ea978 sistemas de informações gráficas 1º semestre de...

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

EA978Sistemas de Informações Gráficas

1º Semestre de 2001

Prof. José Mario De [email protected]

FEEC - Bloco A - Sala 317

www.dca.fee.unicamp.br /~martino/cursos/ea978/ea978.html

EA978 Sistemas de Informações Gráficas - Prof. J. Mario De Martino 2____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________Organização da Disciplina

� Objetivo

Apresentar e discutir conceitos associados àgeração, processamento e armazenamento deimagens digitais, assim como detalhes técnicosde implementação de sistemas evolvendo taisconceitos.

� Ementa� Introdução: Visão Geral� Luz e Percepção Visual� Dispositivos de aquisição de imagens� Reprodução de cores e tons de cinza� Imagens e Formatos gráficos (gif e jpeg)� Rasterização de linhas e polígonos� Processamento de imagens: operações de

combinação; windowing; deteção de bordas,entre outras.

� Síntese de imagens por computador:modelagem geométrica, transformações 3D,projeção, recorte (clipping); eliminação desuperfícies escondidas e modelos detonalização.



� Bibliografia

� Procedural Elements for Computer Graphics

David F. Rogers

McGraw-Hill , 1985

� Computer Graphics Principles and Practise

J. Foley, A. van Dam, S. Feiner, J. Hughes

Addison-Wesley, 1990

� Illumination and Color in Computer GeneratedImagery

Roy Hall

Springer Verlag, 1989

� Processamento de Imagens Digitais

Rafael C. Gonzalez, Richard Woods

Edgard Blücher Ltda, 2000.

� Computação Gráfica: Imagem

Jonas Gomes, Luiz Velho

IMPA/SBM - Série de Computação e Matemática

1994



� Critério Avaliação

� 2 Provas: P1 e P2

� Aprovação sem exame

M= 0,5 P1 + 0,5 P2 ≥5,0

� Aprovação com exame

ME = 0,6 M + 0,4 E

� Datas Impor tantes

� Prova 1: 24/abril

� Prova 2: 28/junho

� Exame: 12/julho


____________________________________________________________________________Introdução

� Sistemas de Informações Gráficas

� Sistemas Computacionais voltados à síntese,análise, processamento e armazenamento deimagens.

� Exemplos de Aplicações

� CAD (Computer Aided Design)� Desktop Publishing� Inspeção Visual Automática - C.Q.� Visualização Científica� Propaganda� Entretenimento: animações, efeitos especiais,

jogos, etc.


____________________________________________________________________________Introdução


Modeloe Informações Relacionadas à

Imagem

Síntese

Aquisição

Análise

Processamentode Imagem

Apresentação

Interpretação

Imagem Digital

MundoExterior

MundoExterior


____________________________________________________________________________Introdução

Sistemas de Informações Gráficas

Apresentação: Transformação da imagemdigital em representação visual passível de serapresentada a observador humano.

Aquisição: Conversão da informação luminosa(energia luminosa) existente no mundo real emimagem digital. Ocorre em equipamentos decaptura, tais como, câmeras e scanners.

Processamento de Imagem: Transformação deuma imagem digital em outra imagem digital.Por exemplo: filtrar ruído, realçar bordas,aumentar contraste, alterar as cores, etc.


____________________________________________________________________________Introdução


� Síntese: Processo de gerar imagem digital apartir de um modelo que a descreve.

Por exemplo:� Cor: (0, 0, 0) - preto (r, g, b)� Geometria: (0,0,0)(1,0,0) (1,1,0)(0,1,0)

� Análise: Extração de informação da imagem.Segmentação da imagem em regiões/objetos.(analogia: identificar e isolar as letras e aspalavras de um texto).

� Interpretação: Extração e associação designificado aos elementos da imagem.(analogia: entender o significado do texto)


____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual

� Luz

� Física Clássica: Onda Eletromagnética (explicafenômenos da reflexão, refração, difração,interferência, polarização).

� Física Quântica: Característica corpuscular.Transporte de energia em pacote com valoresdiscretos (fótons - energia = hf ; h cte dePlanck; f freqüência).

� Física Moderna: dualidade onda/corpúsculo.

� Neste curso prepondera o tratamento da FísicaClássica:

Luz é energia visível transportada por ondaeletromagnética (energia radiante visível).

Visível: capaz de estimular o sistema visualhumano, produzindo sensação visualperceptível.



� Luz e o Espectro Eletromagnético

� Faixa Visível (aprox.)

380 nm a 780 nm

4 x1014 a 8 x 1014 Hz

104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 1026

1013 1011 109 107 105 103 10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 10-11

Comprimento de Onda [nm]

Freqüência [Hz]

Visível

UltravioletaInfravermelho

Raios XMicroondas

Rádio Raios γ

Raios Cósmicos



� O Olho Humano

� Córnea: extensão transparente do tecido brancoe opaco que reveste o globo ocular. Suasuperfície externa é mantida limpa e em boascondições ópticas por fina camada de águasalgada que é reposta de tempos em tempospelo piscar das pálpebras.

� Í r is: diafragma que controla a abertura dapupila.



� O Olho Humano

� Pupila: orifício da íris através do qual a luzpassa para atingir o interior do olho. A pupilade um olho saudável é preta uma vez que a luzao entrar no olho é totalmente absorvida emsua totalidade não sendo refletido de volta.Músculos envolvem a íris controlam a aberturada pupila em função da intensidade luminosa.

� Cristalino: tecido transparente e flexível queatua com lente do sistema visual. A espessura e,portanto, as características ópticas do cristalinoé controlado por músculos radiais e circularesque o envolvem.

� Retina: é uma estrutura complexa formada decélulas fotoreceptoras e tecidos nervosos. Ascélulas fotoreceptoras ao serem estimuladaspela luz geram impulsos nervosos de naturezaeletro-química que são conduzidos pelostecidos nervosos até o nervo óptico e deste parao cérebro. Existem dois tipos de célulasfotoreceptoras: cones e bastonetes.



� O Olho Humano

� Bastonetes: célula fotoreceptora responsávelpela visão noturna ou escotópica.

� Ligação ao nervo óptico em grupos implicandoem maior sensibil idade à radiação luminosa(soma de estimulo de diversos bastonetes)

� Geram apenas sensação acromática (branco, tonsde cinza e preto).

� A fotosensibilidade dos bastonetes estáassociada à absorção da energia radiante porpigmento fotosensível denominado Rodopsina.

� Durante a absorção da luz, a rodopsina setransforma sendo consumida.

� A reposição da rodopsina acontece por umprocesso natural de regeneração relativamentelento: uma vez que a tenha sido totalmenteconsumida, a reposição exige aproximadamentemeia hora sem exposição à luz.

� Em uma situação de iluminação diurna,caracterizada por uma longa exposição a umenergia radiante relativamente intensa, tem-se oconsumo total da rodopsina sem a oportunidadede reposição, tornando nula a contribuição dosbastonetes na percepção visual diurna.



� O Olho Humano

� Cones: célula fotoreceptora responsável pelavisão diurna ou fotópica.

� Ligados ao nervo óptico individualmente (menorsensibilidade à luz que os bastonetes).

� Responsáveis pela sensação cromática(permitem a distinção entre, por exemplo,amarelo e vermelho).

� 3 tipos de cones, cada um absorvendo a energialuminosa em faixas distintas do espectro visível:1) faixa de comprimento de onda pequeno(violeta-azul; 2) faixa intermediária (verde-amarelo); 3) faixa de comprimento de ondagrande (amarelo-vermelho).



� O Olho Humano

� Distribuição dos Cones e Bastonetes na retina.

Densidade de Cones e Bastonetes

0

50000

100000

150000

200000

70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70

Ângulo perimétrico

Con

es o

u B

asto

nete

s po

r m

m2

NarizOuvido

BastonetesCones

Ponto Cego



� O Olho Humano

� Os cones e bastonetes se distribuem de maneirasimétrica ao redor da região centra da retinadenominada fóvea (fovea centralis).

� A Fóvea é caracterizada por uma altaconcentração de cones e praticamente nenhumbastonete (fóvea possui 1 mm2 em adultos -aprox. 2°).

� Até aprox. 5° os cones são abundantes,misturados a poucos bastonetes. A partir desteponto a densidade dos cones cai drasticamente ea dos bastonetes aumenta significativamente.

� A densidade dos bastonetes atingi um máximoem torno de 20°, diminuindo a partir desteponto lentamente.

� No ponto onde o nervo óptico chega á retinatemos uma pequena região sem fotoreceptores -o denominado ponto cego.



Percepção de cores

! Processo complexo que envolve aspropriedades físicas da luz, sua transduçãopelos fotoreceptores do olho em estímulosnervosos e a interpretação destes pelo cérebro(fenômenos físicos, fisiológicos e psicológicos).

! É a luz advinda de um objeto, seja por reflexão,transmissão e/ou emissão que estimula osistema visual humano permitindo que o objetoseja percebido visualmente.

! A cor percebida de um objeto depende não sódas características da superfície do objeto, mastambém das características da iluminação, deobjetos a sua volta e do sistema visual doobservador.



" Percepção Acromática

# Uma composição espectral aproximadamenteconstante (cada componente espectral commesma potência) é percebida com uma luzacromática.

Distribuição Espectral de Potência

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780


Den

sida

de d

e P

otên

cia

U[W

/nm

]



$ Percepção Acromática

% Uma fonte de luz (emissor de luz) acromática épercebida como branca.

% Objetos acromáticos (não emissores de luz)refletem igualmente as componentes espectraisda luz incidente. Objetos acromáticosiluminados por luz acromática são percebidoscom branco, preto ou algum tom intermediáriode cinza (branco refletem mais do que 80%;preto refletem menos do que 3%).

% Luz acromática não possui uma corpredominante (cor é o que percebemos comovermelho, verde , amarelo, etc …).

% O atributo que varia entre duas percepçãodistintas de uma luz acromática (dois tons decinza) é a luminosidade (brightness/lightness),ou seja, a quantidade de energia da luz.



& Percepção Cromática

' A sensação visual da luz cromática é mais ricado que a da luz acromática. Além daluminosidade, luz possui matiz (hue) esaturação (saturation).

' Matiz é o que associamos usualmente aoconceito de cor (vermelho, verde, etc…).

' Saturação caracteriza o grau de diluição damatiz em branco. O vermelho é uma corsaturada, o rosa é uma cor menos saturada.

' Matiz, saturação e luminosidade (hue,saturation, brightness/lightness) são conceitosfortemente associado à nossa percepção decores.

' Matiz, saturação e luminosidade podem serassociados as seguintes caracteríticas físicas:compr imento de onda dominante, pureza eluminância, respectivamente.



( Percepção Cromática

) Compr imento de onda dominante

) Pureza

Pw - potência do branco

Pd - potência da dominante

) Luminância: medida do fluxo de energia..

d

w

P

PPureza −=1



* Percepção Cromática

+ (Matiz, Saturação, Luminosidade) X(Compr imento de onda, Pureza ,Luminância)

, Exemplo: Verde saturado

, Exemplo: Verde pouco saturado

Distribuição Espectral

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780


Den

sida

de d

e P

otên

cia

P [W

/nm

]


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780Comprimento de Onda [nm]

Den

sida

de d

e P

otên

cia

P[W

/nm

]



- Instalação para experimentos de igualação decores



. Visão Monocromática (somente bastonetes)

Absorção Espectral da Rodopsina

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

380 430 480 530 580 630

Comprimento de Onda

Fato

r de

Abs

orçã

o

Condição 1

Estímulo de comprimento λ = 500 nm Estímulo de comprimento λ = 575 nm

Potência Incidente Potência Absorvida Potência Incidente Potência Absorvida

100 W 10 W 100 W 1,5 W

Condição 2

Estímulo de comprimento λ = 500 nm Estímulo de comprimento λ = 575 nm

Potência Incidente Potência Absorvida Potência Incidente Potência Absorvida

100 W 10 W 666,67 W 10 W



/ Visão Monocromática (somente bastonetes)

0 Regulando a potência os dois estímulosproduzirão a mesma sensação.

0 Dada uma luz monocromática com determinadocomprimento de onda, sempre é semprepossível produzir a mesma sensação visualdesta luz regulando a potência de outra luzmonocromática com um comprimento de ondaarbitrário (com uma luz de potência regulávelconsigo produzir a sensação visual de qualqueroutra luz)



1 Visão Dicromática (apenas dois tipos de cones)

Absorção de dois pigmentos hipotéticos com sobreposição

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

Comprimento de Onda

Fato

r de

Abs

orçã

o

A

B

λ 1 λ 2

Condição 1

Estímulo de comprimento λ1 Estímulo de comprimento λ2

PotênciaIncidente

Absorção de A Absorção de B PotênciaIncidente

Absorção de A Absorção de B

100 W 77 W 10 W 100 W 41 W 80 W

Condição 2


PotênciaIncidente



100 W 77 W 10 W 187,80 W 77 W 150,24 W

Condição 3


PotênciaIncidente



100 W 77 W 10 W 12,5 W 5,125 10 W




Absorção de dois pigmentos hipotéticos com sobreposição

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

Comprimento de Onda

Fato

r de

Abs

orçã

o

A

B

λ 1 λ2 λ 3

Condição 1

Estímulo λ1 Estímulo composto λ2 + λ3

Comprimentode Onda

PotênciaIncidente

Absorçãode A

Absorçãode B

Comprimentode Onda

PotênciaIncidente

Absorçãode A

Absorçãode B

λ1 100 W 96 W 50 W λ1 - - -

λ2 - - - λ2 100 W 77 W 10 W

λ3 - - - λ3 100 W 41 W 80 W

Total 96 W 50 W Total 118 W 90 W

Condição 2


Comprimentode Onda

PotênciaIncidente

Absorçãode A

Absorçãode B

Comprimentode Onda

PotênciaIncidente

Absorçãode A

Absorçãode B

λ1 100 W 96 W 50 W λ1 - - -

λ2 - - - λ2 97,91 W 75,39 W 9,79 W

λ3 - - - λ3 50,26 W 20,61 W 40,21 W





Condição 1


Comprimento deOnda

PotênciaIncidente

Absorçãode A

Absorçãode B

Comprimento deOnda

PotênciaIncidente

Absorçãode A

Absorçãode B

λ1 - - - λ1 100 W 96 W 50 W

λ2 - - - λ2 100 W 77 W 10 W

λ3 100 W 41 W 80 W λ3 - - -


Condição 2


Comprimento deOnda

PotênciaIncidente

Absorçãode A

Absorçãode B

Comprimento deOnda

PotênciaIncidente

Absorçãode A

Absorçãode B

λ1 - - - λ1 198,96 W 191 W 99,48 W

λ2 - - - λ2 – 194,81 W – 150 W – 19,48 W

λ3 100 W 41 W 80 W λ3 - - -





5 É possível produzir a sensação visual de umestímulo de determinado comprimento de ondapela composição de outras dois estímulos decomprimento de onda diferentes.



6 Visão Tr icromática (3 tipos de cones)

7 É possível produzir a sensação visual de umestímulo de determinado comprimento de ondapela composição de outros três estímulos decomprimento de onda diferentes.

Absorção Espectral dos Pigmentos dos Cones

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

Comprimento de Onda

Fato

r de

Abs

orçã

o

AB

C



8 Visão Tr icromática - Leis de Grassmann

9 Com três estímulos de cores diferentes eindependentes é possível produzir qualqueroutra cor (supondo que se possa subtrair cores).

9 Em uma mistura de 3 cores, se um das cores foralterada de forma contínua e gradual, oresultado também se altera de foram continua egradual.

9 Estímulos da mesma cor produzem efeitosidênticos em misturas independentemente dacomposição espectral



: Visão Tr icromática - Corolár ios Leis deGrassmann

; Se um estímulo a tem mesma cor que estímulob e um estímulo c tem mesma cor que umestímulo d, então a soma de a com c produz amesma cor da soma de b com d. (se a = b e c =d, então a + c = b +d)

; Se um estímulo a tem mesma cor que estímulob e uma mistura c tem mesma cor que umamistura d, então a subtração de a da mistura cproduz a mesma cor da subtração de b damistura d. (se a = b e c = d, então c - a = d - b)

; Se uma unidade de um estímulo a tem a mesmacor que uma unidade de um estímulo b, entãoqualquer quantidade de unidades de um dosestímulos tem a mesma cor que a mesmaquantidade de unidades do outro estímulo.

; Comportamento linear:

BGRC BGR ++=



< Manipulação de Cores através de álgebra lineare representação vetor ial.

= Mistura aditiva de C1 com C2

BGRC 1111 BGR ++=

BGRC 2222 BGR ++=

BGRCC )()()( 21212121 BBGGRR +++++=+


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780


Den

sida

de d

e P

otên

cia

P[W

/nm

]



> Manipulação de Cores através de álgebra lineare representação vetor ial.

? Mistura aditiva de cores monocromáticasC = C1+ C2 …+ Cn

BGRC ∑∑∑===

++=n

ii

n

ii

n

ii BGR

111



@ Visão Tr icromática - Funções de igualação decores (color matching funtions)

A Estímulos primários:

R = 700 nm; G = 546,1 nm; B = 435,8 nm

Funções de Igualação de Cores

-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780


Val

or d

o es

tímul

o

b(λ)

g(λ)

r(λ)



B Visão Tr icromática - Funções de Igualação decores

C Para estímulo com uma composição espectralarbitrária tem-se um processo de integração

ea978 sistemas de informações gráficas 1º semestre de...

Documents