Digitale Bildverarbeitung (DBV)

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1 Digitale Bildverarbeitung (DBV) Prof. Dr. Ing. Heinz Jürgen Przybilla Labor für Photogrammetrie heinz bochum.de Tel Sprechstunde: Montags Uhr und nach Vereinbarung HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 1

2 Erzeugung digitaler Bilder HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 2

3 Digitale Kamera [ HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 3

4 Rasterdaten Registrierte Messwerte räumlich verteilter Strahlung (echte Bilder) Durch A/D Wandlung erzeugte Bilder Künstlich generierte Bilder Bildhafte Darstellung beliebig räumlich verteilter Messwerte oder Informationen Bildaten sind eine Untermenge von Rasterdaten HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 4

5 Digitale Bilddaten Definition durch die Matrix lichtempfindlicher Elemente eines Sensors 1 1 n Zeile 1 x Zeile 8 Das digitale Bild besteht aus der zweidimensionalen Matrix der Bildelemente PIXEL (picture element). m Zeile m Die Bildelemente sind in Zeilen und Spalten angeordnet. Spalte 1 Spalte 8 Spalte n y HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 5

6 Digitale Bilddaten Definition durch die Matrix lichtempfindlicher Elemente eines Sensors 1 n 1 Zeile 1 x Zeile 8 Ein Bildelement (pixel) verfügt über 3 Eigenschaften: Position (Zeile und Spalte) Größe ( x * y) Grauwert. m Spalte 1 Spalte 8 Spalte n Zeile m Position und Größe sind geometrische Eigenschaften, der Grauwert ist die radiometrische Eigenschaft des pixels. y HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 6

7 Nachbarschaftsbeziehungen Jedes Pixel verfügt über Nachbarschaftsbeziehungen HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 7

8 Rasterdaten Auszug aus dem Inhalt einer Rasterdatei (hier im Bitmap Format) HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 8

9 Bilddaten: Eigenschaften Das Pixel bildet die grafische Grundstruktur Flächenhafte Betrachtungsweise Ordnung erfolgt nach der Position der Pixel Einfache Datenerfassung (?) Große Datenmengen, dadurch hoher Rechenaufwand HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 9

10 Bildgeometrie HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 10

11 Fotografische Abbildung Fotografische / Optische Abbildung mittels Lochkammer. kleines Loch bildet das Projektionszentrum. DieoptischeAchsesteht zur Bildebene und geht durch das Projektionszentrum. Alle einfallenden Strahlen gehen zentral durch das Projektionszentrum Zentralprojektion / Zentralperspektive p r O c P HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 11

12 Fotografische Abbildung [Grundlagen der Bildverarbeitung, 2. Digitale Bilder, Klaus Toennies] HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 12

13 Fotografische Abbildung Punkte außerhalb der Sichtpyramide (des Öffnungswinkels) werden nicht abgebildet. Verdeckte Punkte in der Sichtpyramide werden nicht abgebildet. Die abgebildeten Punkte verlieren ihre Tiefeninformation. HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 13

14 Bild Frontal HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 14

15 Bildinformationen EXIF Exchangeable Image File EXIF ist ein Standard für die Speicherung von Aufnahmeinformationen bei Fotos. Es existieren mehr als 100 standardisierte Daten, die mit dem Foto gespeichert werden können. EXIF Daten lassen sich mit gängigen Bildbearbeitungs und Bildverwaltungsprogrammen auslesen. HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 15

16 EXIF Exchangeable Image File HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 16

17 Bild Perspektive HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 17

18 Bild Tele HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 18

19 Bild Zoom HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 19

20 Bild Weitwinkel HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 20

21 Bild Überweitwinkel HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 21

22 Geometrische Korrektur Entzerrte Perspektive HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 22

23 Verzerrung Radialsymmetrische Verzeichnung HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 23

24 Verzerrung Strudel HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 24

25 Radiometrie HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 25

26 Radiometrie Radiometrie ist die Wissenschaft von der Messung elektromagnetischer Strahlung und ihre Anwendung in Physik, Astronomie und Geophysik. Sie ist mit der Fotometrie (Lichtmessung) verwandt und stellt ihre Erweiterung in die Bereiche des Infraroten und Ultravioletten, aber auch der Gammastrahlen dar. [ HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 26

27 Radiometrie Die quantitative Messung von Strahlungsintensitäten erfolgt mit verschiedenen Arten von Detektoren. Sie wandeln einen Teil der Strahlung in Wärme oder ein elektrisches Signal um, woraus u.a. auf die Art der strahlenden Oberfläche und ihre Temperatur geschlossen werden kann. Als Vergleich dient oft der theoretisch ideale Strahler (Schwarzer Körper) und seine Strahlungsgesetze. [ HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 27

28 Radiometrie Um die Eigenschaften von Strahlungsquelle, Empfänger und bestrahltem Material beschreiben zu können, sind fünf radiometrische Größen definiert. Ihnen entsprechen fünf fotometrische Größen, die wegen des begrenzten Wellenlängenintervalls von sichtbarem Licht ihr spektral gewichteter Sonderfall sind. [ HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 28

29 Radiometrie Größe SI Einheit Beschreibung Strahlungsenergie J Die Energie einer Anzahl von Photonen Fotometrische Entsprechung Lichtmenge Strahlungsfluss W Strahlungsenergie pro Zeit Lichtstrom Strahlstärke Bestrahlungsstärke Strahldichte W/sr W/m² W/m²/sr Strahlungsfluss pro Raumwinkel Strahlungsfluss pro projizierte Fläche Strahlungsfluss pro Raumwinkel pro projizierte Fläche Lichtstärke Beleuchtungsstärke Leuchtdichte [ HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 29

30 Lichtmenge Die Lichtmenge ist das Produkt aus dem von einer Lichtquelle ausgehenden konstanten Lichtstrom und der Zeit, während der er ausgestrahlt wird. Die Lichtmenge x verursacht auf einem lichtempfindlichen Sensor Lichtundurchlässigkeit (Schwärze) y Schwärzungskurve Die Schwärzungskurve beschreibt, wie sich Helligkeitsunterschiede des Objekts auf dem lichtempfindlichen Sensor abbilden. HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 30

31 Schachbrett Lichtmenge HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 31

32 Schachbrett Fotografisches Abbild HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 32

33 Farbige Bälle RGB HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 33

34 Farbige Bälle RGB: Negativ HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 34

35 Farbige Bälle RGB: Helligkeit Zu hell Zu dunkel HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 35

36 Farbige Bälle RGB: Kontrast Zu weich Zu hart HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 36

37 Farbige Bälle Graustufen Positiv Negativ HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 37

38 Radiometrie Jedes Pixel besitzt einen Grauwert. Bei einer radiometrischen Auflösung von 8 bit ist dies ein Wertebereich von Der Grauwert beschreibt die mittlere Reflexion eines Objekts und ist immer eine positive ganze Zahl. HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 38

39 Radiometrie Definition durch die Matrix lichtempfindlicher Elemente eines Sensors 1 1 n x m Grauwert Der Wertebereich (Bildtiefe) entspricht z.b. 8 bit, d.h. 2 8 Bitkombinationen = 256 Grauwerte. Grauwert 0 = schwarz Grauwert 255 = weiß Grauwert 128 = mittleres Grau y HS BO Labor für Photogrammetrie: Erzeugung digitaler Bilder 39

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