Fundamentos da Imagem
Digital
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Antonio Escaño Scuri |
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Tecgraf/PUC-Rio |
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2002 |
Conteúdo
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Aplicações |
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Conceitos Básicos |
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Resolução Espacial |
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Cor |
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Resolução Temporal |
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Captura |
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Visualização |
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Armazenamento |
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Processamento |
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Software |
Aplicações
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Sensoriamento Remoto |
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Microscopia. |
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Medicina. |
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Manutenção de obras de arte. |
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Identificação de impressões digitais. |
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Armazenamento de documentos. |
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Medidas de velocidade de escoamento de
fluidos. |
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Controle de qualidade. |
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Astronomia, Fotografia, Video, Efeitos
Especiais, etc. |
Aplicações.
Correção de Movimento
Aplicações.
Análise de Partículas
Aplicações.
Reconhecimento de Placas
Aplicações.
Visão - Juiz Virtual
Aplicações.
Medicina
Aplicações.
Efeitos Especiais
Conceitos Básicos
Contexto
Contexto
Contínuo x Discreto
Quantização
O Paradigma dos Quatro
Universos
Imagem neste Paradigma
A Imagem Fotográfica
A Imagem Contínua
A Imagem Contínua
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O que é Cor ? |
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Representação é Única ? |
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Perceptual x Físico |
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Aplicação do Paradigma para Cores |
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... |
A Imagem Digital
A Imagem Codificada
Resolução Espacial
Resolução Espacial
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Dado o tamanho da imagem (cm, in,
etc...), quantos valores discretos vão ser tomados? |
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no. pixels = resolução x tamanho |
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Unidades |
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DPI - “Dots per Inch”, Pontos por
Polegada |
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DPC - Pontos por Centímetro |
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Resoluções Típicas (Exemplos): |
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Monitor - 72 DPI |
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Scanner - 1200 DPI |
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Impressora - 600 DPI |
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Razão de Aspectos:
resolução horizontal = resolução
vertical |
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É também uma medida de Qualidade da
Amostragem |
Resolução
Espacial.
Tamanho x Resolução
Resolução
Espacial.
Topologia de um Pixel
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Vizinhança: |
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4 conectada
(eqüidistantes) |
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8 conectada
(nem todos eqüidistantes) |
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Hexagonal |
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Eixos: |
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Mais comum no canto superior esquerdo,
também usado no canto inferior esquerdo ou no centro. |
Resolução
Espacial.
Amostragem e Reconstrução
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Dados valores discretos, qual a função
contínua? |
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Re-amostragem = reconstrução+amostragem
com nova resolução |
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Zoom
¹
Resize |
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Warping e Morphing |
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Reconstrução = Interpolação |
Resolução
Espacial.
Interpolação
Resolução
Espacial.
Interpolação
Resolução
Espacial.
Aliasing
Resolução
Espacial.
Aliasing Espacial
Resolução
Espacial.
Aliasing em Desenho
Cor
Cor
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Radiação Eletromagnética |
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Colorimetria: |
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Estuda cor do ponto de vista físico. |
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Fotometria: |
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Estuda cor do ponto de vista
perceptual. |
Cor Física
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Luz: |
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Natureza Dual |
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Processos de Formação de Cor: |
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Aditivo (Issac Newton - Prisma,
Monitor) |
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Subtrativo (Filtros Fotográficos,
Slides) |
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Pigmentação (Pintura) |
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Combinação de Processos (Impressão
Offset) |
Cor Perceptual
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Olho Humano: |
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Bastonetes: percepção de intensidade,
visão noturna, detalhes laterais. |
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Cones: percepção de cor, três tipos
valorizando respectivamente Azul, Verde e Vermelho (Red, Green, Blue - RGB).
Visão direta. |
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Resposta Logarítmica à Intensidade
=> Correção Gamma |
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Interação entre Sensores (Inibição
Lateral) => Contraste Simultâneo e Mach Band |
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Duas cores fisicamente distintas podem
parecer idênticas => Metamerismo |
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Espectro Visível: 380nm à 780nm. |
Luminância e Crominância
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A cor é enviada para o cérebro em dois
canais um uni-dimensional contendo informação de luminância e outro bi-dimensional
contendo informação de crominância. |
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O eixo de luminância é perpendicular ao
eixo de crominância, definindo um espaço de cor. |
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(Obs: Brightness, Lightness, etc... são
magnitudes referentes à Luminância.) |
Amostragem e
Reconstrução de Cor (Resumo)
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Dadas as primárias do emissor Pk(l) |
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Define-se uma cor de referência em
função das primárias wk |
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Obten-se as funções de reconstrução de
cor a partir de experimentos usando a cor de referência |
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Agora.... |
Amostragem e
Reconstrução de Cor (Resumo)
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Dada uma cor qualquer, obtemos suas
componentes a partir das funções de reconstrução. |
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Para reconstruir a cor usamos a
equação: |
Cor no Paradigma dos 4
Universos
Padronização para Cor
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CIE RGB (1931): |
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define primárias Pr(l), Pg(l) e Pb(l) |
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Experimentos de Cor => define um
observador padrão e obtém as funções de reconstrução de cor Ck(l) deste observador,
variando l
para todo espectro visível. |
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Observador Padrão CIE
CIE XYZ
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CIE RGB: contém valores negativos |
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CIE XYZ: |
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todas as componentes das cores visíveis
não devem ser negativas |
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duas primárias devem ter luminância
zero |
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um maior número de cores espectrais
deve possuir pelo menos uma componente zero. |
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Define base de primárias fora do
visível. |
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Possui cores que não serão visíveis. |
Diagrama de
Cromaticidade - CIE XYZ
Propriedades de Cor
Sistemas de Cor
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Sistemas Padrão |
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CIE RGB |
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CIE XYZ |
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Sistemas Complementares |
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CMY(K) |
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Sistemas Uniformes |
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CIE Luv |
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CIE Lab |
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Sistemas de Dispositivos |
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mRGB |
Mudando o Espectro
Correção Gamma
Sistemas de Cor
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Sistemas de Vídeo |
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Yrb |
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Ypbpr (Sony
Betacam) |
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YCbCr (Digital
Vídeo) |
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Sistemas de Vídeo Composto (NTSC, PAL,
... ) |
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YUV |
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YIQ |
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Sistemas de Interface (por Coordenada) |
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HSV |
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HSL |
Sistemas de Cor
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HSB - Hue, Saturation, Brightness |
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Hue - Matiz, cor pura |
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Saturation - O quanto uma cor se aproxima
da cor pura ou se afasta de ausência de cor. |
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Brightness - Luminância, distribuição
de intensidade luminosa de uma cor. |
Sistemas de Cor
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Corte no plano de Lightness = 50% |
Cubo RGB
Correspondência de Cor
Sistemas de Cor
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Sistemas de Interface (por Amostra ) |
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Munsell |
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Ostwald |
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Pantone |
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Truematch |
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Focoltone |
Sistemas de Gerência de
Cor
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Color Management Systems |
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Realizam a conversão entre os diversos
sistemas procurando o mínimo de perdas, ou seja o maior número de
correspondências possível. |
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Portabilidade de Cor |
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Exemplos: |
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PhotoTune (Agfa) |
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Image Color Matching (Padrão) |
Quantização
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Visualização (0-255) |
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Compressão |
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256 Cores indexando uma tabela |
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Uniforme x Adaptativa |
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Halftoning (Meio Tom) |
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Dithering |
Quantização x Amostragem
Quantização
Dithering
Referências
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Poynton's Colour FAQ - http://home.inforamp.net/~poynton |
|
LittleCms - http://www.littlecms.com/ |
|
Adobe Color and Color Management /
Technical Guides -
http://www.adobe.com/support/techguides/color/main.html |
|
CIE / International Commission on
Illumination -
http://www.hike.te.chiba-u.ac.jp/ikeda/CIE/home.html |
|
A Standard Default Color Space for the
Internet (sRGB) - http://www.w3.org/Graphics/Color/sRGB.html |
|
efg's Computer Lab and Reference
Library - http://www.efg2.com |
Resolução Temporal
Resolução Temporal
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A partir da lei de Ferry Porter: |
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quanto maior for a iluminação ambiente
maior será a freqüência de percepção da cintilação ou menor será o tempo para
que o observador não perceba a cintilação. |
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Cinema x Televisão =
Progressivo x
Entrelaçado |
Iluminação Ambiente e
Taxa de Redesenho
Conversão 3-2 de Cinema
para Vídeo
Captura
Captura
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Scanner |
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Papel |
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Slides |
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Sistema RGB |
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Calibração Simples, mas requer “prova”. |
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Pode alcançar altíssimas resoluções
(+4000 DPI). |
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Digitalizador de Sinal de Vídeo (Frame
Grabber) |
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Sinal de Vídeo |
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Geralmente usam Sistema RGB |
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Resolução depende do sistema de Vídeo,
geralmente imagens de menor qualidade. |
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Calibração é feita para o nível de
branco e o nível de preto. |
Captura
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Câmeras Digitais |
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Usam um CCD – Charge Coupled Device que
atua como se fosse o filme fotográfico. |
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Alcança resoluções de 640x480 até
milhares de pixels. |
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Line Scan CCD – usados para altas
resoluções, com alta linearidade, alta banda dinâmica e readout lento. |
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CMOS – nova tecnologia |
|
Sistema de Cor monocromático ou RGB. |
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Calibração semelhante a do Scanner, mas
depende de fatores externos, como iluminação. |
Captura.
Referências
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Twain - http://www.twain.org |
|
Microsoft Windows Image Acquisition
Still Image and Video Capture – WIA |
|
Microsoft Video for Windows – VFW |
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DirectShow |
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ScanTips - http://www.scantips.com |
Visualização
Visualização.
Distância Ótima
Visualização
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Monitor |
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Sistema RGB |
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Cor é contínua, depende da Placa de
Vídeo |
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Geralmente baixa resolução (72 DPI) |
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Freqüência de Rastreamento (75 Hz), se
baixa causa “flicker” |
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Razão de Visão 4x3 (Cinema = 2x1) |
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Monitor Versus Tv |
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Calibração requer dispositivo, depende
da luz ambiente. |
Visualização
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Distância Ótima para Visualização |
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Razão de Aspectos |
Visualização
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Impressoras |
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Tecnologia muito variada. |
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Pode alcançar altíssimas resoluções. |
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Geralmente Sistema CMYK, com muitas
variações |
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Impressoras de 4 cores utilizam
resolução espacial para compensar baixa resolução cromática. |
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Calibração depende de muitos fatores:
papel, tinta, até umidade do ar. Assim como existem uma grande variedade de
dispositivos para calibração. |
Armazenamento
Armazenamento
|
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Geralmente dependente da resolução, do
sistema de cor, e do número de bits por pixel (amostragem+quantização) |
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Na prática a grande maioria das imagens
digitais se encaixa em uma das descrições abaixo: |
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Armazenamento.
Cálculo do Tamanho
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O tamanho em bytes de uma imagem pode
ser calculado com: |
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Armazenamento.
Exemplos
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Exemplo 2: |
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Imagem 15cm x 10cm capturada com 300
DPI em True Color (24 Bpp) |
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Largura = 15 x 300 / 2,54 = 1771 |
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Altura = 10 x 300 / 2,54 = 1181 |
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Tamanho = 1771 x 1181 x 3 = ~6 Mb |
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Exemplo 3: |
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A mesma imagem com 600 DPI |
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Tamanho = ~24 Mb |
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Exemplo 4: |
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Página A4 com 600 DPI = ~100Mb |
Armazenamento.
Imagens Indexadas
Armazenamento.
Compressão
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Com Perdas |
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JPEG (Join Photographic Experts Group) |
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Fractal |
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Sem Perdas |
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Código de Huffman |
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RLE (Run Lenght Encoding) |
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LZW (Lempel-Ziv & Welch) |
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JBIG (Join Bi-level Image Experts
Group) |
Armazenamento.
Formatos de Arquivo
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Formatos com padrão já bem
estabelecidos no mercado: |
Armazenamento.
Compressão de Vídeo
Armazenamento.
Formatos de Vídeo
Armazenamento.
Multiresolução
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A mesma imagem em diferentes níveis de
resolução. |
Armazenamento.
Referências
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LibTIFF - http://www.libtiff.org |
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LibPNG - http://www.libpng.org |
|
LibJPEG - http://www.jpeg.org |
|
FreeImage - http://www.freeimage.org |
|
ImageMagick - http://www.imagemagick.org |
|
QuickTime - http://www.apple.com/quicktime |
|
Windows Media - http://www.microsoft.com/windowsmedia |
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MPEG – http://www.mpeg.org |
Processamento
Processamento.
Classes de Operações
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Por Escopo |
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Pontual |
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Local |
|
Global |
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Por Resultado |
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Realçar/Obscurecer |
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Restauração/Deformação |
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Compressão |
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Segmentação |
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Extração de Atributos |
Processamento.
Seqüência Clássica
Processamento.
Operação Pontual e Local
Processamento.
Operações Pontuais
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Ajuste de Cor: Brilho, Contraste, Nível
de Branco e Nível de Preto, Saturação, Correção Gamma |
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Operações baseadas no Histograma |
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Threshold |
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Operações aritméticas unárias,
binárias, etc… |
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Posterize, Solarize |
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Processamento.
Operações Pontuais
Processamento.
Histograma
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Para cada nível de tonalidade, calcula
quantos pixels existem naquela tonalidade. |
Processamento.
Operações Locais
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Operações de Filtragem |
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Deformações, Warping, Morphing |
|
Resize, Stretch, Rotação |
|
Operações Morfológicas |
Processamento.
Operações Globais
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Transformada de Fourier |
|
Transformada de Wavelets |
|
Transformada de Hough |
Software
Software
|
|
|
Adobe PhotoShop |
|
Corel PhotoPaint |
|
Fractal Design Painter |
|
Paint Shop Pro |
|
Lview Pro |
|
ACDSee |
|
GIMP |
|
XV |
|
|
Software
|
|
|
NIH Image |
|
Korus |
|
KS-400 |
|
Digital Micrograph |
|
XITE |
|
Image Tool |
|
Image Pro |
|
WiT |
|
Optimas |