d’images

84
Filtres Non Linéaires
Ces opérateurs ont été développés pour pallier aux
insuffisances des filtres linéaires,
• la mauvaise conservation des contours en infligeant des
déformations irréversibles à l’image.

Exemple : - les filtres d’ordre


- les filtres de Nagao.
Traitement
d’images

85
Filtres D’ordre
Le filtrage d’ordre consiste à ordonner les pixels qui sont
contenus dans un voisinage donné selon leur niveaux de gris
grâce à des modules de tri,
les valeurs de gris (gi) seront triés par ordre croissant puis
l’opération se fait en affectant au pixel courant une valeur G
(fonction non linéaire de gi)
Exemple : - filtre médian

Traitement
- filtre maximum
d’images
- filtre minimum
86
Filtres Médian
Le niveau de gris du pixel central est remplacé par la valeur
médiane de tous les pixels de la fenêtre d’analyse centrée sur
le pixel
Le principe de ce filtre est comme suit :
•On classe les pixels voisins du pixel courant (compris
dans la fenêtre) par valeurs croissantes.

•On prend la valeur médiane des pixels classés et on


l’affecte au pixel courant.
Traitement
d’images

87
Filtres Médian

Traitement
d’images

88
Filtres Médian
La taille du noyau dépend de l’intensité du bruit et de la taille
des détails significatifs de l’image traitée :
• Plus le noyau est grand, plus le filtrage peut paraître
efficace,
• mais plus il déforme l’image sans pour autant adoucir son
contraste
Le filtre médian est efficace lorsque l’image est dégradée
par une source de bruit du type impulsionnel, c-à-d
Traitement
d’images
lorsque l’on assiste à des variations brusques de pixels
isolés. 89
Filtres Médian

le médian garde la netteté de l’image pour les éléments de


Traitement dimensions importantes (par rapport au noyau du filtre), mais
d’images
élimine les détails fins de manière irrémédiable.
90
Filtre maximum
On retient pour l’image filtrée la valeur maximale.
Le filtre maximum tend à homogénéiser et éclaircir les régions
de l’image

Traitement
d’images

91
Filtre minimum
On retient pour l’image filtrée la valeur minimale.
Le filtre minimum tend à homogénéiser et assombrir les
régions de l’image.

Traitement
d’images

92
Filtre MIN/MAX
Ce type de filtre consiste à remplacer la valeur du pixel p de
l’image originale A par le minimum ou le maximum sur la
fenêtre centrée en ce point selon la proximité de ces deux
valeurs à la valeur centrale.
Le principe de cet algorithme est le suivant :
• Si le pixel central (i, j) a une valeur supérieure à Max, on
affecte MaxF(i, j) =Max.
• Si le pixel central (i, j) a une valeur inférieure à Min, on
affecte Min F(i, j) = min.
Traitement
d’images
• Si le pixel central (i, j) est compris entre Min et Max, le pixel
garde la même valeur.
93
Filtre MIN/MAX

Traitement
d’images

94
Exemples

Bruit gaussien Moyenneur 3x3 Filtre adaptatif 3x3 Médian 3x3

Traitement
d’images

Bruit Moyenneur 3x3 Filtre adaptatif 3x3 Médian 3x3


salt and pepper 95
Exemples

Bruit Moyenneur 3x3 Filtre adaptatif 3x3 Médian 3x3


speckle
Traitement
d’images

96

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