MODULE 1 Lecture d image; Viualiation d image TÉLÉDÉTECTION Françoi Cavaya GEO2522 NUMÉRIQUE
LECTURE ET VISULALISATION DES IMAGES 1. Lecture de fichier image Depui pluieur année maintenant le fournieur d image de télédétection tructurent leur fichier-image tranféré chez l utiliateur elon de tandard internationaux. Le format du Committee on Earth Obervation Satellite (CEOS) ou le Hierarchical Data Format ont le plu répandu. D autre format tandard comme le Tiff, GEOtiff, et JPG ont aui utilié. Le logiciel commerciaux de traitement d image contiennent de «paerelle» permettant de traduire une multitude de format elon leur propre pécification d archivage d image. Lorque le image comprennent pluieur compoante (canaux) et lorque d autre ont ajoutée uite à de traitement, le format le plu ouvent employé par ce logiciel ont : le BSQ, le BIP ou le BIL : BIP (Band Interleaved by Pixel): entrelacement par pixel, chaque pixel de chacune de bande uit l autre, BIL (Band Interleaved by Line) : entrelacement par ligne, chaque ligne de chacune de bande uit l autre, BSQ (Band Sequential) : entrelacement de bande, chaque bande uit l autre. BIP Band Interleaved by Pixel Entrelacement par pixel BIL Band Interleaved by Line Entrelacement par ligne BSQ Band Sequential Bande Séquentielle Entête (X octet) Entête (X octet) Entête (X octet) P1,L1 (B1) (M octet) L1 (B1) [M octet] B1 (MxN octet) P1,L1 (B2) (M octet) L1 (B2) [M octet] B2 (MxN octet) P1,L1 (B3) (M octet) L1 (B3) [M octet] Bn (NxN octet).. Pm,Ln (B1) (M octet) Ln (B1) [M octet] Pm,Ln (B2) (M octet) Ln (B2) [M octet] Ln (B3) Pm,Ln (B3) (M octet) [M octet] (P : Pixel; L : Ligne; B : Bande; M: Nombre de colonne; N : Nombre de ligne) 1
2. Viualiation de fichier image La viualiation de image et une étape primordiale pour divere raion : contrôle de qualité, analye viuelle rapide pour la reconnaiance de élément du payage préent ur le image, conception de l approche à uivre pour le traitement et le analye, prie de meure directement à l écran d ordinateur, etc. Quelque détail ur cette étape fondamentale ont donné par la uite. La taille de l image : Le image à afficher ont ouvent de dimenion qui dépaent largement l epace d affichage autorié par la carte graphique de l ordinateur. Il et alor impoible d afficher l image entière à l échelle, c et-à-dire 1 pixel de l image pour 1 pixel de l epace réervé à l affichage de image ur l écran. La plupart de logiciel de traitement d image le plu évolué permettent de faire de zoom-avant ou zoom-arrière pour viualier l entièreté de l image ou une portion d elle. Pour ce faire il ajutent contamment le facteur de décimation (zoom-arrière) ou de duplication (zoom-avant) en fonction de paramètre d affichage et de la taille de l image afin de maintenir le ratio (apect) largeur/hauteur de l image d origine. Un facteur de décimation ignifie qu un certain nombre de ligne et/ou de colonne de l image ne ont pa affichée tandi qu un facteur de duplication, qu un certain nombre de ligne et/ou de colonne ont dupliquée. La figure 1 montre un exemple avec une image de 498 x 42 pixel affichée dan Focu de GEOMATICA. Dan un premier temp le bouton «overview» (fig. 1) a été cliqué et par la uite le bouton «Zoom to 1 :1 Image Reolution». Le premier montre l entièreté de l image en préervant l apect de l image avec une optimiation de l epace d affichage diponible. Le deuxième permet de voir l image à pleine réolution (ou preque), i.e. un pixel de l écran correpond à 1 pixel de l image. 2
Figure 1 Affichage de l image, logiciel PCI-GEOMATICA Autant pour le «zoom avant» que pour le «zoom arrière» de technique pécifique peuvent être appliquée pour obtenir un meilleur réultat viuel (méthode de pyramide, entrelacement par zéro, etc.). La figure 2 donne un exemple de «zoom arrière» avec une méthode de prie de la moyenne. Pour a part la figure 4 illutre l application de l interpolation pour effectuer le «zoom avant». Dan cette illutration la technique dite d entrelacement par zéro et utiliée pour générer une image à plu grande échelle. Cette technique et expliquée par un exemple arithmétique à la figure 3. 3
Affichage : 512 x 512 256 x 256 64 x 64 32 x 32 Figure 2 Zoom arrière an décimation avec la méthode de pyramide : à chaque échelle le image préervent le variation graduelle de la brillance de l image originale. Une image à une échelle quelconque ert à produire une nouvelle image à plu petite échelle en regroupant e pixel 2x2 et en attribuant leur valeur moyenne au nouveau pixel (logiciel PCI) 1 2 1 15 2 1 1 15 2 1 1 15 2 1 1 2 12,5 17,5 22,5 11,25 13 18 23 11 15 25 15 25 15 2 25 12,5 15 2 25 12,5 15 2 25 13 7,5 1 12,5 6,125 8 1 13 6 Échelle X Entrelacement par zéro Interpolation colonne Interpolation ligne Valeur arrondie pour obtenir une image à 8 bit à l échelle 2X Figure 3 Exemple de la technique d entrelacement par zéro et d interpolation linéaire pour l agrandiement de l échelle de l image 4
(a) (b) (c) Figure 4 Zoom avant an duplication par la méthode de pyramide (entrelacement par zéro) : a) image originale, b) image agrandie 4X; c) extrait agrandi 8X, à gauche avec duplication de valeur de pixel, à droite avec pyramide; voir Pratt (1991) pour d autre méthode d interpolation (Programmation) 5
2.1 Affichage d image monochrome Toute le carte graphique permettent aujourd hui l affichage d image monochrome avec une profondeur de 8 bit (256 niveaux de gri). Cependant il arrive trè ouvent que l étendue de niveaux de gri de l image oit relativement retreinte. Ceci et dû à pluieur facteur comme le effet atmophérique, le effet d'illuation, l'intervalle ouvent retreint de réflectance de objet pour un territoire donné, la réolution radiométrique de capteur, etc. D'autre part l'œil ne peut ditinguer qu'une dizaine de niveaux de gri (2 à 3 elon d autre). La concentration de valeur de niveaux de gri dan un faible intervalle donne donc l'impreion d'un faible contrate viuel lorque l'image et affichée ur un écran ordinateur ou elle et imprimée. Ce problème ont illutré par la figure uivante où deux objet de forme carrée ont placé côte à côte. Plu la différence de leur valeur numérique et grande, plu on a de la facilité de le percevoir comme de objet différent. 59 6 49 7 39 8 29 9 Ditinction entre deux objet adjacent elon l'écart de leur valeur numérique Certain algorithme dit d accentuation de contrate permettent de reditribuer le valeur de pixel de orte qu elle occupent l enemble de l échelle de gri aidant aini à la meilleure perception du contenu d une image. Ce algorithme opèrent oit par étirement de l hitogramme ou par modification de l hitogramme (tab. 1). De exemple ont donné dan le figure 5 et 6. 6
Tableau 1 Différente fonction d accentuation du contrate de image Modification du contrate par étirement de l hitogramme : on reditribue le valeur de niveaux de gri d origine dan l intervalle entre et ou entre un imum et un maximum quelconque Le principe : Une fonction de tranfert T g et pécifiée. La valeur d un pixel quelconque de l image d entrée g e[i,j] et alor tranformée à la valeur de ortie g [i,j] en e ervant de la fonction T g. Le valeur imum et maximum de image d entrée et de ortie ont fixée par l utiliateur. Exemple de fonction de tranfert Formulation Icône GEOMATICA Aucune fonction n et appliquée, la ditribution de valeur et celle de l image d origine None Fonction de tranfert linéaire e gmax g ge g g e e Linear gmax g Fonction de tranfert racine carrée Fonction de tranfert carrée Fonction de tranfert par morceaux g max g g g g e g e gmax g g g g e g e max g e e 2 g max g ge g e e 2 g g max g L étendue de niveaux de gri de l image d entrée et découpée en plage et pour chaque plage une de fonction précédente et appliquée Root Square VISIBLE SEULEMENT APRÈS EDIT LUT voir plu loin Acceible eulement aprè EDIT LUT Vor plu loin Modification du contrate par modification de l hitogramme : on affecte la forme de l hitogramme en reditribuant le valeur entre un imum et maximum quelconque Le principe : l hitogramme de fréquence cumulative de l image d entrée F(ge) et calculé; la fonction de tranformation baée ur cet hitogramme et alor pécifiée de orte que l image de ortie ait un hitogramme de fréquence relative f(g) avec la ditribution déirée (pour une lite de telle ditribution voir par exemple Pratt 1991). Exemple Forme déirée de l hitogramme Formulation Icone GEOMATICA Ditribution 1 f g g g gmax g g max gfge g uniforme gmax g (Égaliation de Equalize l hitogramme) Note ur l égaliation de l hitogramme : Dan ce ca l hitogramme de l image d entrée et modifié de orte qu il approche un hitogramme uniforme, c et-à-dire chaque niveau de gri de l image de ortie a la même fréquence d occurrence que tou le autre niveaux. Par exemple i nou avon une image de 512x512 pixel et on exprime l image de ortie en 8 bit, chaque niveau de gri doit avoir le (1/256)ième de 262 144 pixel, ou 124 pixel. Dan la pratique ceci n arrive jamai car l image et exprimée elon une échelle de niveaux de gri dicrète et non continue. Aini dan notre exemple, de niveaux de gri de l image de ortie peuvent être inoccupé et d autre peuvent avoir un nombre de pixel plu grand ou plu petit que 124. g e g T g i, j T g i j g e, e g max 7
Ditribution exponentielle Ditribution de f g a exp ag g g g a et une contante à définir par l utiliateur g g g g Rayleigh f g exp g g 2 a 2 2a 2 1 g g ln1 Fge a g g a et une contante à définir par l utiliateur Autre méthode propoée par GEOMATICA Modification Adaptatif Compte tenu de problème avec l égaliation de l hitogramme (voir Note tableau précédent) On combine étirement linéaire et égaliation de l hitogramme elon de intervalle de niveaux de gri de l image d origine en fonction de la fréquence cumulative de niveaux de gri. Le critère utilié pour définir ce intervalle ne ont pa décrit dan GEOMATICA Valeur non Le valeur de niveaux de gri le moin fréquente dan fréquente l image apparaient plu brillante et le valeur le plu fréquente foncée. Aini on peut percevoir quelque détail fin ur l image car l œil et attiré ver ce endroit. 1 2 2 a ln 1 Fge 1 2 N/D N/D Icone GEOMATICA Adaptative Infrequency La notion de modification de l hitogramme et plu claire i l on édite la table de correpondance (Look Up Table ou LUT) entre le niveaux de gri de l image d entrée et ceux de l image de ortie Application ur l enemble de l image ou ur la portion viible ur l écran Échelle de gri: image de ortie Hitogramme de l image de l entrée et de l image de ortie ont le même Fonction de tranfert Échelle de gri : image d entrée 8
Le valeur de pixel ont ditribuée dan un court intervalle de 8 valeur (de 7 à 15 environ) ur 256 valeur poible. L image apparaît peu contratée à no yeux Accentuation du contrate par morceaux. Le valeur inférieure à 8 prennent la valeur zéro à l image de ortie, le valeur entre 8 et 17 ont étirée par une fonction linéaire, le valeur upérieure à 17 prennent la valeur à l image de ortie. Sur la figure nou pouvon ditinguer la fonction de tranfert aini que le hitogramme de image d entrée et de ortie. Accentuation du contrate par morceaux. Le valeur inférieure à 8 prennent la valeur zéro à l image de ortie, le valeur entre 8 et 17 ont étirée par une fonction carrée, le valeur upérieure à 17 prennent la valeur à l image de ortie. Sur la figure nou pouvon ditinguer la fonction de tranfert aini que le hitogramme de image d entrée et de ortie. Figure 5 : Accentuation du contrate par étirement de l hitogramme. Dan cet exemple le but et d accentuer le contrate de la urface terretre au détriment du contrate à l intérieur de urface d eau. L accentuation par morceaux et de mie ici. L étirement par fonction carrée offre dan ce ca concret une image plu «plaiante» à regarder que la fonction linéaire (logiciel PCI). 9
Figure 6 Application de technique d accentuation du contrate par modification de l hitogramme (tab. 1), du haut ver le ba : 1 ère rangée) l image originale et on hitogramme; 2 ème rangée) image dérivée avec hitogramme uniforme : accentuation ur toute l étendue de l image originale, 3 ème rangée) image dérivée avec hitogramme exponentiel (a=.2) : accentuation urtout de la plage de valeur moyenne de l image originale, 4 ème rangée) image dérivée avec hitogramme de Rayleigh (a=7.5) : accentuation urtout de valeur bae et moyenne de l image originale. Il et à noter qu une forme exacte de l hitogramme elon la fonction de ditribution déirée ne peut pa être obtenue car nou travaillon à partir de valeur dicrète. De plu dan cet exemple l hitogramme préente deux mode caractéritique (Programmation). 1
Comme il a été quetion dan le note ur le image numérique, la tendance actuelle et l acquiition de image à 11, 12 et même 16 bit (ex. image IKONOS, QuickBird, RADARSAT). La plupart du temp eulement le logiciel commerciaux dédié au traitement d image de télédétection ont en meure de «lire» et d «écrire» ce image et de compreer automatiquement leur échelle de gri afin de permettre la viualiation en 8 bit. Le algorithme de compreion de l échelle de gri ont appelé algorithme de rééchelonnement («caling») Le plu imple et celui de rééchelonnement linéaire. Ici le valeur numérique en 16 bit ont diviée par 256, en d autre mot 256 niveaux de gri conécutif ur une échelle de 65536 niveaux ont compreée à 1 niveau de gri à de fin d affichage. Une compreion imple «linéaire» peut cependant affecter le contrate urtout i le valeur de pixel ne ont pa uniformément ditribuée. Ceci et montré à la figure 7 avec un extrait d une image RADARSAT. Dan la figure 7a il et impoible d apercevoir grande choe. L utiliateur doit donc trouver, ouvent par eai erreur, une méthode de compreion qui permet de mieux apprécier le contenu d une image à plu de 8 bit. Ce qui et montré par le figure 7b et c. D une façon interactive, il et préférable d utilier Edit LUT pour mieux ajuter la modification du contrate. Un exemple avec un étirement linéaire par morceaux où l on utilie un étirement linéaire entre le valeur d entée 3 et 18 (ortie toujour entre et ). On oberve que le marque noire en abcie e ont maintenant déplacée. L hitogramme d origine apparaît au fond en gri tandi que l hitogramme aprè modification du contrate apparaît en rouge. Nou pouvon utilier le outil graphique pour deiner notre propre fonction de tranfert. 11
(a) Compreion linéaire par imple diviion de valeur numérique en 16 bit par 256. L hitogramme en 8 bit préerve la forme de celui en 16 bit mai l image réultante montre qu une autre fonction de tranformation et néceaire pour rendre le contenu perceptible à no yeux. (b) Compreion de l image avec une fonction de tranformation qui donne à l hitogramme de l image de ortie la forme approximative d une ditribution Gauienne (normale). La valeur médiane de l image d entrée et tranformée à la valeur milieu (ici 127) de l entendue de l image de ortie. (c) Compreion de l image avec une fonction de tranformation qui rend l hitogramme de l image de ortie uniforme (égaliation de l hitogramme) Figure 7 Rééchelonnement de valeur d une image RADARSAT-1 (mode fin) en 16 bit elon différente fonction de tranformation. L étendue de l image de ortie et conidérée ici l enemble de l échelle en 8 bit (-) (logiciel PCI) 12
Un affichage alternatif d image monochrome et celui par peudocouleur. Ici de plage de teinte de gri ont remplacée par de couleur. En effet, l homme a une plu grande capacité de différencier le objet par leur couleur que par le teinte de gri. Aini le remplacement de teinte de gri par de couleur permet de mieux percevoir le contenu de l image. Pour générer une couleur ur l écran nou utilion le principe de l addition de couleur primaire : bleu, vert et rouge (fig. 8). La plupart de carte graphique permettent de générer de image couleur en 24 bit pour un total poible de 16 777 216 couleur. Cette opération et mieux adaptée pour le image en 8 bit. Couleur Rouge Vert Bleu Roe clair Roe Magenta Rouge Rouge foncé Orangé clair Orangé Jaune Vert foncé Vert forêt Vert Bleu Turquoie Turquoie foncé Cyan Figure 8 Formation de différente couleur en combinant le troi couleur primaire bleu, vert et rouge (affichage d une image couleur en 24 bit). 2.2 Affichage d image multibande Comme précédemment avec le peudo-couleur nou utilion le troi couleur primaire mai cette foi ci la couleur repréente la variation conjointe de la valeur numérique de chaque pixel dan troi canaux différent. Aini un pixel avec une valeur numérique comparable dan le troi canaux apparaîtra dan une tonalité de grié (du noir au blanc); un pixel avec une forte valeur dan une bande apparaîtra avec une couleur doante qui et celle correpondante à la couleur primaire que nou avon aignée à cette bande particulière. Certain exemple de combinaion poible avec le bande pectrale du capteur ETM+ de Landat-7 ont été préenté dan le note ur le image numérique. 63 127 63 127 63 63 127 127 63 13