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), P g(l) e P b(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