Elaborazione grafica

Novembre 2016
Si definisce elaborazione grafica l'insieme delle tecniche che permettono di modificare un'immagine digitale allo scopo di migliorare o estrarre delle informazioni.


Cos'è un istogramma

Un istogramma è un grafico statistico che permette di rappresentare la distribuzione delle intensità dei pixel di un'immagine, cioè il numero di pixel per ogni intensità luminosa. Per convenzione, un istogramma rappresenta il livello di intensità sulle ascisse andando dal più scuro (a sinistra) al più chiaro (a destra). Così, l'istogramma di un'immagine a 256 livelli di grigio sarà rappresentata da un grafico che ha 256 valori sulle ascisse, e il numero di pixel dell'immagine sulle ordinate. Prendiamo ad esempio la seguente immagine composta dai livelli di grigio:



L'istogramma e la paletta associati a questa immagine sono rispettivamente i seguenti:

Istogramma

Paletta


L'istogramma fa risultare che i toni grigio chiari sono molto più presenti nell'immagine rispetto agli scuri. Il tono di grigio più usato è l'11esimo partendo da sinistra. Per le immagini a colori sono necessari più istogrammi. Ad esempio per un'immagine codificata in RGB:

Un istogramma che rappresenti la distribuzione della luminanze;

Tre istogrammi che rappresentano rispettivamente la distribuzione dei valori rispettivi delle componenti rosse, blu e verdi.

Istogramma cumulativo

L'istogramma cumulativo rappresenta la distribuzione cumulativa delle intensità dei pixel di un'immagine, cioè il numero di pixel con almeno una data intensità luminosa.

Modifica dell'istogramma

L'istogramma è uno strumento molto utile per studiare la ripartizione delle componenti di un'immagine ma permette ugualmente di correggere il contrasto e la scala dei colori per delle immagini sovraesposte o sottoesposte. Inoltre la sua modifica non altera le informazioni contenute nell'immagine ma le rende più o meno visibili.


La modifica di un istogramma è solitamente rappresentata su una curva (detta curva tonale) che indica la modifica globale delle componenti dell'immagine con in ascissa i valori iniziali e i valori modificati sull'ordinata. La curva tonale corrisponde ad una funzione di trasferimento definita da una tabella di transcodifica detta look up table, sigla LUT. Così la diagonale indica la curva tale che i valori iniziali sono uguali ai valori finali, cioè quando nessuna modifica ha luogo. I valori a sinistra del valore medio sull'asse delle ascisse rappresentano i pixel "chiari" mentre quelli a destra rappresentano i pixel scuri:

curva di modifica dell\


Così, la curva di modifica dell'istogramma è posta sotto la diagonale, i pixel avranno dei valori più bassi e saranno quindi schiariti. Al contrario se la curva è sotto la diagonale, i pixel saranno più scuri:

SchiarimentoOscuramento

Equalizzazione dell'istogramma

L'Equalizzazione dell'istogramma ha come scopo di armonizzare la ripartizione dei livelli della luminosità dell'immagine, in modo tale da tendere verso uno stesso numero di pixel per ciascun livello dell'istogramma. Questa operazione punta ad aumentare le nuance dell'immagine:



La curva tonale corrispondente all'equalizzazione dell'istogramma dipende totalmente dall'immagine. Tuttavia la maggior parte degli software propongono solitamente uno strumento che permette di fare questa operazione in modo automatico.

Linearizzazione dell'istogramma

La linearizzazione dell'istogramma (detto anche "allungamento dell'istogramma" o "espansione della dinamica") consiste nel ripartire le frequenze di apparizione dei pixel sulla larghezza dell'istogramma. Si tratta quindi di un'operazione che consiste nel modificare l'istogramma in modo tale da ripartire al meglio le intensità sulla scala dei valori disponibili. Si espande l'istogramma affinché il valore d'intensità più piccolo sia a zero e che il più alto sia al valore massimo.

In questo modo, se i valori dell'istogramma sono molto vicini gli uni agli altri, la linearizzazione permetterà di fornire una ripartizione migliore per rendere i pixel chiari ancora più chiari e quelli scuri quasi neri:



È così possibile aumentare il contrasto di un'immagine. Ad esempio un'immagine troppo scura potrà diventare più "visibile". Tuttavia questo non da sempre dei buoni risultati. La curva tonale corrispondente all'equalizzazione dell'istogramma è della forma seguente:

curva tonale di allargamento dell\

Tresholding

L'operazione detta di "tresholding semplice" consiste nel mettere a zero tutti i pixel con un livello di grigio inferiore ad un certo valore (detto treshold ) e al valore massimo i pixel che hanno un valore superiore. Così il risultato del tresholding è un'immagine binaria che contiene dei pixel bianchi neri, ragione per cui il termine di binarizzazione è talvolta usato. Il tresholding permette di mettere in evidenza delle forme o degli oggetti in un'immagine. Tuttavia la difficoltà sta nella scelta del treshold ad adottare.Ecco un'immagine a 256 livelli di grigio e il risultato di un'operazione di tresholding con i rispettivi valori di treshold di 125 e 200:





La curva tonale dell'operazione di tresholding è la seguente:

curva tonale della di soglia


In opposizione al "tresholding" è possibile definire due valori di treshold, rispettivamente stazione inferiore e stazione superiore, per mettere al valore massimo i pixel che hanno un valore compreso tra le stazioni e a zero l'insieme degli altri valori:
curva tonale della di soglia

Inversione (negative)

L'operazione di inversione consiste, come lo indica il nome, nell'invertire i valori dei pixel rispetto alla media dei valori possibili. Il risultato ottenuto è detto negativo:



La curva tonale dell'operazione di inversione video è la seguente:

curva tonale di inversione video

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