Projeto 1 - 2010.1Projeto 1 - 2010.1Processamento Digital de ImagensProcessamento Digital de Imagens
Equipe:Equipe:
Eliael SoaresEliael Soares
Fabiano MirandaFabiano Miranda
Marcus UchoaMarcus Uchoa
Pedro AmorimPedro Amorim
Nerv
o Ó
pti
co e
Feix
e V
asc
ula
r
Esclerótica
Eixo Visual
CoróideRetina
Fovea Centralis
Ponto Cego
TúnicasMúsculos Ciliares
Ligamentos Suspensórios do Cristalino
Íris
Córnea
Câmara Anterior
Cristalino
Corpo Ciliar
Câmara Posterior com Humor Vítreo
Estrutura do Olho Humano IIEstrutura do Olho Humano II
Formato esféricoDiâmetro de ~ 20 mmEnvolvido por três camadas : as membranas
túnicas Retina , Coróide e Esclerótica
Estrutura do Olho Humano IIIEstrutura do Olho Humano III
Cónea • Película Transparente que cobre a parte
anterior do olho.
• Esclerótica • Dá continuidade a cónea.• membrana opaca que reveste o globo ocular• Responsável pela proteção das membranas
internas
Estrutura do Olho Humano IVEstrutura do Olho Humano IV
CoróideSituada logo abaixo da escleróticaContém rede de vasos sanguíneos que servem
como fonte de nutrição do olho.Fortemente pigmentadaDivida em : Corpo Ciliar e Diafragma da Íris.
ÍrisControla a quantidade de luz que entra no olhoFace anterior -> Pigmento visível do olho
Estrutura do Olho Humano VEstrutura do Olho Humano V
PupilaAbertura central da ÍrisDiâmetro -> Variante entre 2 e 8 mm
CristalinoFormado por um conjunto de lentes biconvexas
encerradas por uma membrana fina chamada cápsula.
Suspenso pelos músculos ciliares
Estrutura do Olho Humano VIEstrutura do Olho Humano VI
CristalinoColoração por pigmentos levemente amarelado
(intensificação com a idade)Absorção de ~8% da luz visível
Absorção relativamente maior nos comprimentos de onda mais curtos
Absorção intensa da radiação IR e UV por proteínas em sua estrutura
Absorção excessiva de IR e/ou UV Possibilidade de danos na estrutura ocular
Estrutura do Olho Humano VIIEstrutura do Olho Humano VII
RetinaMembrana mais interna do OlhoFormada por receptores, especializados em
responder à estimulação pela luz e em transformar a energia luminosa em impulsos nervosos responsáveis pela “sensação de visão”. Os cones e os bastonetes.
Estrutura do Olho Humano VIIIEstrutura do Olho Humano VIII
RetinaCones
Quantidade estimada ~6 a 7.106
Distribuição principalmente na região central da retina (Fóvea)
Sensibilização dependente de maior intensidade luminosa
Elevada sensibilidade a cores Papel relevante Visão de alta luminância (Visão
fotópicafotópica)
Estrutura do Olho Humano IXEstrutura do Olho Humano IX
RetinaBastonetes ou Bastões
Quantidade estimada ~ 75 a 150.106 Distribuição principalmente na superfície da retina Elevada sensibilidade a níveis de iluminação
reduzidos Insensibilidade a estímulos cromáticos Papel relevante Visão de baixa luminância (Visão
escotópicaescotópica)
Estrutura do Olho Humano XEstrutura do Olho Humano X
Fórvea Reetrância circular de ~1,5 mm de diâmetro
na retinasensor de área quadrada de 1,5 mm por 1,5
mmDensidade de cones ~150.000 elementos
por mm2 (~337.000 elementos)
Formação da Imagem no Olho IFormação da Imagem no Olho IDistância entre o centro focal do cristalino e a retina Variante entre ~17 mm (para D > 3 m) e ~14 mm (para D ≤ 3 m)
C -> Centro Optico do cristalino -> Altura do Objeto -> Altura do Objeto
h oD
=h r17
hoh r
Analogia entre o Olho Humano Analogia entre o Olho Humano e a câmera Fotográfica Ie a câmera Fotográfica I
Analogia entre o Olho Humano Analogia entre o Olho Humano e a câmera Fotográfica IIe a câmera Fotográfica IIEssa analogia pode ser observadas na Figura
anterior. Em ambos os sistemas, os raios luminosos são refratados e focalizados através de sistemas de lentes sobre uma superfície sensível. Na câmera fotográfica, esta superfície sensível é a película fotográfica (nos sensores de varredura multiespectral são os detetores). Nos olho humano esta superfície sensível é a retina.
Adaptação ao BrilhoAdaptação ao Brilho
Habilidade do olho de distinguir diferentes intensidade de luz
Grande nível de adaptação (da visão scotopica ao limite de luminosidade)
Adaptação ao BrilhoAdaptação ao Brilho
Sistema visual não pode atuar em vários focos ao mesmo tempo
No entanto muda sua sensibilidade a luz num fenômeno conhecido com adaptação ao brilho
O ser humano também é capaz de perceber mudanças na intensidade da luz
Adaptação ao BrilhoAdaptação ao Brilho
Experimento para verificação de mudança de luminosidade
Ilusão de ÓticaIlusão de Ótica• Aplica-se a todas as ilusões que “enganam” o sistema visual humano.
• Percepção de mundo auto-produzida (Ex. Mão)
• Visão, processo de conversão.
Ilusão de ÓticaIlusão de Ótica
Ilusão de ÓticaIlusão de Ótica
• Ilusão de luminosidade- A luminosidade é uma variável subjetiva- Estimativa de reflectância real dos objetos
• Explicação:- O sistema visual não se limita a medir a quantidade de luz que chega ao olho, que é influenciada pelas sombras. Parece ter em conta o contraste local e saber que as mudanças de luz na transição entre superfícies de cores diferentes são geralmente mais abruptas do que as causadas por sombras. O sistema visual “sabiamente” usa apenas a informação sobre as transições mais abruptas para construir a imagem de reflectância. E por isso estima a cor dos objetos sem se deixar enganar pelas sombras de um objeto visível.
Ilusão de ÓticaIlusão de Ótica
Ilusão de ÓticaIlusão de Ótica
- Ilusão de distância - O sistema visual conhece perceptivas, útil para interpretação de imagem 3D
- Explicação:- Isso acontece porque o sistema visual usa o
ângulo entre as duas retas laterais para estimar o ângulo do nosso olhar relativamente ao solo.
Ilusão de ÓticaIlusão de Ótica
Espectro EletroMagnético Espectro EletroMagnético
Ondas EletroMagnéticas Experiências de Newton constataram que um feixe de raio (luz branca),
ao atravessar um prisma, desdobrava-se num feixe colorido, espectro de cores
Cientistas descobriram ainda que cada cor decomposta no espectro correspondia a uma temperatura diferente, e que a luz vermelha incidindo sobre um corpo, aquecia-o mais do que a violeta
Além do vermelho visível, existem radiações invisíveis para os olhos, que passaram a ser ondas, raios ou ainda radiações infravermelhas
Sempre avançando em seus experimentos os cientistas conseguiram provar que a onda de luz era uma onda eletromagnética, mostrando que a luz visível é apenas uma das muitas diferentes espécies de ondas
eletromagnéticas.
Espectro EletroMagnético Espectro EletroMagnético
Faixa Contínua de REM (Radiação EletroMagnética)De comprimentos de onda muito curtos (<300x10-9m) e
alta energia acomprimentos de onda muito longos (da ordem de km) e
baixa energiaRelação entre a energia e o comprimento de onda
(e, portanto, à freqüência)A completa faixa de comprimentos de onda e de
freqüência da REM é chamada de espectro eletromagnético
Espectro EletroMagnético Espectro EletroMagnético
Comprimento de Ondas
Espectro EletroMagnético Espectro EletroMagnético
Frequência
Tipos de SensoresTipos de Sensores
Sensor Único
Tipos de SensoresTipos de Sensores
Sensor Linear
Tipos de SensoresTipos de Sensores
Sensor em “Array”
Imagem Digital IImagem Digital IRepresentação Matemática da Imagem
f(x,y)
Função proporcional àFunção proporcional àintensidade de brilho em (x,y)intensidade de brilho em (x,y)
Coordenada horizontalCoordenada horizontal Coordenada verticalCoordenada vertical
Imagem Digital IIImagem Digital II
Imagem Digital IIIImagem Digital III
0 ≤ f(x,y) ≤ ∞
f(x,y) = i(x,y) . r(x,y)
0 < i(x,y) < ∞ 0 ≤ r(x,y) < 1
Componente de Iluminância - Quantidade de luz incidente no
Objeto
Componente deReflectância – fração de luz que o
objeto vai refletir
Imagem Digital IVImagem Digital IV
Aquisição da ImagemAquisição da Imagem
Processo de conversão de uma cena real tridimensional em uma imagem analógica.
O dispositivo de aquisição de imagens mais utilizado atualmente é a câmera CCD (Charge Coupled Device). Ela consiste de uma matriz de células semicondutoras fotossensíveis, que atuam como capacitores, armazenando carga elétrica proporcional à energia luminosa incidente. O sinal elétrico produzido é condicionado por circuitos eletrônicos especializados,produzindo à saída um Sinal Composto de Vídeo (SCV) analógico e monocromático
Aquisição da ImagemAquisição da Imagem
Fonte de Fonte de Iluminação Iluminação (Energia)(Energia)
Radiação Radiação IncidenteIncidente
Sistema de Sistema de ImageamentoImageamento
Plano da Plano da Imagem Imagem (Interno)(Interno)
Radiação Radiação RefletidaRefletida
f(x,y)f(x,y) = reflectância(x,y)reflectância(x,y)*iluminação(x,y)iluminação(x,y)
[00,11] [00,∞∞]
Formação de Pixels na Formação de Pixels na Imagem DigitalizadaImagem Digitalizada
DigitalizaçãoDigitalizaçãoLimitação do número de valores que uma variável
pode assumir.Amostragem
Discretização das coordenadas coordenadas espaciaisespaciais
Quantização
Discretização dos níveis de cinzaníveis de cinza (valores de brilhovalores de brilho)
Amostragem IAmostragem I
Converte a imagem analógica em uma matriz de M por N pontos, cada qual denominado PIXEL (ou elemento de imagem):
Maiores valores de M e N, implica numa imagem de maior resolução.
Quantização IQuantização I
faz com que cada um destes pixels assuma um valor inteiro, na faixa de 00 a 2 2 n - 1 n - 1
Quanto maior o valor de n, maior o número de níveis de cinza presentes na imagem digitalizada
Amostragem IIAmostragem II
N = 256
Imagens NxN pixels e 256 niveis de cinza
N = 128
N = 64 N=32
Quantização IIQuantização II
Imagens 442 x 299 pixels. Variando n
n=8 n=6
n=3
n=1
Propriedades da Imagem Propriedades da Imagem Digital IDigital I
Pixel-> Palavra formada da aglutinação das palavras inglesas “Picture” e “Element”, denota o menor elemento em um dispositivo de exibição ao qual é possível atribuir uma cor [Russ 2007].
-> A unidade atômica de composição de uma imagem
-> A cada pixel é atribuída uma tonalidade (branco, preto, tonalidades de cinza ou de cor),as quais são representadas na notação binária
Propriedades da Imagem Propriedades da Imagem Digital IIDigital IIVizinhança
Seja p, um pixel nas coordenadas ( x,y):4-vizinhança ou N4(p) – são os pixels cujas
coordenadas são: (x+1, y), (x-1, y), (x, y+1) e (x, y-1).
Vizinhança diagonal ou ND(p) são os pixels de coordenada (x-1, y-1), (x-1, y+1),(x+1, y-1) e (x+1, y+1)
A "8-vizinhança" de p é definida como: N8(p) = N4(p) U ND(p)
Propriedades da Imagem Propriedades da Imagem Digital IIIDigital III
Propriedades da Imagem Propriedades da Imagem Digital IVDigital IV
Adjacência
Adjacente por Borda -> Um par de pixels compartilha uma borda.
Adjacente por Vértice -> Um Par de pixels de uma imagem que compartilha um vértice.
Propriedades da Imagem Propriedades da Imagem Digital IVDigital IVConectividade
Estabelecer limites de objetos e componentes de regiões em uma imagem. Para estabelecer se dois pixels estão conectados, é necessário determinar
se eles são adjacentes segundo algum critério e se seus níveis de cinza satisfazem a um determinado critério de similaridade.
Seja V = { 32, 33, ... , 63,64}, onde V é conjunto de valores de tons de cinza. São definidos tres tipos de conectividade:
"4-conectividade": dois pixels p e q com valores de tom de cinza contidos em V, são "4-conectados" se q € N4(p).
"8-conectividade": dois pixels p e q com valores de tom de cinza contidos em V, são "8-conectados" se q € N8(p).
"m-conectividade (conectividade mista)": dois pixels p e q com valores de tom de cinza contidos em V, são "m-conectados" se:
(i) q € N4(p) ou ( ii) q € Nd(p) e N4(p) ∩ N4(q) =Ø
Propriedades da Imagem Propriedades da Imagem Digital VDigital V
Distância entre Pixels:Dados os pixels p, q e z, de coordenadas (x,y), (s,t) e (u,v), respectivamente, define-se a função distância D, cujas propriedades são:
(i) D(p,q) >= 0 (D(p,q) = 0 se e somente se p = q)(ii) D(p,q) = D(q,p)
(iii) D(p,z) <= D(p,q) + D(q,z) ___________Distância Euclidiana: De(p,q)= √(x-s)2 – (y-t)2
Distância City Block: D (p,q) = |x- s| +| y- t|
Distância Chessboard: D(p,q) = max( |x-s|,|y-t| )
Ferramental Matemático Ferramental Matemático Utilizado em PDI Utilizado em PDI
(introdução)(introdução)
Operações: Matrizes x ArraysOperações: Matrizes x Arrays
• Uma imagem pode ser considerada como uma matriz de pixelso Operações com matrizes
• Operações pixel-a-pixel
Operações: Matrizes x Arrays (cont.)Operações: Matrizes x Arrays (cont.)
• Produto entre matrizes é diferente do produto entre "arrays"
Produto de Arrays:
Operações: Matrizes x Arrays (cont.)Operações: Matrizes x Arrays (cont.)
Produto de matrizes:
Operações Lineares e Não LinearesOperações Lineares e Não Lineares
• Uma das mais importantes classificações de um método de processamento de imagens
• Dado um operador H que produz uma imagem de saída
g(x, y), a partir de uma imagem de entrada f(x, y):
H[ f(x, y) ] = g(x, y)
H é um opeador linear se
H[ fi(x, y) + fj(x, y) ] = H[ fi(x, y) ] + H[ fj(x, y) ]e
H[ k*fi(x, y) ] = k*H[ fi(x, y) ], k = cte.
Operações AritméticasOperações Aritméticas
• Convenção adotada para operações aritméticas pixel-a-pixel
s(x, y) = f(x, y) + g(x, y)
d(x, y) = f(x, y) - g(x, y)
p(x, y) = f(x, y) x g(x, y)
v(x, y) = f(x, y) / g(x, y)
Operações Aritméticas - ExemplosOperações Aritméticas - Exemplos
• Eliminação de ruído
Operações Aritméticas - ExemplosOperações Aritméticas - Exemplos• Obter diferença entre imagens aparentemente idênticas
Operações Aritméticas - ExemplosOperações Aritméticas - Exemplos
• Captura de partes da imagem
Operações LógicasOperações Lógicas