עיבוד תמונה

עיבוד תמונה הוא תחום במדעי המחשב, מתמטיקה שימושית, הנדסת חשמל ואלקטרוניקה העוסק בעיבוד של תמונות ובמניפולציות שונות עליה. לרוב העיבוד נעשה בתחום הדיגיטלי לאחר שהתמונה כבר נדגמה אך שם התחום כולל גם עיבוד תמונה אופטית במערכות אופטיות בהם נעשה שילוב של עיבוד ספרתי ואנלוגי.

יישומים

בתחום זה עוסקים בקביעת פורמטים שונים לאחסון תמונות, במיוחד אלו העוסקים בדחיסה ובפריסת קובץ התמונה, בפילטרים ובעיבודים נוספים של התמונות, כמו שיפור איכות ירודה של תמונה. בתחום הזה ישנו ענף של זיהוי צורות, כדי שעבודת העיבוד תהיה אוטומטית. 
אחד היישומים הנפוצים ביותר בתחום, הוא שינוי רזולוציה של תמונה, סיבובה או היפוכה (ראו תמונה עליונה). גם המנגנון של הסרת עיניים אדומות מהתמונה, שקיים היום ברוב התוכנות הנפוצות לעיבוד תמונה, הוא יישום די נפוץ. תחום המצלמות הדיגיטליות שהתפתח בשנים האחרונות, הזריק דם חדש בתחום הזה, ותוכנות לעיבוד תמונה נפוצות היום, כמעט כמו תוכנות לעיבוד תמלילים.

עקרון

כל קובץ תמונה מורכב מנקודות זעירות הקרויות פיקסלים. ככל שיש יותר נקודות ביחידת שטח, כך הרזולוציה של התמונה גבוהה יותר, והתמונה תראה חדה יותר. ככל שנקודה יכולה לתת טווח יותר גדול של צבעים, כך עומק הצבע גדול יותר, והתמונה תראה ריאליסטית יותר. הנתונים הללו מאוחסנים כמו שהם בקובץ Bitmap (תמונת מפת סיביות), שבו יש יצוג מספרי לכל נקודה בתמונה, או שנדחסים באמצעות אלגוריתם מיוחד ונשמרים בקבצים דחוסים כדוגמת JPG. בכל תהליך של שמירה ופתיחה בקבצים דחוסים, התוכנה משתמשת בתהליך עיבוד מיוחד, שיודע לדחוס את נתוני התמונה תוך איבוד מינימלי של מידע.

ביצוע עיבוד תמונה

מערכת עיבוד תמונה בסיסית מורכבת מדוגם תמונה המחובר למחשב המסוגל לאחסן את התמונה בזיכרון ואחר כך לעבד אותו באמצעות תוכנה מתאימה המסוגלת לנהל את הדגימה, את התצוגה של התמונה ולבצע את האלגוריתמים השונים.
התמונה הנדגמת תופיע בזיכרון בצורת מטריצה דו ממדית , כל איבר במטריצה הוא פיקסל. כל פיקסל מכיל אינפורמצייה על רמת האור שהפיקסל הזה נחשף לה בזמן הצילום. הרזולוצייה נקבעת על ידי צפיפות הפיקסלים על חיישן המצלמה, ואם דוגמים ומייצגים פיקסל בבייט (8 ביט) זה אומר שכל פיקסל מייצג אחד מ־256 רמות אפור.
במקרה של טיפול בתמונה צבעונית משתמשים לרוב ב־RGB ‏(Red Green Blue) ואז ישנן שלוש מטריצות:  
לצורך שיפור תמונה משתמשים בחיבור בין פילטר המתוכנן לתוצאה שרוצים להשיג לבין התמונה. לרוב הפילטר יהיה קטן בממדים מהתמונה ואז כדי לייצר את מטריצת החיבור מציבים את הפילטר על התמונה, מצמידים אותה לפיקסל 0,0  (שהוא בדרך כלל הפיקסל השמאלי עליון), מבצעים מכפלות בין הפיקסלים, מסכמים את כל המכפלות ומקבלים מספר המוצב במקום 0,0 במטריצת התוצאה. מזיזים את הפילטר פיקסל אחד לימין (ב־X) מחשבים באותה דרך את המספר שיוצב במקום ה־1,0 וכך עד שמסיימים את השורה (הטיפול בעמודות דומה).
צריך לשים לב לכך שמטריצת היציאה קטנה בממדיה מהתמונה, אם גודל התמונה הוא X,Y וגודל הפילטר M,N אזי גודל מטריצת היציאה יהיה 1+X-M+1 ,Y-N.

פילטר המחליק רעש לבן (רעש בתדר מרחבי גבוה)

פיקסל במקום x,y במטריצת היציאה יהיה:
אפשר לראות שהתוצאה היא שכל פיקסל ביציאה יהיה ממוצע של 4 פיקסלים מהתמונה וזה ימצא רעש בתדר גבוה, אם תדר הרעש נמוך יותר (נקודות רעש גדולות יותר) אפשר יהיה לבחור מטריצה גדולה יותר שהמשמעות תהיה מיצוע שטחים גדולים יותר.

פילטר המבליט רק את השינויים בתמונה

פילטר זה מתקבל לאחר פעולת סכימה בין 4 פילטרי נגזרת שנייה הבאים:
נגזרת שנייה בציר ה- X:
נגזרת שנייה בציר ה- Y:
נגזרת שנייה אלכסונית:
נגזרת שנייה אלכסונית בכיוון השני:
אפשר לראות שאם אין שינויים בתמונה הפילטר המאוזן הזה יפיק אפס, כדי לקבל ערך כלשהו בתמונה חייבים להיות שינויים.
פילטר פופולרי זה ידוע בכינויו "לפלסיאן" (laplacian).