Fundamentos da Imagem Digital
Antonio Escaño Scuri
Tecgraf/PUC-Rio
2002

Conteúdo
Aplicações
Conceitos Básicos
Resolução Espacial
Cor
Resolução Temporal
Captura
Visualização
Armazenamento
Processamento
Software

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.

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
O que é Cor ?
Representação é Única ?
Perceptual x Físico
Aplicação do Paradigma para Cores
...

A Imagem Digital

A Imagem Codificada

Resolução Espacial

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

Resolução Espacial.
Tamanho x Resolução

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.

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

Resolução Espacial.
Interpolação

Resolução Espacial.
Interpolação

Resolução Espacial.
Aliasing

Resolução Espacial.
Aliasing Espacial

Resolução Espacial.
Aliasing em Desenho

Cor

Cor
Radiação Eletromagnética
Colorimetria:
Estuda cor do ponto de vista físico.
Fotometria:
Estuda cor do ponto de vista perceptual.

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)

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.

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.)

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....

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:

Cor no Paradigma dos 4 Universos

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.

Observador Padrão CIE

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.

Diagrama de Cromaticidade - CIE XYZ

Propriedades de Cor

Sistemas de Cor
Sistemas Padrão
CIE RGB
CIE XYZ
Sistemas Complementares
CMY(K)
Sistemas Uniformes
CIE Luv
CIE Lab
Sistemas de Dispositivos
mRGB

Mudando o Espectro

Correção Gamma

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

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.

Sistemas de Cor
Corte no plano de Lightness = 50%

Cubo RGB

Correspondência de Cor

Sistemas de Cor
Sistemas de Interface (por Amostra )
Munsell
Ostwald
Pantone
Truematch
Focoltone

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)

Quantização
Visualização (0-255)
Compressão
256 Cores indexando uma tabela
Uniforme x Adaptativa
Halftoning (Meio Tom)
Dithering

Quantização x Amostragem

Quantização

Dithering

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

Resolução Temporal

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

Iluminação Ambiente e Taxa de Redesenho

Conversão 3-2 de Cinema para Vídeo

Captura

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.

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.

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

Visualização

Visualização.
Distância Ótima

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.

Visualização
Distância Ótima para Visualização
Razão de Aspectos

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.

Armazenamento

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:

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

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

Armazenamento.
Imagens Indexadas
Imagens Indexadas

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)

Armazenamento.
Formatos de Arquivo
Formatos com padrão já bem estabelecidos no mercado:

Armazenamento.
Compressão de Vídeo

Armazenamento.
Formatos de Vídeo

Armazenamento.
Multiresolução
A mesma imagem em diferentes níveis de resolução.

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

Processamento

Processamento.
Classes de Operações
Por Escopo
Pontual
Local
Global
Por Resultado
Realçar/Obscurecer
Restauração/Deformação
Compressão
Segmentação
Extração de Atributos

Processamento.
Seqüência Clássica

Processamento.
Operação Pontual e Local
Pontual

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

Processamento.
Operações Pontuais

Processamento.
Histograma
Para cada nível de tonalidade, calcula quantos pixels existem naquela tonalidade.

Processamento.
Operações Locais
Operações de Filtragem
Deformações, Warping, Morphing
Resize, Stretch, Rotação
Operações Morfológicas

Processamento.
Operações Globais
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