Obrazy cyfrowe - otrzymywanie i analiza Informatyka Stosowana W. Waniak

Etapy „pracy” z obrazami cyfrowymi. Obrazowanie - rejestracja obrazu (kamera cyfrowa, radioteleskop, spektrograf, tomograf RTG, tomograf rezonansu magnetycznego, sonar, radar doplerowski, georadar, ...) Wstępna redukcja obrazów - usuwanie efektów systematycznych i losowych (redukcja Bias_Dark_Flatfield, filtrowanie, resampling, korekty geometryczne, ...) Interpretacja obrazów - analiza ich treści (analiza kształtu, rozmieszczenia, liczebności zobrazowanych obiektów, ich rozpoznawanie, odtwarzanie ich parametrów fizyko-chemicznych, ...) 2

Radioteleskopy interferometru VLBI obserwatorium NRAO 3

Przykłady obrazów radiowych z NRAO Saturn, VLA, długość fali 2 cm Kwazar, VLA, 3C288, dł. fali 3.6 cm Droga Mleczna VLA,, dł. fali 21 cm 4

Przykłady obrazów tomograficznych Rentgenowska tomografia komputerowa (CT) mózgu Pozytronowa tomografia emisyjna (PET) tułowia 5

Podstawy fotometrii (radiometrii) Fotometria - dział nauki zajmujący się zobiektywizowanymi metodami pomiaru wielkości związanych z energią niesioną przez światło (radiometria - dowolne promieniowanie elektromagnetyczne EM). Światło ma własności zarówno falowe jak i korposkularne. Obydwie są kluczowe dla otrzymywania obrazów cyfrowych !!! • Światło jako fala (zjawisko interferencji) Dowolną wiązkę światła opisać można jako superpozycję monochromatycznych fal płaskich. 6

Wektor pola elektrycznego monochromatycznej EM fali płaskiej: gdzie: - wektor falowy określający kierunek propagacji,  - częstość kołowa,  - częstotliwość drgań pola elektrycznego, T - okres drgań,  - długość fali (światła). 7

• Światło jako zbiór fotonów (zjawisko fotoelektryczne) Energia fotonu fali EM: gdzie: h - stała Plancka (6.62559 10 -34 J s). 8

Umowny podział zakresu fal EM ze względu na długość fal, procesy emisji i sposoby detekcji nazwa zakresu zakres długości temperatura źródła termicznego [K]  < 0.1 nm > 108 X 0.001  100 nm 1010  105 UV 10  300 nm 106  5 104 Visual 0.3  1 mm 5 104  104 IR 1 mm  1 mm 104  10 MW 1 mm  3 cm 10  0.5 R 1 mm  30 m 10  5 10-4 9

Podstawowe definicje i jednostki fotometryczne (radiometryczne) ŚWIATŁOŚĆ - natężenie źródła światła to podstawowa wielkość fotometrii wizualnej. Określa ją stosunek strumienia świetlnego dF wysyłanego przez źródło punktowe (lub element źródła niepunktowego) w infinitezymalnie małym stożku do kąta bryłowego d tego stożka: I = dF/d Jednostką światłości jest kandela. Odpowiednikiem światłości w fotometrii fizycznej jest światłość energetyczna, której jednostką jest wat na steradian (Wsr -1). KANDELA [z łac. świeca], (oznaczenie cd) jednostka światłości. Jest to światłość, którą ma w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstotliwości 5,4 1014 Hz i którego natężenie w tym kierunku jest równe (1/683) Wsr -1. Definicję kandeli ustalono na XVI Generalnej Konferencji Miar w 1979 roku. 10

STRUMIEŃ ŚWIETLNY to wielkość fizyczna równa mocy promieniowania ocenianej na podstawie wywoływanego przez to promieniowanie wrażenia świetlnego. dF = I d Jednostką strumienia świetlnego jest lumen. LUMEN [z łac. światło, jasność], (oznaczenie lm) to jednostka strumienia świetlnego w układzie SI. Jest to strumień świetlny wysyłany w kącie bryłowym 1sr przez punktowe źródło światła o światłości 1 cd; 1 lm = 1 cd  1 sr. NATĘŻENIE OŚWIETLENIA to stosunek strumienia świetlnego padającego na oświetloną powierzchnię do wielkości tej powierzchni. E = dF / dS Jednostką natężenia oświetlenia jest luks. Odpowiednikiem natężenia oświetlenia w fotometrii fizycznej jest energetyczne natężenie oświetlenia, którego jednostką jest W/m2. LUKS [z łac. światło, blask], (oznaczenie lx), jednostka natężenia oświetlenia w układzie SI. Jest to natężenie oświetlenia wytworzone przez strumień 1 lm na pow. 1 m2; 1 lx = 1 lm / 1m2 11

Fizyczne natężenie promieniowania EM (intensity, specific intensity) Jest to ilość energii niesiona przez promieniowanie EM w zakresie częstotliwości od  do +d (od v do v+dv), przez infinitezymalny element powierzchni , umieszczony w punkcie , w infinitezymalny element kąta bryłowego d wokół kierunku , w przedziale czasu od t do t+dt. stąd: 12

Jednostką fizycznego natężenia promieniowania jest (do wyboru): J m-2 sr-1 s-1 m-1, lub: J m-2 sr-1 s-1 m-1, lub: J m-2 sr-1 s-1 nm-1, lub: W m-2 sr-1 nm-1, lub: J m-2 sr-1 s-1 Hz-1, lub: W m-2 sr-1 Hz-1 itd.. Czy natężenie promieniowania powiązane jest z wektorem pola elektrycznego (magnetycznego) fali EM ? Yes, Yes, Yes !!! Poprzez wektor Pointinga. 13

Fizyczny strumień promieniowania EM Jest to ilość energii niesiona przez promieniowanie EM w zakresie częstotliwości od  do +d (od v do v+dv), przez infinitezymalny element powierzchni , umieszczony w punkcie , w przedziale czasu od t do t+dt. Jednostką fizycznego strumienia promieniowania jest (do wyboru): J m-2 s-1 m-1, lub: J m-2 s-1 nm-1, lub: W m-2 nm-1, lub: W m-2 Hz-1 itd.. 14

Co „widzi” jednokanałowy detektor fal EM (światła) ? Jeżeli rozkład czułości po powierzchni detektora wynosi S(x,y) , a jego charakterystyka czułości spektralnej opisana jest funkcją t() wtedy podczas ekspozycji trwającej T zarejestruje on następującą ilość energii: Powierzchnia detektora 15