Bildbearbeitung

Dezember 2016

Einführung in die Bildbearbeitung


Man bezeichnet als Bearbeitung von digitalen Bilder alle Methoden, mit denen ein digitales Bild verändert werden kann, mit dem Ziel, es zu verbessern oder Informationen herauszuholen.

Histogramm


Ein Histogramm ist eine statistische Grafik, die die Darstellung der Verteilung der Pixelintensitäten eines Bildes ermöglicht, das bedeutet die Anzahl von Pixeln für jede Lichtintensität. In der Regel stellt ein Histogramm das Niveau der Intensität in der Abszisse dar, indem man vom dunkelsten (links) zum hellsten (rechts) geht.

So wird das Histogramm eines Bildes mit 256 Graustufen durch eine Grafik dargestellt, die 256 Werte in der Abszisse enthält und die Pixelanzahl des Bildes als Koordinate. Nehmen wird zum Beispiel das folgende Bild, das aus Graustufen besteht :




Das Histogramm und die Palette, die mit diesem Bild verbunden sind, sind jeweils folgende :

histogramme



palette



Das Histogramm zeigt an, dass die hellgrauen Tönen im Bild präsenter sind als die dunklen.
Der meistbenutzte Grauton ist der 11. von links aus.

Mehrere Histogramme sind bei Farbbildern erforderlich. Bei einem RGB-kodierten Bild zum Beispiel :

  • Stellt ein Histogramm die Verteilung der Leuchtdichte dar.
  • Stellen drei Histogramme jeweils die Verteilung der jeweiligen Werte der roten, blauen und grünen Komponenten dar.

Kumuliertes Histogramm


Das kumulierte Histogramm stellt die kumulierte Verteilung der Pixelintensitäten eines Bildes dar. Das bedeutet die Anzahl der Pixel, die mindestens eine gegebene Lichtintensität aufweisen.

Veränderung des Histogramms


Das Hstogramm ist ein sehr nützliches Werkzeug, um die Aufteilung der Komponenten eines Bildes zu untersuchen. Es ermöglicht allerdings auch die Berichtigung des Kontrasts und der Farbenskala bei übereinander oder untereinander angeordneten Bildern. Desweiteren beeinträchtigt die Veränderung nicht die im Bild erhaltenen Informationen, sondern macht sie mehr oder weniger sichtbar.

Die Veränderung eines Histogramms ist generell auf einer Kurve dargestellt (die sich tonale Kurve nennt). Sie gibt die globale Veränderung der Komponenten des Bildes mit den Anfangswerten als Abszisse und den Werten nach Veränderung als Koordinate an. Die tonale Kurve entspricht einer Transferfunktion, die durch eine Umkodierungstabelle bestimmt wird. Man nennt sie look up table, geschrieben LUT. Die Diagnole gibt die Kurve so an, damit die Anfangswerte den Endwerten entsprechen. Das bedeutet, wenn keine Veränderung stattgefunden hat. Die Werte links vom Durchschnittswert auf der Abszisse stellen die "hellen" Pixel dar, während die Werte rechts die dunklen Pixel darstellen.

courbe de modification de l\



Wenn sich die Veränderungskurve des Histogramms unter der Diagonalen befindet, haben die Pixel die niedrigsten Werte und sind heller. Wenn sich die Kurve oberhalb der Diagonale befindet, sind die Pixel dunkler.

AufhellungTrübung

Gleichstellung des Histogramms


Die Gleichstellung des Histogramms zielt auf die Anpassung der Verteilung der Lichtstärke des Bildes, sodass sie sich zu einer gleichen Pixelanzahl für alle Stufen des Histogramms neigt. Dieser Vorgang zielt darauf ab, die Nuancen im Bild zu erhöhen.





Die tonale Kurve, die der Gleichstellung des Histogramms entspricht, hängt komplett vom Bild ab. Jedoch bieten die meisten Werkzeuge generell ein Werkzeug an, mit dem man diesen Vorgang automatisch durchführen kann.

Dehnung des Histogramms


Die Dehnung des Histogramms (auch "Linearisierung des Histogramms" oder "Expansion der Dynamik" genannt), besteht darin, die Erscheinungsfrequenzen der Pixel auf die Breite des Histogramms aufzuteilen. Es handelt sich um einen Vorgang, der darin besteht, das Histogramm so zu verändern, um die Intensitäten am besten auf der Skala der verfügbaren Werte aufzuteilen. Dies läuft auf eine Ausdehnung des Histogramms hinaus, damit der schwächste Intensitätswert bei Null liegt und der höchste beim maximalen Wert.

Wenn die Werte des Histogramms auf diese Weise sich sehr nahe sind, ermöglicht die Ausdehnung eine bessere Aufteilung, um die hellen Pixel noch heller und die dunklen Pixel noch dunkler zu machen.





Es ist so möglich, den Kontrast eines Bildes zu erhöhen. Ein zu dunkles Bild kann so zum Beispiel "sichtbarer" gemacht werden. Allerdings gibt diese Methode nicht immer ein gutes Ergebnis.

Die tonale Kurve, die einer Ausdehnung des Histogramms entspricht, hat folgende Form :

courbe tonale d\

Schwellenmethode


Die sogenannte "einfache Schwellenmethode" besteht darin, alle Pixel, die ein Grauniveau haben, das unterhalb eines bestimmten Wertes liegt, auf Null ( Schwelle, auf Englisch treshold) und die Pixel die einen höheren Wert haben, auf den maximalen Wert zu setzen. So ist das Ergebnis der Schwellenmethode ein binäres Bild, das schwarze und weiße Pixel enthält. Aus diesem Grund wird der Begriff Binarisation manchmal benutzt. Die Schwellenmethode ermöglicht das Hervorheben von Formen oder Objekten in einem Bild. Jedoch liegt die Schwierigkeit in der Auswahl der anzuwendenden Schwelle.

Hier ist ein Bild mit 256 Graustufen und das Ergebnis einer Schwellenmethode mit den jeweiligen Werte zwischen 125 und 200 :







Die tonale Kurve der Schwellenmethode ist wie folgt :

courbe tonale du seuillage



Im Gegensatz zur "einfachen Schwellenmethode" ist es möglich, zwei Schwellenwerte zu definieren, einen unteren und einen oberen, um die Pixel auf den Höchstwert zu setzen, die einen Wert zwischen den Grenzen hat und alle anderen Werte auf Null sind :

courbe tonale du seuillage

Inversion (negativ)


Die Inversion besteht, wie ihr Name es angibt, darin, die Pixelwerte im Vergleich zum Durchschnitt der möglichen Werte umzukehren. Das erhaltene Ergebnis ist negativ.




Die tonale Kurve der Video-Inversion ist wie folgt :

courbe tonale d\

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