Processamento Digital de Imagens - INF

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Universidade Federal de Goiás
Instituto de Informática
Processamento
Digital de
Imagens
Prof Fabrízzio Alphonsus A M N Soares
2012
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Conteúdo Programático
Capítulo 1 – Introdução ao PDI
Capítulo 2 – Fundamentos da Imagem Digital
Capítulo 3 – Transformação de intensidade e filtragem espacial
Capítulo 4 – Filtragem no domínio da frequência
Capítulo 5 – Restauração de imagens
Capítulo 6 – Processamento com wavelets e multirresolução
Capítulo 7 – Segmentação de imagens
Capítulo 8 – Compressão de imagens
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Capítulo 1 – Introdução ao PDI
A área de Processamento Digital de Imagens (PDI) se
refere a processar imagens digitais utilizando um
computador digital.
- Capítulo 1 -
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Capítulo 1 – Introdução ao PDI
O interesse nos métodos de processamento de imagens
digitais provém de duas áreas principais de aplicação:
Melhora da informação visual para a interpretação humana;
Processamento de dados de imagens para armazenamento,
transmissão e representação, considerando a percepção
automática por máquinas.
- Capítulo 1 -
Aplicações
Técnicas de processamento de imagens digitais são atualmente
utilizadas para resolver uma grande variedade de problemas
como:
Em medicina, procedimentos computacionais são usados
para realçar o contraste ou para codificar os níveis de
intensidade em cores para facilitar a interpretação de imagens
de raios-X e outras imagens biomédicas;
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- Capítulo 1 -
Aplicações
Geógrafos utilizam as mesmas técnicas, ou técnicas
similares, para estudar padrões de poluição ou relevo em
imagens aéreas e de satélite;
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- Capítulo 1 -
Aplicações
Procedimentos para realce e restauração de imagens são
usados para processar imagens degradadas de objetos que
não podem ser recuperados ou de resultados experimentais
muito caros para serem repetidos;
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- Capítulo 1 -
Aplicações
Na arqueologia, métodos de processamento de imagens
têm restaurado com sucesso imagens fotográficas
borradas, que eram os únicos registros disponíveis de
artefatos raros que foram perdidos ou danificados;
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- Capítulo 1 -
Aplicações
Em física e áreas relacionadas, técnicas computacionais
rotineiramente realçam imagens de experimentos em
áreas como plasmas de alta energia e microscopia
eletrônica;
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- Capítulo 1 -
Aplicações
Similarmente, aplicações de processamento de imagens
podem ser encontradas em astronomia, biologia,
medicina nuclear, aplicação da lei (segurança pública),
defesa, e aplicações industriais.
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- Capítulo 1 -
Exemplos
Problemas típicos em percepção por máquina, que usam técnicas de
processamento de imagens:
Reconhecimento automático de caracteres;
Visão computacional industrial para a montagem e inspeção de
produtos;
Processamento automático de elementos para reconhecimento
biométrico (Ex: impressões digitais, íris, face, mão, etc);
Análise de resultados de raios-X e amostras de sangue em tela;
Processamento de imagens aéreas e de satélites para previsão do
tempo e monitoramento de plantio.
Etc ...
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- Capítulo 1 -
Fontes de energia para geração de imagens
Energia do espectro eletromagnético (Radiação de ondas
eletromagnéticas).
Som (centenas de Hertz), ultrassom (milhões de Hertz)
Eletrônica
Imagens sintéticas
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- Capítulo 1 -
Espectro Eletromagnético:
Luz Visível
→ 0,43μm → 6,97x1014 Hz
Vermelho → 0,79μm → 3,79x1014
13Hz
Violeta
- Capítulo 1 -
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1) Imagens por Raio Gama
Aplicação: Medicina nuclear e observação astronômica
Tumores
Esqueleto
completo: Usado
para diagnosticar
e localizar
imperfeições ou
tumores nos
ossos.
Tomografia por
emissão de
pósitrons (PET):
Mesmo princípio
do raio X porém
com Raio Gama
Na medicina nuclear, o procedimento é
feito pela injeção de um isótopo radioativo
no paciente, que emite raios gama à
medida que se desintegra. As imagens são
produzidas a partir das emissões coletadas
por detectores de raios gama.
Radiação gama
natural de uma nuvem
de gás resultante da
explosão de uma
estrela da constelação
de Cygnus (Cygnus
Loop).
Radiação gama
da válvula de um
reator nuclear. A
parte mais clara
indica uma
radiação mais
forte.
- Capítulo 1 -
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2) Imagens por Raio X
Aplicação: medicina diagnóstica, indústria, astronomia
Radiografia
de
tórax:
Gerado
colocando
o
paciente entre a fonte de
raio X e um filme sensível à
energia do raio X.
A
intensidade do raio X é
modificada pela absorção,
enquanto
passa
pelo
paciente.
Tomografia
Computadorizada
da cabeça.
Radiação natural
de raio X da
nuvem de gás de
Cygnus.
Raio X de placa
de
circuito
impresso:
Usado
para
detectar defeitos
como falta de
componentes ou
trilhas
quebradas.
Angiograma
da
aorta (Radiografia
de contraste):Uma
substância
que
contrasta com raio
X é introduzida na
veia sanguínea a
ser analisada.
- Capítulo 1 -
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3) Imagens por Ultravioleta
Aplicação: inspeção industrial, microscopia de fluorescência,
imagens biológicas, observações astronômicas.
Imagem de um milho
normal vista com um
microscópio de
fluorescência.
Imagem de um milho
com fungos vista com
um microscópio de
fluorescência.
Radiação natural
ultravioleta da
nuvem de gás
de Cygnus.
- Capítulo 1 -
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4) Imagens por Luz Visível e Infravermelho
Aplicação: Microscopia, astronomia, sentido remoto, industria e
muitas outras.
Filme de óxido de níquel – 600x
Taxol (Agente anticancerígeno) – 250x
Superfície de CD de áudio – 1750x
Colesterol – 40x
Supercondutor orgânico – 450x
Microprocessador – 60x
Exemplos de imagens obtidas por microscópio ótico.
- Capítulo 1 -
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4) Imagens por Luz Visível e Infravermelho
(cont...)
Imagens geradas por um sistema
de captura de imagens por
infravermelho que ilustra a
presença de emissão de luz visível
próxima da faixa de infravermelho
na superfície da Terra.
Com estas imagens é possível
estimar a porcentagem da energia
elétrica total utilizada pelas várias
regiões do mundo.
- Capítulo 1 -
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4) Imagens por Luz Visível e Infravermelho
(cont...)
Exemplos de inspeções de
produtos manufaturados
realizadas por processamento
digital de imagens.
a) Verificação da falta de componentes
em uma placa de circuito impresso.
b) Verificação automática da falta de
comprimidos na cartela.
c) Identificação de garrafas que não
estão cheias até um nível adequado.
d) Detecção de uma quantidade
inaceitável de bolhas em um objeto
plástico transparente.
e) Fornada de um cereal para a
inspeção da cor para detectar a
presença de anormalidades, como
flocos queimados.
f) Inspeção de defeitos em implantes
intraoculares.
- Capítulo 1 -
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4) Imagens por Luz Visível e Infravermelho
(cont...)
Outros exemplos de
processamento digital de
imagens aplicados a imagens
obtidas por luz visível
a) Impressão digital do dedo
polegar usada para identificação
biométrica.
b) Foto de uma nota de dinheiro
que pode ser usada para
contagem automática ou leitura
do número de série com o
objetivo de rastrear ou identificar
notas.
c) e d) Fotos da placa de
automóveis que podem ser
localizadas na imagem e
identificadas automaticamente
para auxiliar no monitoramento e
controle de tráfego.
- Capítulo 1 -
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5) Imagens por Microondas
Aplicação: Radar
É possível coletar imagens de qualidade independentemente das condições climáticas ou de iluminação
do ambiente.
Ao invés de uma câmera com lentes, um radar usa uma antena e o processamento computacional para
gravar suas imagens.
Nas imagens de radar observa-se a energia na faixa de microondas que é refletida e capturada pela
antena.
Imagem do radar
Spaceborn das
montanhas no
sudeste do Tibet.
- Capítulo 1 -
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6) Imagens por Ondas de Radio
Aplicação: - medicina → imagens de ressonância magnética (MRI)
- astronomia
MRI de um joelho e de uma coluna vertebral de seres humanos
Para obter as imagens por ressonância magnética deve-se posicionar o paciente
em um poderoso imã e fazer com que ondas de rádio passem através de seu
corpo em pulsos curtos.
Cada pulso de ondas de rádio emitido provoca um pulso de resposta
correspondente, que é emitido pelos tecidos do paciente.
O local onde esses sinais se originam e sua intensidade são determinados por um
computador, que produz uma imagem bidimensional de uma seção do paciente.
- Capítulo 1 -
Imagens Acústicas (usando SOM e ULTRASSOM):
Aplicação: exploração geológica (exploração de minérios e petróleo),
indústria e medicina
Exemplos de imagens de
ultrassom.
a)
b)
c)
d)
Feto
Outra vista do feto
Tireóide
Camadas musculares
mostrando uma lesão
Imagem da seção transversal de
um modelo de formação de
imagem sísmica.
A seta aponta para uma reserva de
hidrocarboneto (petróleo e/ou
23 gás).
- Capítulo 1 -
Imagens por Microscopia Eletrônica:
O microscópio eletrônico funciona como seus correspondentes
óticos, mas utilizam um feixe concentrado de elétrons em vez de
luz para criar a imagem de uma amostra.
Imagens do microscópio de varredura eletrônica
250x Imagem de um
filamento de tungstênio
após uma falha térmica.
2500x Imagem de um circuito
integrado danificado.
As fibras brancas são óxidos
resultantes da destruição térmica.
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- Capítulo 1 -
Imagens Sintéticas:
Imagens que são geradas por computador.
Ex: Fractais → Reprodução interativa de uma padrão básico de acordo com algumas
regras matemáticas. Úteis na formação de estruturas aleatórias.
Modelagem 3-D → Base para muitos sistemas de visualização 3-D, com diversas
aplicações como treinamento médico, simuladores de voo, efeitos especiais e
investigações criminais.
Imagens fractais
Imagens geradas à
partir de modelos
computacionais 3-D.
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- Capítulo 1 -
Passos fundamentais em PDI
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- Capítulo 1 -
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Aquisição de imagens:
Dois elementos são necessários para a aquisição de
imagens digitais:
 Um dispositivo físico que seja sensível a uma banda do
espectro de energia eletromagnética e que produza um
sinal elétrico de saída proporcional a um nível de energia
percebida.
 Um digitalizador que é um dispositivo para a conversão da
saída elétrica de um dispositivo de sensoriamento físico
para a forma digital.
- Capítulo 1 -
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Realce de imagens:
Processo de manipular uma imagem de forma que o
resultado (que é subjetivo) seja mais adequado do que
o original para uma aplicação específica.
Ex: realce de contraste, aguçamento de bordas,
redução de ruído.
- Capítulo 1 -
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Restauração de imagens:
Processo de remover ou minimizar as degradações
conhecidas em uma imagem. É uma área objetiva, no
sentido que ela está baseada em modelos matemáticos ou
probabilísticos de degradação de imagem.
Ex: Desembaçar imagens degradadas pelas limitações de
um sensor ou seu meio, filtragem de ruído e correção de
distorção geométrica ou não-linearidades devido a
sensores.
- Capítulo 1 -
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Processamento de imagens coloridas:
É uma área que tem ganhado importância em virtude
do aumento significativo da utilização de imagens
digitais na Internet.
A cor também é usada como base para extrair
características de interesse em uma imagem.
- Capítulo 1 -
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Wavelets:
Constituem os fundamentos para representação de
imagens em vários níveis de resolução.
São usadas para compressão de dados de imagens e
para representação piramidal, na qual as imagens são
subdivididas sucessivamente em regiões menores.
- Capítulo 1 -
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Compressão:
Lida com as técnicas de redução do armazenamento necessário para
salvar uma imagem, ou a largura de banda necessária para transmiti-la.
A compressão é conhecida por usuários de computador na forma de
extensões de arquivo, como por exemplo .jpg, utilizada no padrão de
compressão de imagens JPEG.
- Capítulo 1 -
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Processamento morfológico:
Lida com ferramentas para extração de componentes de
imagens úteis na representação e descrição da forma, como
por exemplo fronteiras e esqueletos.
- Capítulo 1 -
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Segmentação:
Procedimentos que dividem uma imagem em suas partes
ou objetos constituintes.
- Capítulo 1 -
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Representação e descrição:
●
●
●
Quase sempre partem do resultado de um estágio de
segmentação, que normalmente são dados primários em forma
de pixels, correspondendo tanto à fronteira de uma região como
a todos os pontos dentro dela.
O processo de representação transforma dados primários em
uma forma apropriada para o subsequente processamento
computacional.
O processo de descrição (também chamado seleção de
características), lida com a extração de atributos que resultam
em alguma informação quantitativa de interesse ou que possam
ser utilizadas para diferenciar uma classe de objetos de outra.
- Capítulo 1 -
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Reconhecimento:
Processo que atribui um rótulo a um objeto, com base na informação fornecida
pelos seus descritores.
- Capítulo 1 -