עיבוד תמונה

עיבוד תמונה הוא תחום במדעי המחשב, מתמטיקה שימושית והנדסה שעוסק בעיבוד ומניפולציה של תמונות. בדרך כלל העיבוד נעשה בדיגיטל אחרי דגימת התמונה, אך יש גם עיבוד אופטי שמשלב אלמנטים אנלוגיים וספרתיים.


עיבוד תמונה נעשה לשתי מטרות עיקריות. הראשונה היא שיפור התמונה: הורדת רעש, חידוד, ריטוש, ותיקון צבעים. השנייה היא הסקת מסקנות מהתמונה: מדידות, זיהוי פגמים, זיהוי תנועה וסיווג אובייקטים.

בתעשייה משתמשים בעיבוד תמונה לבדיקת איכות ולזיהוי פגמים. בתחום הביטחון הוא מסייע בזיהוי תנועה וסיווג צורות. בקהל הרחב, תוכנות עיבוד תמונה משפרות תמונות שצולמו.


התחום כולל קביעת פורמטים לאחסון תמונות, שיטות דחיסה, ושיפורי איכות לתמונות ירודות. ענפי זיהוי צורות ותהליכי דחיסה הפכו את כלי עיבוד התמונה לרחבים ונפוצים. פעולות נפוצות הן שינוי רזולוציה, סיבוב, היפוך והסרת "עיניים אדומות".


תמונה דיגיטלית בנויה מפיקסלים, נקודות קטנות שכל אחת מהן שומרת ערך אור או צבע. רזולוציה היא מספר הפיקסלים ביחידת שטח; יותר פיקסלים, יותר חדה התמונה. עומק צבע הוא טווח הגוונים שכל פיקסל יכול לייצג.

ייצוג פשוט הוא במפת סיביות (Bitmap), שבו כל פיקסל מאוחסן כמספר. יש קבצים דחוסים כמו JPG שמפחיתים מקום אחסון בעזרת אלגוריתם, בדרך כלל עם איבוד קטן של מידע.

בתמונה צבעונית משתמשים ברכיבים RGB, שלוש שכבות נפרדות של צבעים: אדום, ירוק וכחול. כל שכבה היא מטריצה דו־ממדית של פיקסלים.


מערכת טיפוסית כוללת חיישן דגימה, מחשב לזיכרון ותוכנה לעיבוד. תמונה מייצגים כמטריצה p[x][y], כאשר כל כניסה היא פיקסל.

לעיתים משתמשים בפילטר קטן שמזיזים על פני התמונה. בכל מיקום מוכפלות ערכי הפילטר בערכי הפיקסלים המקבילים, ומחברים את התוצאות. התהליך הזה נקרא קונבולוציה בדידה (convolution). קונבולוציה מאפשרת מיצוע, חידוד ועוד.

כאשר הפילטר גדול יותר ממארת התמונה, גודל מטריצת היציאה קטן יותר מאשר קלט.


פילטר שמחליק רעש: ממוצע של 2×2 פיקסלים. הפיקסל החדש הוא ממוצע של ארבעת הפיקסלים שמסביב.

פילטר המדגיש שינוי: פילטר 3×3 עם ערכים שמחברים נגזרות שניות. פילטר זה, שנקרא לפלסיאן (Laplacian), מדגיש גבולות ושינויים; באזורים חלקים הוא מניב אפס.

זיהוי תנועה: משווים בין שתי תמונות עוקבות ומחשבים את ההפרש המוחלט של כל פיקסל. אם לא התרחשה תזוזה, הפלט יהיה אפס. אלגוריתם זה מגלה כל תנועה ולכן נותן גם זיהויים שגויים מהרוח או ציפורים.

עיבוד תמונה עוזר לשנות תמונות במחשב. לפעמים משפרים תמונה. לפעמים מנסים למצוא משהו בתמונה.


מטרות עיקריות הן שיפור והתמצאות. שיפור אומר: להסיר רעשים, להבהיר ולתקן צבעים. התמצאות אומר: למצוא תזוזה, לזהות פגמים או לזהות צורות.

מכונות בתעשייה משתמשות בעיבוד תמונה כדי לבדוק מוצרים. אפליקציות בטלפון מסדרות תמונות שצולמו.


פועלים על פורמטים שונים של תמונה ושומרים אותן דחוסות. פעולות פשוטות הן לשנות גודל, לסובב ולהסיר עיניים אדומות.


תמונה בנויה מפיקסלים. פיקסל הוא נקודה קטנה בתמונה. רזולוציה היא כמה פיקסלים יש בתמונה. יותר פיקסלים עושים את התמונה חדה יותר.

צבעים בדרך כלל נשמרים ב־RGB. זה אומר שלכל צבע יש שלושה רכיבים: אדום, ירוק וכחול.


מאחסנים תמונה במחשב כמטריצה של פיקסלים. לפעמים שמים פילטר קטן על התמונה. הפילטר רואה כמה פיקסלים ועושה חיבור או ממוצע.


פילטר שמחליק רעש ממוצע פיקסלים קרובים כדי להחליף כל פיקסל. כך רעש קטן נעלם.

פילטר שמבליט קצוות מוצא הבדלים בין פיקסלים. הוא עוזר לראות גבולות של אובייקטים.

לזיהוי תנועה משווים שתי תמונות ומחפשים שינויים. אם משהו זז, המערכת תגיד שיש תנועה.