Analisi d’immagine

 

L'analisi delle immagini consiste nell'estrazione di informazioni da immagini di una scena reale; si basa sulla possibilità di formulare una rappresentazione matematica della distribuzione degli elementi di un'immagine.

Formazione delle immagini

Le immagini sono generate dalla combinazione di una sorgente di energia e dalla riflessione (per immagini a raggi X: assorbimento) dell'energia emessa dalla sorgente da parte di oggetti di una scena. Occorre un “sensore” sensibile all'energia prodotta dalla sorgente che raccolga l'energia “irradiata” dalla scena.

Nella maggior parte dei casi è coinvolta l'energia elettromagnetica (immagini “visibili”, immagini all'infrarosso, radar, raggi X etc.), ma si hanno anche immagini di altra natura (basate ad esempio su ultrasuoni) o patterns di illuminazione generati dal computer. L'energia coinvolta nella formazione dell'immagine è energia radiante che consiste di due campi di forza, elettrico e magnetico, ortogonali tra loro e rispetto alla direzione.

L'energia radiante si propaga nello spazio mediante onde di lunghezza variabile. Per casi specifici come la microscopia elettronica e il gamma imaging le immagini prodotte come distribuzione di quantità non visibili vengono opportunamente trasdotte in immagini visibili da opportuni dispositivi chiamati fotoconvertitori.

Le condizioni tipiche necessarie affinché una scena sia rappresentabile da un'immagine sono rappresentate dall'interazione della scena con le radiazioni elettromagnetiche, da un sensore che raccolga la radiazione riflessa dalle superfici degli oggetti e la proietti sul piano immagine.

In situazioni non tipiche si hanno altre sorgenti per la formazione dell'immagine diverse dalla radiazione. Si può avere la formazione di un'immagine tramite raggi X, ciò che l'immagine riproduce è la distribuzione spaziale dell'energia assorbita dagli oggetti che compongono la scena, o anche tramite la microscopia elettronica dove un fascio di elettroni colpisce la scena; l'energia degli elettroni riflessi (secondari) viene convertita in energia elettromagnetica e forma l'immagine

C'è da tenere presente, inoltre, che punti diversi sulle superfici degli oggetti avranno nell'immagine valori diversi di intensità in funzione della quantità di energia radiante incidente sulla superficie, del modo in cui esse riflettono, del modo in cui l'energia riflessa è raccolta dal sensore, del modo in cui il sensore risponde all'energia con cui è colpito.

Immagine digitale

Perché le immagini siano elaborate al computer occorre trasformarle in una rappresentazione numerica/digitale, attraverso un processo chiamato digitalizzazione. Il problema di questa è che nella natura la distribuzione di energia elettromagnetica è continua (campo dei numeri reali:  \Bbb{R} ), nell'elaborazione digitale si ha una rappresentazione digitale (anello dei numeri interi  \Bbb{Z} ). La definizione di algoritmi per l'elaborazione delle immagini deve porsi a valle di considerazioni legate al mondo fisico (proprietà intrinseche dell'entità rappresentata) al modello del sensore ed al modello percettivo del fruitore dell'immagine.

Dopo questa premessa si comprende appieno il bisogno di affinare degli algoritmi di conversione analogico digitale per due finalità:

  • Miglioramento della qualità delle immagini ai fini di una ispezione ed interpretazione visuale da parte di esperti
  • Elaborazione ai fini di un riconoscimento automatico dei contenuti di un'immagine.

Questi studi vengono approfonditi da due discipline:

  1. Computer vision, disciplina che si pone l'obiettivo di definire tecniche computazionali per la definizione esplicita delle proprietà del mondo 3D a partire da una o più immagini
  2. Grafica computazionale, disciplina che si pone l'obiettivo di definire tecniche computazionali per la generazione di immagini a partire dai modelli (2D o 3D).

Computer Vision o Visione artificiale

La visione artificiale è l'insieme dei processi che mirano a creare un modello approssimato del mondo reale (3D) partendo da immagini bidimensionali (2D).

Lo scopo principale della visione artificiale è quello di riprodurre la vista umana. Vedere è inteso non solo come l'acquisizione di una fotografia bidimensionale di un'area ma soprattutto come l'interpretazione del contenuto di quell'area. L'informazione è intesa in questo caso come qualcosa che implica una decisione automatica.

Un sistema di visione artificiale è costituito dall'integrazione di componenti ottiche, elettroniche e meccaniche che permettono di acquisire, registrare ed elaborare immagini sia nello spettro della luce visibile che al di fuori di essa (infrarosso, ultravioletto, raggi X, termica, ecc.).

Il risultato dell'elaborazione è il riconoscimento di determinate caratteristiche dell'immagine per varie finalità di controllo, classificazione eventi, selezione degli stessi, allarmi, catalogazione, ecc.

Sistema di visione

Un Sistema di Visione è costituito da diverse componenti:

  • telecamere e ottiche
  • sistema di illuminazione
  • l'oggetto da esaminare
  • il sistema di acquisizione e di elaborazione dell'immagine
  • le interfacce uomo macchina
  • le interfacce con l'ambiente esterno
  • la trasmissione degli eventi
  • la registrazione
  • la produzione di segnali

Questi segnali verranno digitalizzati, elaborati e memorizzati.

Le immagini, catturate e rese in questo modo "comprensibili" da un calcolatore, potranno quindi essere elaborati con un apposito software che comprende particolari algoritmi di calcolo ed analisi, in grado di individuare le caratteristiche dell'immagine e amplificarne alcuni aspetti - ad esempio contorni, spigoli, forme, strutture - allo scopo di eseguire i controlli e le verifiche per i quali il sistema è stato concepito.

Sulla base dei risultati dell'elaborazione il sistema potrà anche prendere autonomamente delle decisioni in merito alla destinazione degli elaborati e decidere di inviare comandi o allarmi opportunamente programmati per i relativi eventi.

Alcune applicazioni

  • Controllo oggetti autonomi
  • Individuazione di eventi (video sicurezza)
  • Organizzazione di informazioni (indicizzazione di database di immagini e sequenze di immagini)
  • Modellazione di oggetti o ambienti (ispezioni industriali, analisi di immagini in ambiente medico e modellazione topografica)
  • Interazione (input in un dispositivo per l'interazione tra l'uomo e il computer)
  • Controllo veicoli autonomi come sommergibili, aerei, missili, ecc.:
  • Ambito medico, diagnosi di un paziente
  • Studi intedisciplinari con la neurobiologia

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