هیستوگرام تصویر چیست؟

 

در این مطلب از سری مطالب آکادمی وب سایت نوین ایلیا صنعت قصد داریم تا به این سوال پاسخ بدهیم که هیستوگرام تصویر چیست؟ 

 

آنالیز تصویر

در این مقاله ۳ موضوع زیر بررسی خواهد شد:

  • هیستوگرام
  • Line profiles -> نمودارهای خطی
  • Intensity measurement  -> اندازه‌گیری شدت

آنالیز تصویر حاوی ترکیبی از تکنیک‌هایی است جهت اندازه‌گیری و شمارش شدت رنگ خاکستری پیکسل‌های تصویر به کار برده می‌شود. با استفاده از توابع آنالیز تصویر می‌توان به محتوای تصویر پی‌برد و در نهایت تصمیم گرفت که از چه ابزارهای بازرسی می‌توان استفاده کرد تا پروژه انجام داد. توابع آنالیز تصویر را می‌توان برای بازرسی‌های ساده مانند تشخیص حضور یا عدم حضور یک شیء استفاده کرد.

 

هیستوگرام

یک هیستوگرام تعداد پیکسل‌های موجود در هر شدت رنگ خاکستری را نشان می‌دهد.با هیستوگرام می‌توان گفت که ناحیه خاصی از تصویر از چه شدت رنگی تشکیل شده است.

هیستوگرام به توصیف ظاهر تصویر پرداخته و به تشخیص مواردی چون background، اشیاء و نویز کمک می‌کند.

 

هیستوگرام تصویر چیست؟

 

چه موقع باید از هیستوگرام استفاده کرد؟

هیستوگرام از اصلی‌ترین ابزارهای آنالیز تصویر بوده که چگونگی توزیع شدت رنگ خاکستری در تصویر را توصیف می‌کند.

اگر در تصویر به دنبال شدت خاصی از رنگ خاکستری باشیم و آن رنگ به اندازه کافی واضح باشد می‌توان از هیستوگرام استفاده کرد.

دو موضوع مهم را می‌توان از طریق هیستوگرام مشخص کرد:

 

1- Saturation: (over exposed) زیاد در معرض نور قرار گرفتن

نور کم در محیط عکس برداری : under exposure

نور بیش از اندازه در محیط عکس برداری: Over exposure (saturation)

عکس گرفتن در شرایط کم نوری یا نور زیاد باعث می‌شود که تصویر‌ها حاوی همه اطلاعات مورد نیاز جهت بازرسی نباشد.بنابراین این موضوع مهم است که این شرایط کم نوری و نور زیاد را بتوانیم تشخیص دهیم تا بتوانیم چیدمان ویژه را متناسب با آن تنظیم کنیم.

این شرایط را می‌توان از طریق هیستوگرام تشخیص داد. در شرایط کم نوری تعداد زیادی از پیکسل‌ها دارای شدت رنگ خاکستری پایین هستند و این به صورت یک پیک در ابتدای نمودار هیستوگرام نمایان می‌شود و در شرایط پر نوری تعداد زیادی از پیکسل‌ها دارای سطح خاکستری بالایی هستند و پیک هیستوگرام در انتهای نمودار آن می‌باشد.

 

2- کنتراست ضعیف:

حجم گسترده‌ای از پروژه‌های ویژن درگیر بازرسی و شمارش قسمت‌های دلخواهی از تصویر می‌باشد. یک استراتژی جهت تفکیک اشیاء از پس زمینه روی تفاوت شدت نور این دو قسمت است. برای مثال یک قسمت روشن و یک پس زمینه تاریک در هیستوگرام از 2 یا تعداد بیشتری پیک جدا از هم تشکیل شده است که در شکل زیر می‌توان مشاهده کرد.

با تنظیم چیدمان ویژن می‌‎توان به نقطه‌ای رسید که هیستوگرام تصویر بدست آمده کنتراست مورد نیاز را جهت پروژه داشته باشد.

 

 

مفاهیم

هیستوگرام به صورت تابع H روی محدوده رنگ خاکستری {O,…,K…,255} تعریف می‌شود که K تعداد پیکسل‌های موجود در یک شدت رنگ خاکستری می‌باشد: 

 

H(K)=NK

 

K:یک شدت رنگ خاکستری

nk: تعداد پیکسل‌های موجود در یک شدت رنگ خاکستری

:تعداد پیکسل های یک تصویر 

 

 

محدوده رنگ خاکستری

هیستوگرام به دو صورت خطی و تراکمی می‌تواند تعریف شود.

در هر دو مورد، محور افقی شدت رنگ خاکستری از محدوده 0 تا 255 می باشد. برای یک شدت رنگ k محور عمودی در هیستوگرام خطی برابر با تعداد پیکسل‌های NK موجود در شدت رنگ خاکستری K می‌باشد و در هیستوگرام تراکمی برابر با درصد حضور پیکسل‌ها در شدت رنگ کمتر و یا برابر k می‌باشد.

 

هیستوگرام خطی

تابع چگالی نور به صورت زیر هست:

 

 

که در آن H (K) برابر تعداد پیکسل‌های موجود در شدت رنگ خاکستری K است.

تابع احتمال به صورت زیر است:

 

 

که در آن:

 

برابر است با احتمال آنکه شدت رنگ یک پیکسل برابر K باشد.

 

 هیستوگرام تراکمی = Cumulative Histogram

تابع توزیع به صورت زیر می‌باشد:

 

 

که مقدار این رابطه برابر است با تعداد پیکسل‌هایی که کوچکتر یا مساوی k است.

تابع احتمال در این نوع هیستوگرام به صورت زیر تعریف می‌شود:

 

 

که در آن:

 

 

برابر است با احتمال آنکه شدت رنگ خاکستری یک پیکسل کوچکتر یا مساوی k باشد.

تصویر هیستوگرام تراکمی را می‌توان در شکل زیر مشاهده نمود.

 

 

تفسیر

اگر در فاصله‌ای از هیستوگرام یک مجموعه‌ای غلیظ از پیکسل وجود داشته باشد، این به معنای حضور المان‌های پرمعنی در تصویر بوده که محدوده شدت رنگ خاکستری آن‌ها در هیستوگرام مشخص است.

در شکل زیر هیستوگرام خطی نشان می‌دهد که تصویر از 3 المان مهم تشکیل شده است.

 

 

هیستوگرام تراکمی از عکس بالا در شکل زیر، نشان می دهد که دو پیک سمت چپ هیستوگرام خطی تقریباً %80 تصویر را تشکیل داده و %20 باقی مانده مربوط به پیک سوم که در سمت راست آمده می باشد. پس با هیستوگرام خطی می توان گفت که پیکسل ها در چه محدوده ای از شدت رنگ حضور دارند  و با هیستوگرام تراکمی می توان گفت که چه درصدی از پیکسل ها در آن محدوده حضور دارند.

 

مقیاس هیستوگرام= Histogram Scale

محور عمودی یک نمودار هیستوگرام هم می‌تواند به صورت مقیاس خطی و هم به صورت لگاریتمی نشان داده شود. در مقیاس لگاریتمی می‌توان تعداد کم پیکسل‌ها در یک شدت رنگ خاکستری را هم مشاهده کرد که ممکن است این تعداد کم در مقیاس خطی دیده نشود.

در مقیاس لگاریتمی محور عمود لگاریتم تعداد پیکسل‌های موجود در هر شدت رنگ خاکستری را نمایش می‌دهد. استفاده از مقیاس لگاریتمی باعث حساسیت بیشتر نسبت به شدت رنگ خاکستری پیکسل‌ها می‌شود.

در شکل زیر می‌توان این دو نوع مقیاس را برای یک تصویر یکسان مشاهده کرد.

 

 

هیستوگرام تصاویر رنگی

هیستوگرام یک تصویر رنگی از سه جدول تشکیل شده است که هر جدول مربوط به یک رنگ اولیه می‌باشد.

 

نمودار خطی = Line Profile

یک نمودار خطی، تغییرات شدت رنگ خاکستری پیکسل‌ها در طول یک خط را نشان می‌دهد.

 

چه موقع بایداز این نمودار استفاد کرد؟

این نمودار در موارد زیر بسیار مهم می‌باشد:

– بررسی مرز میان المان‌های تصویر

– بررسی کیفیت تغییر پذیری شدت رنگ خاکستری

– تشخیص حضور Patternهای تکراری

نمونه‌ای از این نمودار در شکل زیر نمایش داده شده است.

 

هیستوگرام تصویر چیست؟

 

پیک‌های بالا و پایین نشان از افزایش و کاهش شدت نور در طول خط انتخاب شده بر روی تصویر است. عرض و بزرگی شدت رنگ خاکستری بستگی به اندازه و شدت رنگ خاکستری در طول خط اتخاب شده دارد. برای مثال وقتی شیء‌ای دارای کنتراست بالایی نسبت به پس زمینه دورش باشد، در این نمودار پیک‌هایی با شیب تند ایجاد می‌کنند و پیکسل‌های نویز هم در این نمودار دارای پیک‌هایی با عرض کم هستند.

 

نویسنده: مهندس محمد طالبی
دوربین‌های Basler
منبع