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1
Fundamentos da Imagem Digital
  • Antonio Escaño Scuri
  • Tecgraf/PUC-Rio
  • 2002
2
Conteúdo
  • Aplicações
  • Conceitos Básicos
  • Resolução Espacial
  • Cor
  • Resolução Temporal
  • Captura
  • Visualização
  • Armazenamento
  • Processamento
  • Software
3
Aplicações
  • Sensoriamento Remoto
  • Microscopia.
  • Medicina.
  • Manutenção de obras de arte.
  • Identificação de impressões digitais.
  • Armazenamento de documentos.
  • Medidas de velocidade de escoamento de fluidos.
  • Controle de qualidade.
  • Astronomia, Fotografia, Video, Efeitos Especiais, etc.
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Aplicações.
Correção de Movimento
5
Aplicações.
Análise de Partículas
6
Aplicações.
Reconhecimento de Placas
7
Aplicações.
Visão - Juiz Virtual
8
Aplicações.
Medicina
9
Aplicações.
Efeitos Especiais
10
Conceitos Básicos
11
Contexto
12
Contexto
13
Contínuo x Discreto
14
Quantização
15
O Paradigma dos Quatro Universos
16
Imagem neste Paradigma
17
A Imagem Fotográfica
18
A Imagem Contínua
19
A Imagem Contínua
  • O que é Cor ?
  • Representação é Única ?
  • Perceptual x Físico
  • Aplicação do Paradigma para Cores
  • ...
20
A Imagem Digital
21
A Imagem Codificada
22
Resolução Espacial
23
Resolução Espacial
  • Dado o tamanho da imagem (cm, in, etc...), quantos valores discretos vão ser tomados?
    • no. pixels = resolução x tamanho
  • Unidades
    • DPI - “Dots per Inch”, Pontos por Polegada
    • DPC - Pontos por Centímetro
  • Resoluções Típicas (Exemplos):
    • Monitor - 72 DPI
    • Scanner - 1200 DPI
    • Impressora - 600 DPI
  • Razão de Aspectos:
     resolução horizontal = resolução vertical
  • É também uma medida de Qualidade da Amostragem
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Resolução Espacial.
Tamanho x Resolução
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Resolução Espacial.
Topologia de um Pixel
  • Vizinhança:
    • 4 conectada
      (eqüidistantes)


    • 8 conectada
      (nem todos eqüidistantes)


    • Hexagonal


  • Eixos:
    • Mais comum no canto superior esquerdo, também usado no canto inferior esquerdo ou no centro.
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Resolução Espacial.
Amostragem e Reconstrução
  • Dados valores discretos, qual a função contínua?
  • Re-amostragem = reconstrução+amostragem com nova resolução
  • Zoom  ¹ Resize
  • Warping e Morphing
  • Reconstrução = Interpolação
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Resolução Espacial.
Interpolação
28
Resolução Espacial.
Interpolação
29
Resolução Espacial.
Aliasing
30
Resolução Espacial.
Aliasing Espacial
31
Resolução Espacial.
Aliasing em Desenho
32
Cor
33
Cor
  • Radiação Eletromagnética




  • Colorimetria:
    • Estuda cor do ponto de vista físico.
  • Fotometria:
    • Estuda cor do ponto de vista perceptual.
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Cor Física
  • Luz:
    • Natureza Dual
  • Processos de Formação de Cor:
    • Aditivo (Issac Newton - Prisma, Monitor)
    • Subtrativo (Filtros Fotográficos, Slides)
    • Pigmentação (Pintura)
    • Combinação de Processos (Impressão Offset)
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Cor Perceptual
  • Olho Humano:
    • Bastonetes: percepção de intensidade, visão noturna, detalhes laterais.
    • Cones: percepção de cor, três tipos valorizando respectivamente Azul, Verde e Vermelho (Red, Green, Blue - RGB). Visão direta.
  • Resposta Logarítmica à Intensidade => Correção Gamma
  • Interação entre Sensores (Inibição Lateral) => Contraste Simultâneo e Mach Band
  • Duas cores fisicamente distintas podem parecer idênticas => Metamerismo
  • Espectro Visível: 380nm à 780nm.
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Luminância e Crominância
  • 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.
  • O eixo de luminância é perpendicular ao eixo de crominância, definindo um espaço de cor.
    • (Obs: Brightness, Lightness, etc... são magnitudes referentes à Luminância.)
37
Amostragem e Reconstrução de Cor (Resumo)
  • Dadas as primárias do emissor Pk(l)
  • Define-se uma cor de referência em função das primárias wk
  • Obten-se as funções de reconstrução de cor a partir de experimentos usando a cor de referência
  • Agora....
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Amostragem e Reconstrução de Cor (Resumo)
  • Dada uma cor qualquer, obtemos suas componentes a partir das funções de reconstrução.
  • Para reconstruir a cor usamos a equação:
39
Cor no Paradigma dos 4 Universos
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Padronização para Cor
  • CIE RGB (1931):
    • define primárias Pr(l), Pg(l) e Pb(l)
  • 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
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CIE XYZ
  • CIE RGB: contém valores negativos
  • CIE XYZ:
    • todas as componentes das cores visíveis não devem ser negativas
    • duas primárias devem ter luminância zero
    • um maior número de cores espectrais deve possuir pelo menos uma componente zero.
  • Define base de primárias fora do visível.
    • Possui cores que não serão visíveis.
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Diagrama de Cromaticidade - CIE XYZ
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Propriedades de Cor
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Sistemas de Cor
  • Sistemas Padrão
    • CIE RGB
    • CIE XYZ
  • Sistemas Complementares
    • CMY(K)
  • Sistemas Uniformes
    • CIE Luv
    • CIE Lab
  • Sistemas de Dispositivos
    • mRGB
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Mudando o Espectro
47
Correção Gamma
48
Sistemas de Cor
  • Sistemas de Vídeo
    • Yrb
    • Ypbpr (Sony Betacam)
    • YCbCr (Digital Vídeo)
  • Sistemas de Vídeo Composto (NTSC, PAL, ... )
    • YUV
    • YIQ
  • Sistemas de Interface (por Coordenada)
    • HSV
    • HSL
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Sistemas de Cor
  • HSB - Hue, Saturation, Brightness
    • Hue - Matiz, cor pura
    • Saturation - O quanto uma cor se aproxima da cor pura ou se afasta de ausência de cor.
    • Brightness - Luminância, distribuição de intensidade luminosa de uma cor.
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Sistemas de Cor
  • Corte no plano de Lightness = 50%
51
Cubo RGB
52
Correspondência de Cor
53
Sistemas de Cor
  • Sistemas de Interface (por Amostra )
    • Munsell
    • Ostwald
    • Pantone
    • Truematch
    • Focoltone
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Sistemas de Gerência de Cor
  • Color Management Systems
  • Realizam a conversão entre os diversos sistemas procurando o mínimo de perdas, ou seja o maior número de correspondências possível.
  • Portabilidade de Cor
  • Exemplos:
    • PhotoTune (Agfa)
    • Image Color Matching (Padrão)
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Quantização
  • Visualização (0-255)
  • Compressão
  • 256 Cores indexando uma tabela
  • Uniforme x Adaptativa
  • Halftoning (Meio Tom)
    • Dithering
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Quantização x Amostragem
57
Quantização
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Dithering
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Referências
  • 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
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Resolução Temporal
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Resolução Temporal
  • A partir da lei de Ferry Porter:
    • 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.
  • Cinema x Televisão =
                          Progressivo x Entrelaçado
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Iluminação Ambiente e Taxa de Redesenho
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Conversão 3-2 de Cinema para Vídeo
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Captura
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Captura
  • Scanner
    • Papel
    • Slides
    • Sistema RGB
    • Calibração Simples, mas requer “prova”.
    • Pode alcançar altíssimas resoluções (+4000 DPI).
  • Digitalizador de Sinal de Vídeo (Frame Grabber)
    • Sinal de Vídeo
    • Geralmente usam Sistema RGB
    • Resolução depende do sistema de Vídeo, geralmente imagens de menor qualidade.
    • Calibração é feita para o nível de branco e o nível de preto.
66
Captura
  • Câmeras Digitais
    • Usam um CCD – Charge Coupled Device que atua como se fosse o filme fotográfico.
    • Alcança resoluções de 640x480 até milhares de pixels.
    • Line Scan CCD – usados para altas resoluções, com alta linearidade, alta banda dinâmica e readout lento.
    • CMOS – nova tecnologia
    • Sistema de Cor monocromático ou RGB.
    • Calibração semelhante a do Scanner, mas depende de fatores externos, como iluminação.
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Captura.
Referências
  • Twain - http://www.twain.org
  • Microsoft Windows Image Acquisition Still Image and Video Capture – WIA
  • Microsoft Video for Windows – VFW
  • DirectShow
  • ScanTips - http://www.scantips.com
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Visualização
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Visualização.
Distância Ótima
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Visualização
  • Monitor
    • Sistema RGB
    • Cor é contínua, depende da Placa de Vídeo
    • Geralmente baixa resolução (72 DPI)
    • Freqüência de Rastreamento (75 Hz), se baixa causa “flicker”
    • Razão de Visão 4x3 (Cinema = 2x1)
    • Monitor Versus Tv
    • Calibração requer dispositivo, depende da luz ambiente.
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Visualização
  • Distância Ótima para Visualização



  • Razão de Aspectos
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Visualização
  • Impressoras
    • Tecnologia muito variada.
    • Pode alcançar altíssimas resoluções.
    • Geralmente Sistema CMYK, com muitas variações
    • Impressoras de 4 cores utilizam resolução espacial para compensar baixa resolução cromática.
    • Calibração depende de muitos fatores: papel, tinta, até umidade do ar. Assim como existem uma grande variedade de dispositivos para calibração.
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Armazenamento
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Armazenamento
  • Geralmente dependente da resolução, do sistema de cor, e do número de bits por pixel (amostragem+quantização)
  • Na prática a grande maioria das imagens digitais se encaixa em uma das descrições abaixo:


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Armazenamento.
Cálculo do Tamanho
  • O tamanho em bytes de uma imagem pode ser calculado com:


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Armazenamento.
Exemplos
  • Exemplo 2:
    • Imagem 15cm x 10cm capturada com 300 DPI em True Color (24 Bpp)
    • Largura = 15 x 300 / 2,54 =  1771
    • Altura = 10 x 300 / 2,54 =  1181
    • Tamanho = 1771 x 1181 x 3 = ~6 Mb
  • Exemplo 3:
    • A mesma imagem com 600 DPI
    • Tamanho = ~24 Mb
  • Exemplo 4:
    • Página A4 com 600 DPI = ~100Mb
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Armazenamento.
Imagens Indexadas
  • Imagens Indexadas


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Armazenamento.
Compressão
  • Com Perdas
    • JPEG (Join Photographic Experts Group)
    • Fractal
  • Sem Perdas
    • Código de Huffman
    • RLE (Run Lenght Encoding)
    • LZW (Lempel-Ziv & Welch)
    • JBIG (Join Bi-level Image Experts Group)
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Armazenamento.
Formatos de Arquivo
  • Formatos com padrão já bem estabelecidos no mercado:
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Armazenamento.
Compressão de Vídeo
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Armazenamento.
Formatos de Vídeo
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Armazenamento.
Multiresolução
  • A mesma imagem em diferentes níveis de resolução.
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Armazenamento.
Referências
  • LibTIFF - http://www.libtiff.org
  • 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
  • MPEG – http://www.mpeg.org
84
Processamento
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Processamento.
Classes de Operações
  • Por Escopo
    • Pontual
    • Local
    • Global
  • Por Resultado
    • Realçar/Obscurecer
    • Restauração/Deformação
    • Compressão
    • Segmentação
    • Extração de Atributos
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Processamento.
Seqüência Clássica
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Processamento.
Operação Pontual e Local
  • Pontual
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Processamento.
Operações Pontuais
  • Ajuste de Cor: Brilho, Contraste, Nível de Branco e Nível de Preto, Saturação, Correção Gamma
  • Operações baseadas no Histograma
  • Threshold
  • Operações aritméticas unárias, binárias, etc…
  • Posterize, Solarize


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Processamento.
Operações Pontuais
90
Processamento.
Histograma
  • Para cada nível de tonalidade, calcula quantos pixels existem naquela tonalidade.
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Processamento.
Operações Locais
  • Operações de Filtragem
  • Deformações, Warping, Morphing
  • Resize, Stretch, Rotação
  • Operações Morfológicas
92
Processamento.
Operações Globais
  • Transformada de Fourier
  • Transformada de Wavelets
  • Transformada de Hough
93
Software
94
Software
  • Adobe PhotoShop
  • Corel PhotoPaint
  • Fractal Design Painter
  • Paint Shop Pro
  • Lview Pro
  • ACDSee
  • GIMP
  • XV


95
Software
  • NIH Image
  • Korus
  • KS-400
  • Digital Micrograph
  • XITE
  • Image Tool
  • Image Pro
  • WiT
  • Optimas