Introdução ao Processamento de Imagens
Prof. José Maurício [email protected]
1
Material cedido por: Prof. Eustáquio Rangel de Queiroz
2
Processamento de Imagens x Sistema Visual Humano Questões preliminares
Que diferenças de intensidade podem ser discriminadas?
Qual é a resolução espacial do olho humano?
Quão precisamente o sistema visual-cérebro estima e compara distâncias e áreas?
Como o olho percebe cores?
A partir de quais características o olho- cérebro detecta e distingue objetos?
Base de Discussão
3
4
5
Estrutura do Olho Humano Diâmetro ~20 mm Córnea
Tecido resistente e transparente
Membranas (túnicas) Retina, Coróide & Esclerótica
Íris
Controle da quantidade de luz que entra no olho
Face anterior Pigmento visível do olho
Considerações Iniciais
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Sistema e Percepção Visual Humana Retina
75-150 milhões de bastões
Sensibilidade a níveis muito baixos de intensidade luminosa
Visão escotópica
5-7 milhões de cones
Sensibilidade a cores Visão fotópica
Adaptabilidade a níveis luminosos do ambiente
7
Sistema e Percepção Visual Humana
Comportamento responsável por algumas ilusões visuais
Camadas da retinaCamadas da retina
Humor vHumor víítreotreo
Nervo Nervo óópticoptico
Vasos sangVasos sangüíüíneosneos
EscleraEsclera
ConjuntivaConjuntiva
CCóórnearnea
ÍÍ risris
PupilaPupila
LenteLente
Camadas da retinaCamadas da retina
Humor vHumor víítreotreo
Nervo Nervo óópticoptico
Vasos sangVasos sangüíüíneosneos
EscleraEsclera
ConjuntivaConjuntiva
CCóórnearnea
ÍÍ risris
PupilaPupila
LenteLente
ConeCone
FundoFundodo olhodo olho
BastãoBastão
FotorreceptoresFotorreceptores
CCéélula lula amamáácrinacrina
CCéélula lula horizontalhorizontal
GânglioGânglio
CCéélula lula bipolarbipolar
ConeCone
FundoFundodo olhodo olho
BastãoBastão
FotorreceptoresFotorreceptores
CCéélula lula amamáácrinacrina
CCéélula lula horizontalhorizontal
GânglioGânglio
CCéélula lula bipolarbipolar
LuzLuz
ConeCone
FundoFundodo olhodo olho
BastãoBastão
FotorreceptoresFotorreceptores
CCéélula lula amamáácrinacrina
CCéélula lula horizontalhorizontal
GânglioGânglio
CCéélula lula bipolarbipolar
ConeCone
FundoFundodo olhodo olho
BastãoBastão
FotorreceptoresFotorreceptores
CCéélula lula amamáácrinacrina
CCéélula lula horizontalhorizontal
GânglioGânglio
CCéélula lula bipolarbipolar
LuzLuz
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Sistema e Percepção Visual Humana Teoria do Triestímulo
Cones de comprimentosde onda curtos
Cones de comprimentos
de onda médios
Cones de comprimentosde onda longos
Excitador Inibidor
Cones de comprimentosde onda curtos
Cones de comprimentos
de onda médios
Cones de comprimentosde onda longos
Excitador Inibidor
Vermelho (R)
Azul (B)
Verde (G)
Amarelo (Y)
Magenta (M) Ciano (C)
Vermelho (R)
Azul (B)
Verde (G)
Amarelo (Y)
Magenta (M) Ciano (C)
Vermelho (R)
Azul (B)
Verde (G)
Amarelo (Y)
Magenta (M) Ciano (C)
Vermelho (R)
Azul (B)
Verde (G)
Amarelo (Y)
Magenta (M) Ciano (C)
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10
11
12
13
14
Adaptação e Discriminação de Brilho Brilho subjetivo (Subjective brightness)
Intensidade luminosa conforme percebida pelo sistema visual humano
Considerações Iniciais
Função logarítmica da intensidade luminosa incidente no olho
-6 -4 -2 0 2 4Log da Intensidade Luminosa (mL)
Brilh
o Su
bjet
ivo
EscotópicaFaix
a de
Ada
ptaç
ão
Fotópica
Bb
Ba
Limite da Ofuscação
Limiar Escotópico
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Dimensões do Imageamento XXI
Sensibilidade espectral de cones e bastões
Sens
ibili
dade
rel
ativ
a (%
)
(nm)400 500 600 700
20
40
60
80
100Visão fotópicaVisão escotópica
16
Dimensões do Imageamento XXII
Sensibilidade espectral dos 3 tipos de conesFr
ação
da
ener
gia
abso
rvid
a
(nm)400 500 600 700
0,04
0,08
0,12
0,16
0,2
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Tópicos para Reflexão Intuição e análise humana Papel
relevante na seleção de técnicas para processamento de imagens Julgamentos visuais (subjetivos)
Compreensão básica da percepção visual humana Essencial para o PDI (aquisição de imagens à interpretação dos resultados)
Concepção de sensores Sistema visual humano
Considerações Iniciais
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Olho Câmera digital multimegapixel Lente (cristalino) Zoom ajustável
Diafragma (íris/pupila) Entrada de luz automaticamente controlada (2-8 mm)
Sensor plano 108 pixels
Função de transferência do sensor Sensibilidade à faixa mesópica (~380 a ~700 nm)
Considerações Iniciais
19
Câmara Digital Aspecto-chave para a aquisição
Resolução Espacial ou Qualidade MegaPixel
Resolução mais alta Custo mais elevado
Qualidade da Foto Razão MegaPixel não é o único fator de definição da qualidade Razão MegaPixel Cálculo a partir da
interpolação dos pixels x e y e das 3 cores primárias do sistema RGB (muito subjetivo) Verificação das características da câmara e
comparação com câmaras similares de concorrentes
Considerações Iniciais
20
Câmara Digital Compressão
Como a foto é adequada ao dispositivo de armazenamento disponível Armazenamento usual no formato JPG/JPEG
(Joint Photographic Expert Group) ou alguma tecnologia “sem perdas“
Aumento da taxa de compressão Perda na qualidade da imagem mais perceptível
Possibilidade de armazenamento sem compressão Formato usual TIF/ TIFF (Tagged Image File Format)
Considerações Iniciais
21
Câmara Digital
Considerações Iniciais
Qualidade
MPixel
ResoluçãoEspacial(pixels)
Dimensões da foto
c/ 200dpi
Dimensões da foto
c/ 300dpi
Tamanho do arquivo
s/compressão (formato tif)
Tamanho aprox. do arquivo c/
resolução fina (formato jpg)
# aprox. defotos com
resolução fina(128 Mb)
0,33 640 x 480 3,2 x 2,4 2,1 x 1,6 900 kb 120 kb 1058
1,00 1152 x 864 5,8 x 4,3 3,8 x 2,9 2,85 Mb 325 kb 400
1,31 1280 x 960 6,4 x 4,8 4,3 x 3,2 3,52 Mb 380 kb 335
1,34 1280 x 1024 6,4 x 5,1 4,3 x 3,4 3,75 Mb 383 kb 330
2,11 1600 x 1200 8,0 x 6,0 5,3 x 4,0 5,50 Mb 550 kb 171
2,50 1712 x 1368 8,5 x 7,0 5,7 x 4,6 6,71 Mb 612 kb 150
3,34 2048 x 1536 10,2 x 7,7 6,8 x 5,1 9,00 Mb 1,2 Mb 100
4,00 2240 x 1680 11,2 x 8,4 7,5 x 5,6 10,80 Mb 1,5 Mb 86
6,17 3024 x 2016 15,0 x 10,0 10,1 x 6,7 17,50 Mb 2,2 Mb 55
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Olho Taxa de transmissão de dados USB2 Nervo Óptico 250.103 neurônios
Tensão de saída Variável em CADA nervo
Taxa de Amostragem Neural 17,5.106 amostras/s, 12.8 bits por amostra
Taxa de Transmissão 224 Mbps por olho (Sistema de ~½ Gbps)
Compressão Inibição lateral entre os neurônios retinianos
Considerações Iniciais
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Sistema de Imageamento Questões preliminares
O que o sistema imageia?
Como o sistema forma a imagem?
Com que qualidade a imagem é formada?
Para que aplicação se destina a imagem?
Natureza do Sinal de Origem Eletromagnética
Mecânica Acústica Forças de contato
Sistemas de Imageamento
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Espectro Eletromagnético
Sistemas de Imageamento
103
102
10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-
1010-
1110-
12
106
107
108 109 101
0101
1101
2101
3101
4101
5101
6101
7101
81019 1020
Comprimento de Onda
(m)
Freqüência (Hz)
Mais curtos
Mais altas
Molécula de ÁguaProteína
VírusBactéria
CélulaPonto
Bola de BaseballCampo de
FutebolCasa
Rádio AM
Cavidade de RF Rádio FM Forno de
Microondas RADAR
Seres Humanos
Lâmpadas Incandescent
esALS Equipamento
s de Raios XElementos Radioativo
s
ONDAS DE RÁDIO
MICROONDAS
INFRAVERMELHO ULTRAVIOLETA RAIOS X “PESADOS”
RAIOS RAIOS X “LEVES”
700 600 500 400700 600 500 400Radiação
Infravermelha (IR)
Radiação Ultravioleta
(UV)
Comprimento de Onda (nm)Radiação Visível
ALS (Advanced Light Source)
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Imageamento Biomédico Propósito
Geração de imagens do interior do corpo humano vivo, visando à diagnose médica
Área multidisciplinar
Física (radiação, interação matéria-energia) Matemática (álgebra linear, cálculo,
estatística) Biologia/Fisiologia (corpo humano) Engenharia (hardware) Ciência da Computação (reconstrução de
imagens, processamento de sinais)
EEM - Aplicações de Imageamento
26
Imageamento Biomédico Faixas espectrais de interesse e produtos
gerados
EEM - Aplicações de Imageamento
MRI (Magnetic Resonance Imaging)Ultrassonografia Tomografia Óptica Radiografia
CT (Computed Tomography)
103
102
10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-
1010-
1110-
12
106
107
108 109 101
0101
1101
2101
3101
4101
5101
6101
7101
81019 1020
Comprimento de Onda
(m)
Freqüência (Hz)
ONDAS DE RÁDIO
MICROONDAS
INFRAVERMELHO ULTRAVIOLETA RAIOS X “PESADOS”
RAIOS X “LEVES”
4 5 61 2 3
PET (Positron Emission Tomography)/SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography)
27
Imageamento Biomédico–Ultrassonografia
EEM - Aplicações de Imageamento
Ano da descoberta 1952 (Clínico: 1962)Natureza da radiação Ondas mecânicas (não ionizante)Freqüência 1 – 10 MHz Comprimento de onda 1 – 10-1 mm
Princípio de imageamentoRegistro de ecos de descontinuidades na densidade/ velocidade do som no tecido imageado
Extensão do imageamento < 20 cmResolução Alta (milimétrica)
Aplicações Imageamento de tecidos moles, fluxo sangüíneo (Doppler)
Ano da descoberta 1952 (Clínico: 1962)Natureza da radiação Ondas mecânicas (não ionizante)Freqüência 1 – 10 MHz Comprimento de onda 1 – 10-1 mm
Princípio de imageamentoRegistro de ecos de descontinuidades na densidade/ velocidade do som no tecido imageado
Extensão do imageamento < 20 cmResolução Alta (milimétrica)
Aplicações Imageamento de tecidos moles, fluxo sangüíneo (Doppler)
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Imageamento Biomédico– Ultrassonografia
(Exemplos)
Feto com 12 semanas
Ultrassonografia 3D Feto com 40 semanas
EEM - Aplicações de Imageamento
29
Imageamento Biomédico – Ressonância Magnética
EEM - Aplicações de Imageamento
http://w3.ualg.pt/~cmsilva/_private/RMN_Mestrado.pdf
Ano da descoberta 1945 ([NMR] Bloch), 1971 (Damadian), 1973 (Lauterbur), 1977 (Mansfield)
Natureza da radiação RF (não ionizante)Energia ~10-7 eVComprimento de onda 30 – 3 m
Princípio de imageamentoDetecção da RF emitida em resposta (eco) à indução de movimentos nos spins de prótons
Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Alta (milimétrica)Aplicações Imageamento funcional
Ano da descoberta 1945 ([NMR] Bloch), 1971 (Damadian), 1973 (Lauterbur), 1977 (Mansfield)
Natureza da radiação RF (não ionizante)Energia ~10-7 eVComprimento de onda 30 – 3 m
Princípio de imageamentoDetecção da RF emitida em resposta (eco) à indução de movimentos nos spins de prótons
Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Alta (milimétrica)Aplicações Imageamento funcional
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Imageamento Biomédico – Ressonância Magnética (Exemplos)
EEM - Aplicações de Imageamento
Cérebro
Coração (eixo longitudinal) Manual e Semi-automático
Cabeça
1
2
31
Imageamento Biomédico – Tomografia Óptica
EEM - Aplicações de Imageamento
Ano da descoberta 1989 (Barbour)Natureza da radiação Radiação IR (não ionizante)Energia ~1 eVComprimento de onda 6.102 – 103 nm
Princípio de imageamento Interação (absorção, espalhamento) da luz com o tecido
Extensão do imageamento ~103 cm3
Resolução Baixa (~1 cm)
Aplicações Perfusão, imageamento funcional
Ano da descoberta 1989 (Barbour)Natureza da radiação Radiação IR (não ionizante)Energia ~1 eVComprimento de onda 6.102 – 103 nm
Princípio de imageamento Interação (absorção, espalhamento) da luz com o tecido
Extensão do imageamento ~103 cm3
Resolução Baixa (~1 cm)
Aplicações Perfusão, imageamento funcional
http://www.nirx.net/technology/ot.html
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Imageamento Biomédico– Tomografia Óptica (Exemplos)
EEM - Aplicações de Imageamento
Manchas de hematoxilina/ eosina na seção transversal da bochecha de um hamster
100 m
Cérebro
33
Imageamento Biomédico– Raios X
EEM - Aplicações de Imageamento
Ano da descoberta 1895 (Röntgen, NP 1905)Natureza da radiação Raios X (fótons) (ionizante)Energia 10-1 – 102 keVComprimento de onda 10 – 10-2 nm
Princípio de imageamentoPenetração dos raios X no tecido e geração de um produto com base em diferenças de densidade
Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Altíssima (submilimétrica)
AplicaçõesMasteologia, otorrinolaringologia, ortopedia, odontologia, cardiologia, etc.
Ano da descoberta 1895 (Röntgen, NP 1905)Natureza da radiação Raios X (fótons) (ionizante)Energia 10-1 – 102 keVComprimento de onda 10 – 10-2 nm
Princípio de imageamentoPenetração dos raios X no tecido e geração de um produto com base em diferenças de densidade
Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Altíssima (submilimétrica)
AplicaçõesMasteologia, otorrinolaringologia, ortopedia, odontologia, cardiologia, etc.
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Imageamento Biomédico – Raios X
(Exemplos)
EEM - Aplicações de Imageamento
35
Imageamento Biomédico – Tomografia Computadorizada de Raios X
EEM - Aplicações de Imageamento
Ano da descoberta 1972 (Hounsfield, NP 1979)Natureza da radiação Raios X (fótons) (ionizante)Energia 10 – 102 keVComprimento de onda 10-1 – 10-2 nm
Princípio de imageamentoTomada de imagens de raios X de vários ângulos, a partir dos quais ocorre a computação de vistas tomográficas (“fatiadas")
Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Alta (milimétrica)
Aplicações Imageamento de tecidos moles (cérebro, coração, estômago, etc.)
Ano da descoberta 1972 (Hounsfield, NP 1979)Natureza da radiação Raios X (fótons) (ionizante)Energia 10 – 102 keVComprimento de onda 10-1 – 10-2 nm
Princípio de imageamentoTomada de imagens de raios X de vários ângulos, a partir dos quais ocorre a computação de vistas tomográficas (“fatiadas")
Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Alta (milimétrica)
Aplicações Imageamento de tecidos moles (cérebro, coração, estômago, etc.)
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Imageamento Biomédico – Tomografia Computadorizada de Raios X (Exemplos)
EEM - Aplicações de Imageamento
37
Imageamento Biomédico– Imageamento Nuclear (PET/SPECT)
EEM - Aplicações de Imageamento
Ano da descoberta 1953 (PET), 1963 (SPECT)Natureza da radiação Raios (ionizante)Energia > 102 keVComprimento de onda < 10-1 nm
Princípio de imageamentoImageamento com câmeras de raios X do acúmulo ou retirada de isótopos radioativos no corpo vivo
Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Média - Baixa (mm - cm)
AplicaçõesImageamento funcional (detecção de câncer, processos metabólicos, infarto do miocárdio)
Ano da descoberta 1953 (PET), 1963 (SPECT)Natureza da radiação Raios (ionizante)Energia > 102 keVComprimento de onda < 10-1 nm
Princípio de imageamentoImageamento com câmeras de raios X do acúmulo ou retirada de isótopos radioativos no corpo vivo
Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Média - Baixa (mm - cm)
AplicaçõesImageamento funcional (detecção de câncer, processos metabólicos, infarto do miocárdio)
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Imageamento Biomédico – Imageamento Nuclear (PET/SPECT)
EEM - Aplicações de Imageamento
Câncer de Mama (PET)
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Exemplos de Propriedades Físicas Imageadas
Emissão Astronomia Autorradiografia
Emissão Excitada Fluorescência
Transmissão Microscopia luminosa Escaneamento de filme Raio X clássico
Dimensões do Imageamento
40
Exemplos de Propriedades Físicas Imageadas Reflexão
Fotografia (Analógica ou Digital) Escaneamento de Documentos Fax Imagem orbital (Meteorológica ou de
Recursos Naturais)
Dimensões do Imageamento
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Dimensão Espectral CCD Colorido Sensor mais comum
Câmera com 1 ou 3 chips
Câmeras com 3 chips Usualmente pelo menos 3 vezes mais cara do que as de 1 chip
Matriz para filtragem de cor (Câmeras com 1 chip)
Redução da resolução cromática até pela metade
Redução adicional da eficiência do processo de aquisição
Possibilidade de anisotropia nos eixos horizontal e vertical
Dimensões do Imageamento
42
Aplicações Diagnose médica
Radiografia digital
Tomografia computadorizada
Análise radiográfica
Análise de células sangüíneas
Classificação de cromossomos
43
Aplicações Sensoriamento Remoto e Geoprocessamento
Estudos de uso da terra e recursos naturais
Detecção de incêndios florestais
Acompanhamento do deslocamento de icebergues
Previsão do tempo
44
Aplicações Automação industrial
Visão robótica
Sistemas de inspeção & controle de qualidade
Indústria de Construção Detecção de falhas em estruturas metálicas
Telecomunicações Codificação, transmissão e otimização de sinais
digitais
45
Aplicações Eletrônica de Consumo
Reconhecimento óptico de caracteres
Videofone
Geologia Exploração petrolífera e mineral
Imageamento sísmico
Oceanografia Análise do leito oceânico
Estudos de fenômenos oceanográficos
Material cedido pór:José Eustáquio Rangel de Queiroz
Professor Adjunto DSC/UFCG
E-mail: [email protected]
Site departamental: www.ufcg.edu.br/~rangel
Fone: 1119/1120 Ramal 2214
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