introdução ao processamento de imagens digitais

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Introdu¸c˜ ao ao Processa- mento de Imagem Digital Murilo Adriano Vasconcelos Thiago da Silva Arruda ´ Indice Elementos da Percep¸ ao Visual Anatomia do olho O espectro Sensores Amostragem e quantiza¸c˜ ao Introdu¸c˜ ao ao Processamento de Imagem Digital Murilo Adriano Vasconcelos Thiago da Silva Arruda Instituto de Computa¸c˜ ao - Universidade Estadual de Campinas March 13, 2012

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Apresentação sobre parte do Capítulo 2 do livro Digital Image Processing de GONZALEZ e WOODS preparada para a disciplina de Processamento de Imagens Digitais do IC - Unicamp semestre 1/2012. Cobre a anatomia do olho humano, o espectro eletromagnético, sensores e aquisição de imagens e amostragem e quantização de imagens.

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Page 1: Introdução ao Processamento de Imagens Digitais

Introducao aoProcessa-mento deImagemDigital

MuriloAdriano

VasconcelosThiago da

Silva Arruda

Indice

Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Introducao ao Processamento de ImagemDigital

Murilo Adriano VasconcelosThiago da Silva Arruda

Instituto de Computacao - Universidade Estadual de Campinas

March 13, 2012

Page 2: Introdução ao Processamento de Imagens Digitais

Introducao aoProcessa-mento deImagemDigital

MuriloAdriano

VasconcelosThiago da

Silva Arruda

Indice

Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

1 Elementos da Percepcao Visual

2 Anatomia do olhoO olho humanoComponentes do olho humanoFormacao da imagens e brilho

3 O espectroA luz e o espectro eletromagnetico

4 SensoresSensores e aquisicao de imagensModelo de formacao de imagens

5 Amostragem e quantizacaoAmostragem e quantizacao de imagens

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Introducao aoProcessa-mento deImagemDigital

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Silva Arruda

Indice

Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Anatomia do olho humano

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Introducao aoProcessa-mento deImagemDigital

MuriloAdriano

VasconcelosThiago da

Silva Arruda

Indice

Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Anatomia do olho humano

A ıris controla a quantidade de luz que entra no olho

O ajuste do foco e realizado pelo cristalino

A luz de um objeto focalizado forma uma imagem naretina

A imagem e “capturada” pelos cones e bastonetes

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Introducao aoProcessa-mento deImagemDigital

MuriloAdriano

VasconcelosThiago da

Silva Arruda

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Anatomia do olho humano

A ıris controla a quantidade de luz que entra no olho

O ajuste do foco e realizado pelo cristalino

A luz de um objeto focalizado forma uma imagem naretina

A imagem e “capturada” pelos cones e bastonetes

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Introducao aoProcessa-mento deImagemDigital

MuriloAdriano

VasconcelosThiago da

Silva Arruda

Indice

Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Anatomia do olho humano

A ıris controla a quantidade de luz que entra no olho

O ajuste do foco e realizado pelo cristalino

A luz de um objeto focalizado forma uma imagem naretina

A imagem e “capturada” pelos cones e bastonetes

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Introducao aoProcessa-mento deImagemDigital

MuriloAdriano

VasconcelosThiago da

Silva Arruda

Indice

Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Anatomia do olho humano

A ıris controla a quantidade de luz que entra no olho

O ajuste do foco e realizado pelo cristalino

A luz de um objeto focalizado forma uma imagem naretina

A imagem e “capturada” pelos cones e bastonetes

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Introducao aoProcessa-mento deImagemDigital

MuriloAdriano

VasconcelosThiago da

Silva Arruda

Indice

Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Cones

Cada olho contem entre 6 e 7 milhoes de cones

Estao localizados na regiao da fovea

Sao sensıveis a cores, conseguem distinguir pequenasvariacoes entre cores

A visao realizada pelos cones tambem e conhecida comovisao de luz clara

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Cones

Cada olho contem entre 6 e 7 milhoes de cones

Estao localizados na regiao da fovea

Sao sensıveis a cores, conseguem distinguir pequenasvariacoes entre cores

A visao realizada pelos cones tambem e conhecida comovisao de luz clara

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Cones

Cada olho contem entre 6 e 7 milhoes de cones

Estao localizados na regiao da fovea

Sao sensıveis a cores, conseguem distinguir pequenasvariacoes entre cores

A visao realizada pelos cones tambem e conhecida comovisao de luz clara

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Cones

Cada olho contem entre 6 e 7 milhoes de cones

Estao localizados na regiao da fovea

Sao sensıveis a cores, conseguem distinguir pequenasvariacoes entre cores

A visao realizada pelos cones tambem e conhecida comovisao de luz clara

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Bastonetes

Em cada olho ha entre 75 e 150 milhoes de bastonetes

Servem para dar uma ma imagem geral do campo de visao

Estao distribuıdos sobre toda a regiao da retina

Sao sensıveis a baixos nıveis de iluminacao

A visao pelos bastonetes e conhecida como visao de luzescura

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Bastonetes

Em cada olho ha entre 75 e 150 milhoes de bastonetes

Servem para dar uma ma imagem geral do campo de visao

Estao distribuıdos sobre toda a regiao da retina

Sao sensıveis a baixos nıveis de iluminacao

A visao pelos bastonetes e conhecida como visao de luzescura

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Bastonetes

Em cada olho ha entre 75 e 150 milhoes de bastonetes

Servem para dar uma ma imagem geral do campo de visao

Estao distribuıdos sobre toda a regiao da retina

Sao sensıveis a baixos nıveis de iluminacao

A visao pelos bastonetes e conhecida como visao de luzescura

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Bastonetes

Em cada olho ha entre 75 e 150 milhoes de bastonetes

Servem para dar uma ma imagem geral do campo de visao

Estao distribuıdos sobre toda a regiao da retina

Sao sensıveis a baixos nıveis de iluminacao

A visao pelos bastonetes e conhecida como visao de luzescura

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Bastonetes

Em cada olho ha entre 75 e 150 milhoes de bastonetes

Servem para dar uma ma imagem geral do campo de visao

Estao distribuıdos sobre toda a regiao da retina

Sao sensıveis a baixos nıveis de iluminacao

A visao pelos bastonetes e conhecida como visao de luzescura

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Formacao da imagem no olho

A focalizacao e obtida variando o formato do cristalino

A imagem e projetada na retina, principalmente na fovea

Os receptores de luz em impulsos eletricos

Os impulsos eletricos sao decodificados pelo cerebro

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Formacao da imagem no olho

A focalizacao e obtida variando o formato do cristalino

A imagem e projetada na retina, principalmente na fovea

Os receptores de luz em impulsos eletricos

Os impulsos eletricos sao decodificados pelo cerebro

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Formacao da imagem no olho

A focalizacao e obtida variando o formato do cristalino

A imagem e projetada na retina, principalmente na fovea

Os receptores de luz em impulsos eletricos

Os impulsos eletricos sao decodificados pelo cerebro

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Formacao da imagem no olho

A focalizacao e obtida variando o formato do cristalino

A imagem e projetada na retina, principalmente na fovea

Os receptores de luz em impulsos eletricos

Os impulsos eletricos sao decodificados pelo cerebro

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Adaptacao ao brilho

A escala de adaptacao do olho humano e da ordem de 1010

O brilho subjetivo (brilho percebido pelo olho) e umafuncao logarıtmica da intensidade da luz

O olho se adapta ao brilho, restringindo a percepcao auma pequena parte da escala

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Adaptacao ao brilho

A escala de adaptacao do olho humano e da ordem de 1010

O brilho subjetivo (brilho percebido pelo olho) e umafuncao logarıtmica da intensidade da luz

O olho se adapta ao brilho, restringindo a percepcao auma pequena parte da escala

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Adaptacao ao brilho

A escala de adaptacao do olho humano e da ordem de 1010

O brilho subjetivo (brilho percebido pelo olho) e umafuncao logarıtmica da intensidade da luz

O olho se adapta ao brilho, restringindo a percepcao auma pequena parte da escala

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O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Adaptacao ao brilho

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O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Adaptacao ao brilho - Bandas de Mach

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O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Adaptacao ao brilho - Contraste Simultaneo

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O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Adaptacao ao brilho - Ilusao de Otica

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

O espectro eletromagnetico

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

O espectro visıvel

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

O espectro visıvel

Objetos sao perceptıveis aos humanos pela reflexao deondas eletromagneticas do espectro visıvel

A luz monocromatica possuı como atributo somente aintensidade em nıvel de cinza

A luz cromatica possui os atributos radiancia, luminancia ebrilho

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

O espectro visıvel

Objetos sao perceptıveis aos humanos pela reflexao deondas eletromagneticas do espectro visıvel

A luz monocromatica possuı como atributo somente aintensidade em nıvel de cinza

A luz cromatica possui os atributos radiancia, luminancia ebrilho

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

O espectro visıvel

Objetos sao perceptıveis aos humanos pela reflexao deondas eletromagneticas do espectro visıvel

A luz monocromatica possuı como atributo somente aintensidade em nıvel de cinza

A luz cromatica possui os atributos radiancia, luminancia ebrilho

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Outras faixas do espectro

Raios X: aplicacoes industriais e medicas

Banda Infravermelho: geracao de imagens ”termicas”

Ondas de radio: Imagens espaciais

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Outras faixas do espectro

Raios X: aplicacoes industriais e medicas

Banda Infravermelho: geracao de imagens ”termicas”

Ondas de radio: Imagens espaciais

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Outras faixas do espectro

Raios X: aplicacoes industriais e medicas

Banda Infravermelho: geracao de imagens ”termicas”

Ondas de radio: Imagens espaciais

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Sensores e aquisicao de imagens

Na maioria dos processos de geracao de imagens, umafonte emite energia luminosa que e refletida ou absorvidapelos objetos da “cena”

A energia resultante e direcionada para um sensor, quegera uma tensao de saıda

A digitalizacao da tensao de saıda e utilizada para comporuma imagem digital

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Sensores e aquisicao de imagens

Na maioria dos processos de geracao de imagens, umafonte emite energia luminosa que e refletida ou absorvidapelos objetos da “cena”

A energia resultante e direcionada para um sensor, quegera uma tensao de saıda

A digitalizacao da tensao de saıda e utilizada para comporuma imagem digital

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Sensores e aquisicao de imagens

Na maioria dos processos de geracao de imagens, umafonte emite energia luminosa que e refletida ou absorvidapelos objetos da “cena”

A energia resultante e direcionada para um sensor, quegera uma tensao de saıda

A digitalizacao da tensao de saıda e utilizada para comporuma imagem digital

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Sensor unico

O fotodiodo e o sensor mais comum deste tipo

A digitalizacao da onda de tensao de saıda e utilizada paracompor uma imagem digital

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Sensor unico

O fotodiodo e o sensor mais comum deste tipo

A digitalizacao da onda de tensao de saıda e utilizada paracompor uma imagem digital

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Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Sensor unico

Para gerar imagens bidimensionais utilizando este sensor enecessario que o deslocamento do sensor nas duas direcoes(x , y)

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Sensor de varredura em linha

Agrupamento sequencial de sensores

Captura uma linha de imagem por vez

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Sensor de varredura em linha

Agrupamento sequencial de sensores

Captura uma linha de imagem por vez

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Sensor de varredura em linha - Raios-X

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Sensor de varredura em linha

Agrupamento sequencial de sensores

Captura uma linha de imagem por vez

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Sensor de varredura em linha

Agrupamento sequencial de sensores

Captura uma linha de imagem por vez

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Sensor matricial

Os sensores sao organizados em linhas e colunas

A imagem e capturada de uma vez

A imagem e formada pela digitalizacao do sinal de cadasensor

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Sensor matricial

Os sensores sao organizados em linhas e colunas

A imagem e capturada de uma vez

A imagem e formada pela digitalizacao do sinal de cadasensor

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Sensor matricial

Os sensores sao organizados em linhas e colunas

A imagem e capturada de uma vez

A imagem e formada pela digitalizacao do sinal de cadasensor

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Sensor matricial

Figure: Processo de aquisicao de imagens

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Modelo de formacao de imagens

Uma imagem digital e definida por uma funcao0 < f (x , y) < +∞

Dois componentes: quantidade de iluminacao incidente equantidade refletida:

f (x , y) = i(x , y) · r(x , y), onde: 0 < i(x , y) < +∞ e0 < r(x , y) < 1

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Modelo de formacao de imagens

Uma imagem digital e definida por uma funcao0 < f (x , y) < +∞Dois componentes: quantidade de iluminacao incidente equantidade refletida:

f (x , y) = i(x , y) · r(x , y), onde: 0 < i(x , y) < +∞ e0 < r(x , y) < 1

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Amostragem e quantizacao de imagens

Figure: Producao de uma imagem digital.

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Amostragem e quantizacao de imagens

Figure: Uma imagem contınua projetada em uma matriz de sensorese o resultado da amostragem e quantizacao da imagem.

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Representacao de imagens

Figure: Exemplos de representacao: grafica, por matriz visual enumerica

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Nıveis discretos de intensidade

O numero de nıveis de intensidade costuma ser umapotencia de 2: L = 2k

Faixa dinamica e a diferenca entre a intensidade mınimae maxima detectavel por um sistema

O limite superior e a saturacao e o inferior e chamadoruıdo

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Nıveis discretos de intensidade

O numero de nıveis de intensidade costuma ser umapotencia de 2: L = 2k

Faixa dinamica e a diferenca entre a intensidade mınimae maxima detectavel por um sistema

O limite superior e a saturacao e o inferior e chamadoruıdo

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Nıveis discretos de intensidade

O numero de nıveis de intensidade costuma ser umapotencia de 2: L = 2k

Faixa dinamica e a diferenca entre a intensidade mınimae maxima detectavel por um sistema

O limite superior e a saturacao e o inferior e chamadoruıdo

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Nıveis discretos de intensidade

Figure: Exemplo de saturacao e ruıdo em uma imagem.

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Elementos daPercepcaoVisual

Anatomia doolho

O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Resolucao espacial

Metodos de expressao de resolucao espacialPares de linhas por unidade de distancia

Pixels por unidade de distancia (dpi)

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Resolucao espacial

Metodos de expressao de resolucao espacialPares de linhas por unidade de distanciaPixels por unidade de distancia (dpi)

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O espectro

Sensores

Amostragem equantizacao

Resolucao de intensidade

E definida pelo numero de bits por pixel da imagem

A quantidade de bits por pixel (n) determina a quantidadede cores representaveis (2n)

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Resolucao de intensidade

E definida pelo numero de bits por pixel da imagem

A quantidade de bits por pixel (n) determina a quantidadede cores representaveis (2n)

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Amostragem equantizacao

Isopreferencia

Analise subjetiva da qualidade da imagem em funcao daresolucao e dos nıveis de intensidade

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Amostragem equantizacao

Interpolacao de imagens

Metodos para ajuste de imagens apos operacoes deredimensionamento

Algumas tecnicas de interpolacao:

Interpolacao do vizinho mais proximoInterpolacao bilinear: v(x , y) = ax + by + cxy + d

Interpolacao bicubica: v(x , y) =∑3

i=0

∑3j=0 aijx

iy j

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Interpolacao de imagens

Metodos para ajuste de imagens apos operacoes deredimensionamento

Algumas tecnicas de interpolacao:

Interpolacao do vizinho mais proximoInterpolacao bilinear: v(x , y) = ax + by + cxy + d

Interpolacao bicubica: v(x , y) =∑3

i=0

∑3j=0 aijx

iy j

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Interpolacao de imagens

Metodos para ajuste de imagens apos operacoes deredimensionamento

Algumas tecnicas de interpolacao:

Interpolacao do vizinho mais proximoInterpolacao bilinear: v(x , y) = ax + by + cxy + d

Interpolacao bicubica: v(x , y) =∑3

i=0

∑3j=0 aijx

iy j

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Amostragem equantizacao

Interpolacao de imagens

Figure: Na primeira linha, as imagens foram reduzidas a 72dpi eampliado de volta ao tamanho original (3692x2812 px) aplicando astecnicas: vizinho mais proximo, bilinear e bicubica. Na segunda linhafoi feito o mesmo porem as imagens fora reduzidas a 150dpi ao invesde 72dpi.

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Referencia

GONZALEZ, Rafael C.; Woods, Richard E. Processamentode Imagens Digitais 3a Edicao