PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS EM TC
Prof. Dr. Charlie Antoni Miquelin
PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS EM TC
Formação e Representação da Imagem
O processamento de imagens digitais é importante em TC :
Durante a análise dos dados do paciente, os passos aplicados para digitalizar um imagem são similares aos aplicados em TC. Se os passos fundamentais da digitalização forem entendidos, os princípios de TC serão melhor assimilados;
Em TC, um grande número de operações de processamento de imagens são usados, dos quais o janelamento é o mais comum. O entendimento destas operações ajudará a entender o porcesso de manipulação das imagens em TC.
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PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS EM TC
Formação e Representação da Imagem
Imagens Analógicas são aquelas que tem uma distribuição contínua de cor e intensidade ao longo de sua extensão. Exemplo: fotografia em papel ou radiografia.
Imagens Digitais são representações numéricas, ou seja, discretas ao longo de sua extensão. Exemplo: fotografias em máquinas digitais e celulares.
O Processamento de Imagens Digitais (PID) pode ser definido como uma série de operações que levam a um resultado esperado.
As principais operações em PID são a Geração de Imagens, Modificação das Imagens ( Realce, Combinação, Restauração) e Análise de Imagens (Reconhecimento de Padrões, Interpretação, extração de parâmetros).
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A Digitalização das Imagens
O objetivo básico da digitalização é a conversão de dados analógicos em digitais para que um computador possa utilizá-los.
A digitalização está composta de três passos diferentes: Varredura, Amostragem e Quantização.
DADOS ANALÓGICOS
DIGITALIZAÇÃO
DIGITAL PROCESSAMENTO DIGITAL
DIGITAL
RECONSTRUÇÃO
IMAGEM VISUAL
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A Digitalização das Imagens
A varredura consiste na divisão dos dados analógicos em pequenas partes.
Por exemplo, ao se digitalizar uma imagem analógica ela é dividida em pequenas partes chamadas pixels.
A quantidade de partes em que os dados analógicos serão divididos depende das características do CAD. Quanto maior o número de divisões (acurácia - bits) utilizadas pelo CAD, melhor será a qualidade da conversão.
No caso da imagem analógica este efeito é observado na quantidade de pixels da imagem digital (acurácia - tons de cinza).
A velocidade do CAD é inversamente proporcional a acurácia.
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A Digitalização das Imagens
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A Digitalização das ImagensA amostragem mede a intensidade de cada uma das partes resultantes da divisão dos dados analógicos pela varredura.
Para o caso da digitalização de uma imagem analógica equivale a medida da valor de intensidade de cada pixel.
O último passo é a quantização. Neste passo os valores de intensidade recebem uma correlação com alguma grandeza interpretável.
Para o caso da digitalização de uma imagem analógica, é a relação dos valores de intensidade a uma escala de cinzas.
1 2 34 5 67 8 9
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Por que trabalhar com Imagens DigitaisO processamento das imagens digitas possibilita:
Realce: fazer com a imagem parece mais agradável ao observador. Características como contornos e formas podem ser realçadas para aumentar a qualidade geral da imagem.
Restauração: Imagens ruins podem ser filtradas para remover ruídos indesejados. A filtragem porém pode remover detalhes finos da imagem (smoothing).
Análise: procurar e extrair objetos em uma imagem.
Detecção: procurar modificações e diferenças em imagens.
Reconhecimento de padrões: encontrar e reconhecer estruturas em imagens.
Transformações geométricas: rotacionar, espelhar ou mudar as proporções de imagens.
Compressão: reduzir a quantidade de dados que compõe a imagem.
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Técnicas de Processamento
Em geral as técnicas de processamento de imagens estão basedas em três tipo de operações:
Operações Pontuais (processamento ponto a ponto);
Operações Locais (processamento de área);
Operações Globais (processamento por frame);
Operações Geométricas.
Os algoritmos de processamento nos quais estas operações estão baseadas alteram os valores de intensidade dos pixels, exceto no algoritmo de processamento geométrico onde a posição espacial dos pixels é alterada.
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PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS EM TCOperações Pontuais
É a mais simples das técnicas de processamento.
Os valores pixel a pixel da imagem de entrada são substituídos por valores designados por um mapa ou tabela, originando a imagem de saída.
O tipo mais comum de operação pontual é chamado de mapeamento de níveis de cinza. Também é conhecida como realce de contraste ou modificação de histograma.
O mapeamento de níveis de cinza utiliza uma tabela chamada de LUT (look-up table), através da qual se pode fazer um gráfico dos tons de cinza de entrada versus os tons de cinza de saída.
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PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS EM TCOperações Pontuais
LUT
p11 p12 p13
p21 p22 p23
p31 p32 p33
INPUT
r11 r12 r13
r21 r22 r23
r31 r32 r33
OUTPUT
p22 = 99 0
r22 = 0
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PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS EM TCOperações Pontuais
LUT podem ser implementadas por hardware ou por software para a modificação dos tons de cinza.
As modificações feitas pela operação pontual resultam na alteração do histograma dos valores dos pixels.
2 6 7 5 4 1 38 7 3 4 6 1 28 8 7 6 1 3 85 6 1 2 7 3 46 1 2 5 6 7 82 6 8 6 7 1 64 3 5 6 8 1 4
INPUT1 7
2 5
3 5
4 5
5 4
6 10
7 6
8 7
Valores dos Tons
No de Vezes que aparecem
0
2
4
6
8
10
1 2 3 4 5 6 7 8
Histograma do INPUT
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1 2 8 8 8 2 12 3 4 8 4 3 28 8 8 8 8 8 88 8 4 8 4 8 81 2 8 8 8 2 13 6 8 5 8 6 37 8 8 5 8 8 7
INPUT
051015202530
1 2 3 4 5 6 7 8
Histograma do INPUT
8 7 1 1 1 7 87 6 5 1 5 6 71 1 1 1 1 1 11 1 5 1 5 1 18 7 1 1 1 7 86 3 1 4 1 3 62 1 1 4 1 1 2
OUTPUT
051015202530
1 2 3 4 5 6 7 8
Histograma do OUTPUT
input
1
2
3
4
5
6
7
8
output
8
7
6
5
4
3
2
1
L.U.T.
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PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS EM TCOperações Pontuais
O histogramas são um indicativo geral do brilho e do contraste da imagem.
Se o histograma é de alguma maneira modificado, o brilho e o contraste desta imagem são alterados, técnica esta chamada de modificação de histograma.
Se uma imagem tem um histograma com poucos componentes, então a imagem terá alto contraste, com muitos componentes terá alto contraste, muitos tons próximo do menor valor a imagem será escura e com muitos tons próximos do maior valor será clara.
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PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS EM TCOperações Locais
Neste tipo de operação, apesar de ser pixel a pixel, o valor do pixel do OUTPUT, depende de seu correspondente no INPUT e também dos valores dos pixels vizinhos.
Este tipo de operação é também conhecido como processamento de área, ou processamento de grupo, já que um grupo de pixels é utilizado no processo de cálculo do novo valor de OUTPUT.
A Filtragem de Freqüências Espacial é um exemplo de operação local que age sobre o brilho da imagem.
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PROCESSAMENTO
INPUTOUTPUT
PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS EM TCOperações Locais
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PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS EM TCOperações Locais
Se o brilho de uma imagem muda muito ao longo de uma de suas direções esta imagem é dita como possuindo alta freqüência espacial.
Já se o brilho de uma imagem muda pouco ao longo de uma de suas direções esta imagem é dita como possuindo baixa freqüência espacial.
Imagens com pixels menores sempre possuirão maior freqüência espacial do que as imagens com pixels maiores.
A Filtragem de Freqüências Espacial pode alterar uma imagem de várias maneiras como o detalhamento, alisamento, borramento, redução de ruídos e extração de características (delimitação e detecção de bordas).
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1 - A imagem inferior possui metade da amplitude e do contraste da imagem superior
1 2 3
2 - A imagem inferior possui o dobro de freqüência espacial da imagem superior3 - A imagem inferior é defasada em 90o em relação a imagem superior
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Existem duas formas de Filtragem de Freqüências Espacial: Filtragem no domínio das Freqüências (Transformada de Fourier das imagens) e Filtragem no Domínio do Espaço (uso dos próprios valores dos pixels da imagem).
A convolução é o processo mais comum na operação local no domínio do espaço.
Na convolução uma média é computada utilizando os valores de um grupo de pixels vizinhos. Este cálculo é feito com a utilização de um kernel de convolução, uma matriz na qual cada elemento é um fator de ponderação (coeficiente de convolução).
Em geral o kernel é uma matriz 3 x 3, e que apresenta valores diferentes para cada resultado que se desejar obter.
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P1P2
P3
P4P5
P6
P7P8
P9
CONVOLUÇÃO
INPUT OUTPUT
PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS EM TCOperações Locais
k1k2
k3
k4k5
k6
k7k8
k9
kernel
P1 P2 P3
P4 P5 P6
P7 P8 P9
k1 k2 k3
k4 k5 k6
k7 k8 k9
x
k1 x P1 +
k2 x P2 +
k3 x P3 +
k4 x P4 +
k5 x P5 +
k6 x P6 +
k7 x P7 +
k8 x P8 +
k9 x P9
Novo valor de P5 no OUTPUT
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11
1
11
1
11
1
PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS EM TCOperações Locais
0
1
2
3
4
1 2 3
Histograma do INPUT
12
1
23
2
12
1
INPUT
CONVOLUÇÃO
11
1
11
1
11
1
kernel
1 x 1 +
2 x 1 +
2 x 1 +
3 x 1
8 OUTPUT
8
11
1
11
1
11
1
1 x 1 +
2 x 1 +
1 x 1 +
2 x 1
11
3 x 1 +
1 x 1 +
1 x 1 +11 8
8 11 8
1111 15
0
1
2
3
4
8 11 15
Histograma do OUTPUT
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PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS EM TCOperações Locais
1 2 1
2 3 2
1 2 1
INPUT
8 11 8
11 15 11
8 11 8
OUTPUT
0
15
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OUTPUT
PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS EM TCOperações Globais
Neste tipo de processamento toda a a matriz INPUT é levada em consideração no cálculo do novo valor do pixel da matriz de OUTPUT.
O processamento mais comum neste tipo de operação é a Transformada de Fourier, que pode melhorar o detalhamento de bordas, definição da imagem e ser utilizada na restauração da imagem.
PROCESSAMENTO
INPUT
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Operações GeométricasNeste tipo de processamento a operação é definida para modificar a posição espacial ou orientação dos pixels na imagem.
As operações geométricas mais comuns são espelhamento, translação, rotação, warping e zoom.
k1k2
k3
k4k5
k6
k7k8
k9
INPUT
PROCESSAMENTO
k3k2
k1
k6k5
k4
k9k8
k7
OUTPUT
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Exercícios
Dada a matriz (imagem) abaixo, a L.U.T. e o kernel, realize uma operação pontual e depois uma local, com seus respectivos histogramas.
1 1 -1
1 -1 -1
-1 -1 -1
kernelINPUT4 4 1 55 2 5 55 5 2 34 5 3 4
L.U.T.input output
1 2
2 1
3 4
4 5
5 3
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Solução Pontual
4 4 1 55 2 5 55 5 2 34 5 3 4
INPUT L.U.T.input output
1 2
2 1
3 4
4 5
5 3
5 5 2 33 1 3 33 3 1 45 3 4 5
OUTPUT
01234567
Quantidade
1 2 3 4 5
Tons de Cinza
INPUT
01234567
Quantidade
1 2 3 4 5
Tons de Cinza
OUTPUT
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Solução Local
4 4 1 55 2 5 55 5 2 34 5 3 4
INPUT
-15 -13 -14 -14-17 -7 -18 1-16 -12 -10 2-9 4 2 4
OUTPUT
1 1 -1
1 -1 -1
-1 -1 -1
kernel
01234567
Quantidade
1 2 3 4 5
Tons de Cinza
INPUT
00111122
Quantidade
-18-16-14 -12 -7 2
Tons de Cinza
OUTPUT
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