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Disciplina de Processamento de Imagens1

Prof. Fabio Augusto Faria

Instituto de Ciencia e TecnologiaUNIFESPSala 106

[email protected]://fafaria.wix.com/fabiofaria

Segundo Semestre de 2015

1Aulas baseadas no material do Prof. Helio Pedrini

Regras

Existe lista de presenca!

Aluno com menos de 75% de presenca, sera reprovadoautomaticamente;

Geralmente, a lista e disponibilizada no inıcio de cada aula.

Prof. Fabio Augusto Faria (ICT/UNIFESP) Segundo Semestre de 2015 2 / 46

Regras

Temos um site da disciplina!

Adicione o calendario google da disciplina para que possa recebernotificacoes (e.g., aula, prova, exercıcios, etc).

Temos um grupo de emails para comunicacao rapida. Leiam erespondam emails!!!!


Objetivos

Gerais: Fornecer uma introducao a teoria e aplicacoes deprocessamento digital de imagens. Os topicos irao incluirfundamentos de aquisicao de imagens, realce de imagens, filtros etransformadas, segmentacao e aplicacoes.

Especıficos: Ao final do curso, os estudantes devem ser capazes deprojetar e implementar operadores e processamentos diversos sobreimagens digitais de diversas modalidades e protocolos.


Recursos Tecnologicos

Biblioteca;

Laboratorio de Informatica;

Datashow;

Artigos e Apostilas;

Ferramentas de Manipulacao de Imagens;

Internet.


Avaliacao

Provas:2

I Prova 1: 15/10/2015I Prova 2: 26/11/2015I Exame: 22/12/2015

Trabalhos Praticos:I Trabalhos Individuais: a definirI Projeto Final: relatorio em forma de artigo cientıfico (latex),

experimentos e seminario.

2Uma vez marcadas, as datas das provas nao sofrerao alteracao.Prof. Fabio Augusto Faria (ICT/UNIFESP) Segundo Semestre de 2015 6 / 46

Projeto Final

Estudo, Analise e Testes de uma aplicacao de Processamento deImagens:

I Definir um projeto de estudo e analise de processamento de imagem(e.g., artigo);

I Elaborar uma Metodologia de Processamento de Imagens;I Usar os conhecimentos aprendidos na disciplina;I Construir uma analise interessante e relevante;I Identificar, pesquisar e usar recursos avancados (bibliotecas).


Ementa da Disciplina

Definicao de processamento de imagens e imagens;

Processo de aquisicao de imagens digitais;

Transformacoes geometricas e afins;

Interpolacao de pixels;

Convolucao e correlacao;

Histograma de imagens;

Filtragem no domınio espacial;

Formatos e operacoes sobre imagens

Coloridas;

Bordas e gradientes;

Morfologia;

Segmentacao de regioes;

Descritores de imagens;

Transformadas no domınio da frequencia.


Ementa Extra

Manipulacao de Imagens:I Medicas (Biblioteca BIAL);I Biologicas (OpenCV+python);I Sensoreamento Remoto (software a definir).

Manipulacao de Vıdeos.


Softwares na Literatura

Aprendizagem e Projetos Individuais:I Bibliotecas de manipulacao de imagens na linguagem que desejar, de

preferencia C/C++ ou Python;I OpenCV sem utilizacao de funcoes prontas.

Aulas praticas e Projeto Final:I OpenCV;I Scikit-image;I Matlab;I Octave;I Scilab;I Irfanview;I GIMP;I ...


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Sempre pergunte, nao fique com a duvida!

E Vamos fazer coisas legais!!!!

Muito obrigado!


Introducao

Visao Computacional

Processamento Digital de Imagens

Analise de Imagens


Introducao - Visao Computacional

A visao computacional procura auxiliar a resolucao de problemasaltamente complexos, buscando imitar a cognicao humana e ahabilidade do ser humano em tomar decisoes de acordo com asinformacoes contidas na imagem.


Introducao - Processamento de Imagens

O processamento digital de imagens consiste em um conjunto detecnicas para capturar, representar e transformar imagens com oauxılio de computador.

O emprego dessas tecnicas permite extrair e identificar informacoesdas imagens e melhorar a qualidade visual de certos aspectosestruturais, facilitando a percepcao humana e a interpretacaoautomatica por meio de maquinas.


Introducao - Analise de Imagens

A analise/interpretacao de imagens visa obter uma descricao quecontenha informacao suficiente para distinguir entre diferentesobjetos de interesse, de forma confiavel e requerendo o mınimo deintervencao humana.

Certos passos relevantes que envolvem o processamento e a analise deimagens, muitas vezes, e realizada por um operador humano quedetem o conhecimento ou a experiencia sobre o domınio daaplicacao.


Areas de Aplicacao

O crescente avanco da tecnologia digital, associado aodesenvolvimento de novos algoritmos, tem permitido um numero deaplicacoes cada vez maior.

Exemplos de domınios de conhecimento que envolvem a utilizacao detecnicas de processamento de imagens para resolver problemas:

I medicinaI microscopiaI biologiaI automacao industrialI sensoriamento remotoI astronomiaI area militarI seguranca e vigilanciaI computacao forenseI arqueologiaI artesI recuperacao de imagens por conteudo


MedicinaDiagnosticos medicos podem ser auxiliados com o uso de imagenscapturadas por raios X, tomografia computadorizada, ressonanciamagnetica e ultra-sonografia.Varios campos da medicina tem se beneficiado com o aprimoramentode diagnosticos por meio de imagens, em particular, a oncologia, acardiologia e a ortopedia.A analise e a interpretacao dessas imagens facilitam, por exemplo, aidentificacao de lesoes ou regioes atingidas por cancer, permitindo aosmedicos maior precisao e rapidez nos diagnosticos, bem como melhorplanejamento dos tratamentos e das cirurgias.


Microscopia

A analise de imagens capturadas por meio de microscopios opticos oueletronicos beneficia areas que variam desde a biologia ate ametalurgia.

Exemplos de aplicacao:I contagem e identificacao de celulas sanguıneas em laminas de

microscopia.I analise de estruturas em cristalografia.I analise e identificacao de especies de insetos.


Automacao Industrial

Na automacao industrial, montagem e inspecao de produtos, visaorobotica e controle de qualidade podem ser realizados a partir detecnicas de processamento e analise de imagens.

Atividades comuns:I verificacao de falhas em circuitos impressos.I separacao de pecas por robos em uma linha de montagem.I classificacao de defeitos em soldas.3

3Imagens Extraıdas da Internet.Prof. Fabio Augusto Faria (ICT/UNIFESP) Segundo Semestre de 2015 19 / 46

Sensoriamento Remoto

A analise de fotografias aereas ou imagens de satelite permite umamelhor compreensao da superfıcie terrestre, auxiliando tarefas como:

I acompanhamento de areas urbanas.I previsao de fenomenos como terremotos, erupcao de vulcoes,

inundacoes e furacoes.I monitoracao de areas atingidas por erosao.I determinacao de areas de desmatamento ou plantacao ilegal (e.g.,

cannabis).I extracao de feicoes cartograficas (por exemplo, estradas, rios,

edificacoes, divisa de culturas).


Area Militar

As tecnicas de processamento e analise de imagens possuem inumerasaplicacoes na area militar, podendo-se destacar:

I identificacao de alvos em imagens de satelite.I rastreamento de alvos para lancamento de mısseis.I navegacao de veıculos autonomos (DARPA Grand Challenge).I deteccao de obstaculos no trajeto de robos.4


Seguranca e Vigilancia

A identificacao de impressoes digitais e uma atividade que possibilitaa recuperacao de uma impressao digital em um banco de imagens.

A identificacao de faces permite a distincao de indivıduos a partir deimagens ou sequencias de vıdeo.

O reconhecimento de assinaturas possibilita a verificacao daautenticidade de assinaturas em cheques e outros documentos.

O reconhecimento automatico de placas de veıculos visa dotar umamaquina com a capacidade de localizar e interpretar o conteudo daplaca de um veıculo.5


Computacao Forense

Metodos cientıficos para preservacao, coleta, validacao, identificacao,analise, interpretacao, documentacao e apresentacao de evidenciasderivadas de meios digitais com validade probatoria em juızo parafacilitar a reconstrucao de eventos, normalmente de natureza criminal6.

analise de dados (documentos, imagens, vıdeos):I atribuicao de origem.I verificacao de autenticidade ou adulteracoes.I reconstrucao de eventos de manipulacao.

6Prof. Edward Delp, School of Electrical and Computer Engineering, Purdue University.Prof. Fabio Augusto Faria (ICT/UNIFESP) Segundo Semestre de 2015 23 / 46

Arqueologia e Artes

Muitas atividades tem sido beneficiadas com o uso de tecnicas deprocessamento e analise de imagens, por exemplo:

I restauracao de artefatos raros.I pinturas e documentos antigos.I criacao de museus virtuais.I avanco da fotografia digital.


Recuperacao de Imagens por ConteudoA recuperacao de imagens por conteudo tambem tem grandeutilidade na identificacao e na selecao de dados em bases graficas evıdeos, eliminando determinadas restricoes encontradas em sistemasde busca em bases textuais.


Etapas de um Sistema de Processamento de Imagens

resultado

domínio do problema

Aquisição

Pré−processamento

Segmentação

Representaçãoe

Descrição

Reconhecimentoe

Interpretação

Base

de

Conhecimento


Domınio do Problema e Base de Conhecimento

Um sistema de processamento digital de imagens e constituıdo porum conjunto de etapas capazes de produzir um resultado a partir dodomınio do problema.

O conhecimento sobre o domınio do problema esta codificado em umsistema de processamento de imagens na forma de uma base deconhecimento. A base de conhecimento e dependente da aplicacao,cujo tamanho e complexidade podem variar significativamente. A basede conhecimento pode ser utilizada para guiar a comunicacao entre osmodulos de processamento a fim de executar uma determinada tarefa.


Aquisicao

A etapa de aquisicao e responsavel pela captura da imagem por meiode um dispositivo ou sensor e pela sua conversao em umarepresentacao adequada para o processamento digital subsequente.

Os principais dispositivos para aquisicao de imagens sao cameras devıdeo, tomografos medicos, satelites e scanners.

Dentre os aspectos envolvidos nesta etapa estao a escolha do tipode sensor, as condicoes de iluminacao da cena, a resolucao e onumero de nıveis de cinza ou cores da imagem digitalizada.


Pre-Processamento

A imagem digital resultante do processo de aquisicao podeapresentar imperfeicoes ou degradacoes decorrentes, por exemplo,das condicoes de iluminacao ou caracterısticas dos dispositivos.

A etapa de pre-processamento visa melhorar a qualidade daimagem por meio da aplicacao de tecnicas para atenuacao deruıdo, correcao de contraste ou brilho e suavizacao dedeterminadas propriedades da imagem.


Segmentacao

A etapa de segmentacao realiza a extracao e identificacao de areasde interesse contidas na imagem.

Esta etapa e geralmente baseada na deteccao de descontinuidades(bordas) ou de similaridades (regioes) na imagem.


Representacao e Descricao

Estruturas adequadas de representacao devem ser utilizadas paraarmazenar e manipular os objetos de interesse extraıdos da imagem.

O processo de descricao visa a extracao de caracterısticas oupropriedades que possam ser utilizadas na discriminacao entreclasses de objetos. Essas caracterısticas sao, em geral, descritas poratributos numericos que formam um vetor de caracterısticas.


Reconhecimento ou Classificacao

Reconhecimento ou classificacao e o processo que atribui umidentificador ou rotulo aos objetos da imagem, baseado nascaracterısticas providas pelos seus descritores.

O processo de interpretacao consiste em atribuir um significado aoconjunto de objetos reconhecidos.

A forma dos contornos de celulas sanguıneas, por exemplo, podeauxiliar o diagnostico de anemias por meio da contagem automaticadas celulas em uma amostra de sangue.


Componentes de um Sistema de Processamento deImagens

Aquisição ExibiçãoProcessamento

rede de computadores

câmeras

monitores

impressoras

Armazenamento Programas

discos magnéticos

fitas magnéticas

discos ópticos pacotes

tomógrafos

processador

bibliotecas

módulos

digitalizadores


Dispositivos de Entrada e Saıda

Esses dispositivos podem ser utilizados para aquisicao,armazenamento, processamento, transmissao e exibicao deimagens.

Os parametros de funcionalidade e desempenho dos dispositivos saodependentes, em grande parte, das areas que os utilizam.


Dispositivos para Aquisicao

Na etapa de aquisicao, dispositivos sensıveis a uma certa banda doespectro eletromagnetico, tais como raios X ou raios infravermelhos,produzem um sinal eletrico de saıda proporcional ao nıvel de energiadetectado.

Esse sinal eletrico e convertido em informacao digital, tornandopossıvel sua interpretacao por meio de computadores.

Dentre os diversos tipos de dispositivos existentes, os mais comunssao cameras de vıdeo, tomografos medicos, digitalizadores (scanners)e satelites.

Os dispositivos de aquisicao podem apresentar caracterısticas bemdiferentes em termos de resolucao espacial, velocidade de operacao,precisao e custo.


Dispositivos para Armazenamento

Imagens e vıdeos requerem alta capacidade de armazenamento.

Exemplos:

a) Uma imagem colorida de 1024 × 1024 pixels, cada pixel representado por 24bits, requer 3 Mbytes para seu armazenamento sem compressao.

b) Um vıdeo com duracao de 1 minuto, formado por imagens de 512 × 512 pixels,

exibidas a uma taxa de 30 imagens por segundo (fps), cada pixel representado por

24 bits, requer aproximadamente 1.4 Gbytes para seu armazenamento.



Um modo de prover o armazenamento temporario e por meio damemoria principal do computador.

Outra opcao e o uso de placas graficas especializadas (framebuffers) que armazenam uma ou mais imagens, permitindo altavelocidade de acesso (por exemplo, 30 imagens/segundo).

Discos magneticos sao outra forma de armazenamento, podendoatingir dezenas de Gbytes de armazenamento.7



O armazenamento de imagens tambem pode ser caracterizado porgrandes volumes de informacoes, entretanto, sem a necessidade deacesso frequente.

Fitas magneticas de alta densidade e discos opticos sao meioscomuns de armazenamento nessas situacoes. IBM+Fujifilm lancamfita magnetica de 220TB (April/2015).

Tecnicas de compressao de imagens podem reduzirsignificativamente a quantidade de informacoes a ser armazenada.8


Dispositivos para Transmissao

A transmissao de imagens digitais entre sistemas de computadoreslocais ou remotos pode ser realizada por meio de protocolos decomunicacao existentes nas redes de computadores disponıveis.

A transmissao de imagens a longas distancias ainda e um desafioem virtude da grande quantidade de dados contidos em uma imagem,especialmente quando os canais de comunicacao possuem baixavelocidade e banda passante estreita.

Exemplo:

Suponha uma linha telefonica com taxa de transmissao igual a 9600 bits/segundo.

Aproximadamente 15 minutos seriam necessarios para a transmissao de uma

imagem com dimensoes 1024 × 1024 pixels, 8 bits para cada pixel.


Dispositivos para Transmissao

Ligacoes sem fio utilizando estacoes intermediarias, tais comosatelites, sao mais rapidas, porem, consideravelmente mais caras.

Tecnicas de compressao de imagens podem ser utilizadas parareduzir a quantidade de informacoes a ser transmitida de um ponto aoutro.


Dispositivos para Exibicao

O monitor de vıdeo e o principal dispositivo de saıda utilizado emsistemas de processamento de imagens.

Nos monitores de tubos de raios catodicos (CRT), a tela do monitor,composta por camadas de fosforo, e atingida por feixes de eletronscontrolados por um sistema que percorre toda a extensao da tela,tanto no sentido horizontal quanto vertical. Um ponto de luz egerado quando o eletron atinge o fosforo. Esse processo de geracaoda imagem ponto a ponto e conhecido como varredura.9



Outras tecnologias tem sido desenvolvidas para melhorar a qualidadedas imagens exibidas pelos dispositivos de vıdeo, dentre elas estao osmonitores de cristal lıquido (LCD) e de plasma.

Nos monitores de cristal lıquido, a imagem e formada pelapolarizacao de pequenas celulas de cristal lıquido colocadas entreduas camadas de vidro. As principais vantagens desses monitores emrelacao ao monitores de tubos sao o baixo consumo de energia, menorvolume ocupado e baixa ou nenhuma emissao de radiacao nociva.

Nos monitores de plasma, a imagem e gerada por meio de eletrodoscarregados entre paineis de cristal, que originam pequenas explosoesde gas xenonio que, por sua vez, interagem com luz ultravioleta paraexcitar uma fina camada de fosforo. A imagem da tela de plasmaapresenta alta nitidez e nao possui problemas de distorcao nasextremidades da tela.



Nos monitores de LED (light-emitting diode), a imagem e gerada porum LCD convencional ”iluminada por tras”por LEDs (diodos deemissao de luz). Mais nitidez e menos energia que LCD tradicional.

As OLED (organic light-emitting diode) e um painel flexıvel feito demateriais organicos que, quando estimulados por corrente eletrica,pode exibir quaisquer cores primaria. Mais flat e economia de energiaque LED.10



Alem dos monitores de vıdeo, ha diversas formas de exibicao deimagens em papel.

A reproducao fotografica possui alta qualidade.

Outra possibilidade e o uso de papel sensıvel a temperatura, muitodifundido em equipamentos de fax.

A utilizacao de impressoras termicas coloridas tem aumentadoconsideravelmente nos ultimos anos. Essas impressoras baseiam-se nadeposicao de cera colorida sobre um papel especial para produzir aimpressao.

Outros tipos incluem as impressoras laser e de jato de tinta paraexibir as imagens em papel.


Unidade de Processamento

A unidade de processamento pode variar conforme o nıvel dedesempenho requerido pela aplicacao.

Determinadas tarefas podem demandar alto poder de processamento,por exemplo, o reconhecimento de objetos em tempo real.Entretanto, muitos sistemas de processamento de imagens podem seratualmente executados em microcomputadores convencionais.

Os programas para processamento de imagens consistem em rotinasou modulos especıficos para realizar uma determinada tarefa.

Bibliotecas podem ser integradas em codigos desenvolvidos porusuarios ou em pacotes sofisticados de processamento de imagens.


Referencias

Aulas Prof. Dr. Fabio Cappabianco (UNIFESP)

Aulas Prof. Dr. Alexandre Falcao (UNICAMP)

Aulas Prof. Dr. Guilhermo Camara-Chavez (UFOP)

H. PEDRINI, W. R. SCHWARTZ. Analise de Imagens Digitais, 2008.

R.G. GONZALEZ, R.E. WOODS. Digital Image ProcessingPrentice-Hall, 2007.

M. PETROU, C. PETROU. Image Processing: The Fudamentals.2nd Edition, 2010.


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