Image Acquisition and Digitization

Human Eye Vision Cornea กระจกตา ทำหน้าที่คล้าย lens เพื่อหักเหแสง Iris ม่านตา ทำหน้าที่ปรับปริมาณแสง Retina จอตา ทำหน้าที่เป็นเซลรับแสง Human Eye Vision

Image Sensing

Image Acquisition and Digitization Energy source Digitization (A/D) Sensor Analog image Digital image

Energy Source

Electromagnetic Spectrum

Visible light wavelength 400-700 nm

Infared Band wavelength 10-6-10-4 m Washington D.C. area Microprocessor (60x) Washington D.C. area Hurricane images

Microwave Band ความยาวคลื่น 10-4-10-2 m Radar image of mountains

Radio Band Magnetic Resonance Image (MRI) Ultrasonic image

Ultraviolet Band wavelength 10-8-10-7 m Fluorescence microscope image Normal corn cell Infected corn cell

X-ray wavelength 10-10 m Head cross-section Circuit board Chest X-ray

Gamma Ray wavelength 10-12 m Bone scan Reactor valve

Image Sensing

Sensor Single Sensor Row Sensor Array Sensor

Non-overlap Layout Overlap Layout CCD Sensor

Analog-to-Digital Image Analog signal from image sensor A/D convertor Digital Image Sampling Binary representation Quantization Analog-to-Digital Image

Analog-to-Digital Image Sampling Quantization Binary representation Analog-to-Digital Image

Sampling (การสุ่มวัดค่า) เป็นขั้นตอนในการสร้างภาพดิจิตอล ซึ่งเป็นตัวแปลงข้อมูลต่อเนื่อง (Continuous interval) ให้อยู่ในช่วงไม่ต่อเนื่องที่กำหนด (discrete interval) ซึ่งจะสัมพันธ์กับจำนวนพิกเซล (pixel) คือ จำนวนจุด หรือ สี่เหลี่ยมจัตุรัส เล็กๆ ที่เก็บค่าระดับความเข้มแสงในภาพ Analog signal Sampled signal

ความถี่ในการ Sampling มีผลต่อ sample หรือจำนวนพิกเซล ซึ่งมีผลต่อความละเอียดของภาพ Sampling Rate สูงมากๆ ภาพมีความละเอียดมาก ขนาดของไฟล์ภาพมีขนาดใหญ่ รับภาพได้ช้า (Single Sensor / Row Sensor) ค่าใช้จ่ายเพิ่มเนื่องจากต้องเพิ่ม CCD มากขึ้น (Array Sensor) Sampling

Sampling Rate >= 2  ความถี่สูงสุดของสัญญาณ ตามทฤษฏีของ Nyquist จะกำหนดความถี่ในการ sampling ให้มากกว่า 2 เท่าของ ความถี่สูงสุดของสัญญาณ หากกำหนด Sampling Rate ไม่เป็นไปตาม ทฤษฏีของ Nyquist จะทำให้เกิดผล กระทบหรือปรากฏการณ์ที่เรียกว่า aliasing Sampling Rate >= 2  ความถี่สูงสุดของสัญญาณ Sampling

Sampling Rate >= 2  ความถี่สูงสุดของสัญญาณ Sampling effect Nyquist theorem Sampling Rate >= 2  ความถี่สูงสุดของสัญญาณ If Sampling rate < 2 x fHigh

aliasing Sampling

Image Sampling ภาพถ่ายดิจิตอล ภาพถ่ายทางการแพทย์ 1024  768 1280  1024 ภาพถ่ายทางการแพทย์ ใช้แหล่งพลังงานเป็นรังสี Gamma : 64  64 resolution ของภาพ 2 มิติในแนวแกน x-y เรียกว่า spatial resolution Sampling

Sampling Video Frame จำนวนพิกเซล ใน แถว (Row) NST : National Television Standards Committee (US & Japan) PAL : Phase Alternating Line Video Frame จำนวนพิกเซล ใน แถว (Row) NTSC M = 525 PAL = 625 จำนวนพิกเซล ในหลัก (Column) ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนลักษณะ (Aspect Ratio) โดยเป็นอัตราส่วนของ Column : Row เช่น NTSC RS-170 มีจำนวนพิกเซล ในแถว 485 Aspect Ratio 4:3 จะได้ภาพ 646  485 โดยจะใช้เพียง 640  480 Sampling

Quantization (การจัดระดับสัญญาณ) หลังจากการ Sampling แล้วจะทำการวัดค่าของสัญญาณที่ sample มา ซึ่งค่าที่ได้ จะเป็นจำนวนจริง จึงจำเป็นต้องแปลงค่าเป็นจำนวนเต็มที่สามารถเก็บเป็น เลขฐานสองได้ จำนวนเต็มที่ใช้คือค่าลับดับขั้นของ quantize หากจำนวนขั้นมากๆ จะทำให้สามารถแทนระดับของสัญญาณภาพได้ถูกต้อง มากขึ้น เนื่องจากคอมพิวเตอร์เก็บค่าเป็นเลขฐานสอง ลำดับขั้นที่เก็บระดับสัญญาณจะ เป็น n = 2b ช่วง โดยมีค่าตั้งแต่ 0 ถึง 2b-1 (b เป็นจำนวน bitในการทำ quantize)

Quantization การแสดงผลจะเริ่มตั้งแต่สีขาวไล่ความเข้มจนถึงสีดำ เรียกจำนวนขั้นของ quantize ว่า Gray Level เรียกการเปลี่ยนระดับค่าของสีขาวเป็นดำว่า Grayscale จำนวน bit ในการทำ quantize ภาพถ่ายดิจิตอลส่วนใหญ่จะใช้ 8 bit ทำ quantize ทำให้ได้ Gray Level 256 ระดับ ค่า Grayscale 0 – 255 ภาพถ่ายทางการแพทย์ หรือภาพถ่ายอวกาศ มีความจำเป็นต้องใช้ รายละเอียดมาก ปกติจะใช้ 10 – 12 bit ทำ quantize Quantization

Quantization Real number Desired Integer represent in 3 7 2 6 1 5 4 3 8 (3 bits) 0.875 3 7 2 6 1 5 4 3 -1 2 -2 1 -3

Quantization คุณภาพของภาพ & จำนวน bit ในการทำ quantize ระดับสัญญาณไฟฟ้าที่ได้ อยู่ที่ 0 – 3.5 0.000 3.500 0.875 1. 750 2. 625 0.0000 3.5000 0.4375 0.8750 2. 6250 3.0625 . 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 Quantize 2 bits Quantize 3 bits

Binary Representation

Quantization 452  374 CAT projection image : gray levels 256 128 64 32 16 8 4 2 452  374 CAT projection image : gray levels Quantization

Category of Digital Image Binary Image or Black and White Image

Digital Image (Gray-level Intensity example)

Indexed Image

Color Image or RGB Image