3.12 FUNDAMENTOS BÁSICOS DOS PROCESSOS DE CAPTURA E ARMAZENAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS:

Transcrição

1 3.12 FUNDAMENTOS BÁSICOS DOS PROCESSOS DE CAPTURA E ARMAZENAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS: Este texto complementa alguns conceitos vistos anteriormente, e trata-se de uma adaptação do material que pode ser encontrado na página da Kodak: Uma imagem em filme é representada eletronicamente por uma onda analógica contínua. Uma imagem digital é representada por valores numéricos obtidos a partir de amostragem da imagem analógica. O sinal analógico é contínuo enquanto que os valores numéricos (digitais) são pulsos eletrônicos discretos que foram convertidos em cadeias de zero e um (sistema binário). Figura 3.25 Comparação entre analógico e digital. As imagens podem ser armazenadas nos formatos raster (matricial) ou vetorial. Os gráficos vetoriais, também conhecidos como gráficos orientados a objetos, são criados por vários programas de desenho por computador, por exemplo, AutoCad; Figura 3.26 Imagem vetorial e raster Apêndice 1 1

2 As imagens vetoriais são armazenadas como uma lista, que descreve as coordenadas e as propriedades (atributos) dos objetos que a compõem, como arcos, linhas retas, etc... Os gráficos matriciais (raster) também conhecidos como imagens bitmapped, são criados por scanners, câmaras digitais ou placas digitalizadoras (video blasters). Figura 3.27 Objetos vetoriais e imagens bit-mapped. A imagem raster é pintada na tela do computador em uma matriz de elementos quadrados chamados pixels, que é um acrônimo para picture element. Cada pixel é armazendo é uma área da memória, chamada de bitmap. Cada pixel tem um endereço numerado. Figura 3.28 Imagem raster e o pixel. Dependendo do método usado para criar e armazenar a imagem, o arquivo em disco poderá ter apenas alguns kbytes ou então Megabytes Apêndice 1 2

3 Figura 3.29 Comparação entre tamanhos de arquivos. A qualidade de uma imagem raster será determinada durante sua captura e depende de dois componentes: a resolução espacial e a resolução radiométrica. O tamanho do pixel é determinado pela taxa de amostragem com que o scanner digitaliza a imagem. Um intervalo de amostragem grande produz uma imagem de baixa resolução. Um intervalo mais curto produz imagens de resolução mais alta Figura 3.30 Qualidade geométrica da imagem Uma imagem digital é uma matriz bidimensional, no qual cada célula g(i,j) é chamada de pixel. Numa imagem preto e branco os valores g(i,j) de cada pixel representam os níveis de cinza ou as densidades da imagem naquele ponto. Para uma quantização de 8 bits, será possível armazenar 256 níveis de cinza (0- preto e 255-branco). O sistema de coordenadas da imagem tem origem no canto superior esquerdo e a contagem das linhas é crescente para baixo e a das colunas é crescente para a direita. Para as aplicações fotogramétricas, é necessário definir a transformação deste referencial imagem para o referencial fotogramétrico. Para tanto é necessário conhecer a priori a dimensão do pixel, que funciona como um fator de escala. A transformação de coordenadas imagem (linha-coluna) para coordenadas fotogramétricas, pode ser feita através da expressão (3.12.1) Apêndice 1 3

4 x (colunas) x fot (x 0, y 0 ) Imagem y (linhas) y fot Figura 3.22.a Imagem digital e os sistemas de coordenadas. xfot = ( x. Δx) + x y = ( y. Δy) + y fot onde: x fot e y fot são as coordenadas no sistema fotogramétrico; x e y são as coordenadas na imagem (linha-coluna); Δx é a dimensão do pixel (supõe-se que o pixel seja quadrado); x 0 e y 0 são as coordenadas do centro da imagem (ponto principal). 0 0 (3.12.1) A resolução radiométrica da imagem dependerá dos níveis de quantização empregados. A tabela abaixo mostra o número de bits necessários para obter certos níveis de cinza. Tabela Níveis de quantização n bits n níveis A resolução espacial, por sua vez, diz respeito à dimensão do pixel e é freqüentemente expressa em pontos por polegadas (ppp) ou dpi (dots per inch). A tabela apresenta a dimensão do pixel para várias resoluções diferentes. Para o processo de produção fotogramétrico admitem-se valores de 25μm para a produção de ortofotos e de, no mínimo, 12,5μm para a aerotriangulação. Como será mostrado adiante, estas resoluções implicam em arquivos de imagem muito grandes. Nas câmaras digitais de quadro, contudo, o tamanho do pixel depende do sensor, sendo comuns as dimensões de 6 μm a 9 μm. Tabela Resolução espacial. ppp (dpi) Tamanho do pixel (μm) Apêndice 1 4

5 Figura 3.31 Resolução radiométrica da imagem. O valor de brilho ou cor de cada pixel é definido por um bit ou grupo de bits (8 bits formam 1 byte). Quantos mais bits forem usados, maior será a resolução radiométrica. Numa imagem de 1 bit os pixels somente poderão ter dois valores: preto ou branco. É o que se chama de imagem binária. Uma imagem binária simula níveis de cinza através do agrupamento de pixels preto ou branco. Este processo é chamado de dithering ou halftoning. Figura 3.32 Comparação entre imagens com diferentes resoluções radiométricas. Uma imagem com 256 níveis de brilho será uma imagem em tons de cinza. Cada um dos pixels será preto, branco ou então um dos 254 níveis restantes de cinza. Uma imagem de alta resolução, com 12 bits, produz mais que 4000 níveis de cinza (4096). Numa imagem de 24 bits, cada pixel é descrito por três conjuntos de 8 bits, representando os valores de brilho para vermelho (R), verde (G) e azul (B). Cada pixel em uma imagem 24 bits tem um dos 256 valores de brilho para as componentes R, G, B Apêndice 1 5

6 Figura 3.33 Composição de uma imagem colorida Coleta de imagens digitais Um sistema básico de coleta (ou aquisição) de imagens contém uma lente e um material sensível, como já foi visto no início do capítulo. Atualmente os sistemas eletrônicos conseguem detectar e registrar mais informação do que emulsões fotográficas, principalmente pela possibilidade de digitalizar diretamente em muitos níveis de quantização (por exemplo, 4096 níveis, 12 bits). Quando se fala em fotografia digital ou imagem digital, o detector é um sensor de estado sólido, chamado CCD (Charge Coupled Device Dispositivo de acoplamento de carga). Figura 3.34 Comparação entre a aquisição convencional (filme) e a aquisição digital. No CCD matricial os pixels são criados por milhares de fotocélulas microscópicas, que são fotosensívies. Como as câmaras normalmente tem somente um CCD, a captura de imagens coloridas é feita utilizando-se uma matriz de filtros RGB, colocada na frente do CCD. Posteriormente as cores são interpoladas computacionalmente Apêndice 1 6

7 Figura 3.35 Matriz de sensores e filtro de cores. Os scanners são um tipo de dispositivo de captura de imagens digitais que usam três CCDs lineares, cada qual com um filtro colorido nas cores primárias (RGB). Cada um dos sensores lineares, que contem milhares de fotocélulas, varre a imagem analógica (fotografia) para capturar a imagem, uma linha por vez. Figura 3.36 Os vários tipos de scanners. Existem outros tipos de scanners como os de cilindro, os de mesa (flatbed) e os de documentos. Os scanners de cilindro são de última geração 2009 Apêndice 1 7

8 e tem sido muito usados pela indústria gráfica. Os scanners de mesa são usados para a captura de desenhos, documentos e imagens, sendo aqueles de alta velocidade baseados em CCD. Figura 3.37 Esquema de um scanner e um CCD linear. Qualidade da Imagem digitalizada A qualidade de uma imagem digitalizada é determinada pelo tamanho do pixel (resolução espacial) e pela resolução radiométrica (profundidade). Estes conceitos estão relacionados com os dois passos básicos do processo de aquisição de imagens digitais: no primeiro passo a taxa de amostragem determina o tamanho do pixel e os valores de brilho; no segundo passo o nível de quantização determina a profundidade do pixel. Figura 3.38 Resolução espacial e radiométrica e pixels em uma imagem. Um scanner amostra a imagem fotográfica dividindo-a em pequenas células, os pixels e o tamanho de cada pixel depende do número de fotocélulas. Um CCD com poucas fotocélulas amostra a imagem a uma baixa resolução Apêndice 1 8

9 Com uma resolução muito baixa os pixels individuais poderão ser vistos a olho nu, fenômeno denominado pixelização. Nestas imagens com baixa resolução aparecerá uma textura granular e a imagem parecerá estar fora de foco. Para resolver este problema é necessário trabalhar com um CCD com um numero maior de fotocélulas, que amostrarão a imagem com maior resolução, de tal modo que os pixels individuais não serão mais percebidos a olho nu. Figura 3.39 Resolução horizontal e resolução vertical. Num scanner que usa um CCD matricial, as resoluções horizontal e vertical são iguais, porque a imagem é capturada como um único quadro. Entretanto, nos scanners que usam sensores lineares, a resolução vertical é determinada pelo tamanho da fotocélula e a resolução horizontal pela taxa na qual o CCD se move ao longo da imagem e pela qualidade do motor de passo. Como exemplo, um scanner pode usar um CCD linear de 2048 fotocélulas e mover-se verticalmente ao longo de 3072 linhas. O processo de conversão da luz refletida em fotografias analógicas para imagens eletrônicas é chamado conversão fotoelétrica. Este processo pode ser resumido em alguns passos: em cada pixel amostrado, a fotocélula do CCD lê a luz refletida (ou transmitida) pela fotografia e gera um sinal elétrico proporcional à quantidade de luz; quanto maior a intensidade de luz, maior será a voltagem gerada; esta voltagem é armazenada em um capacitor e depois transferida para um registro; a voltagem é redirecionada para um conversor A/D analógico-digital. No processo de quantização são atribuídos valores numéricos aos pixels, o que determina a profundidade do pixel. Quanto maior for o número de bits que o conversor A/D puder processar, mais valores de brilho poderão ser representados. Um conversor de 8 bits consegue representar 256 níveis de brilho, ao passo que um conversor de 12 consegue representar níveis. Numa imagem colorida são atibuídos três bytes (8 bits) para os brilhos nas cores primárias (vermelha R, verde G, azul B) Apêndice 1 9

10 Figura 3.40 Processo de conversão analógico-digital. Figura 3.41 Níveis de quantização em imagens p&b e coloridas. Figura 3.42 Ruídos em uma imagem digital. Além das resoluções espacial e radiométrica, outros fatores influenciam a qualidade de uma imagem digital, quais sejam: intervalo dinâmico (dynamic range): indica como o scanner pode diferenciar níveis de luminosidade. Os filmes convencionais e as câmaras digitais de boa qualidade são capazes de distinguir pequenas 2009 Apêndice 1 10

11 mudanças no nível de luminosidade. Para obter sombras e luzes com precisão, a exposição no scanner deve ser controlada com cuidado. Com um intervalo dinâmico baixo os detalhes e áreas saturadas serão eliminados; o ruído (noise): a informação capturada por um sensor contém tanto os dados originais da imagem quanto o ruído. O ruído aparece como pequenas variações aleatórias no brilho e na cor. Algumas áreas do sensor com baixa relação sinal/ruído introduzem mais ruído, enquanto que aquelas com alta relação sinal/ruído reproduzem a imagem com maior precisão. artefatos (artifacts): são distorções, como os padrões de moiré que ocorrem quando uma imagem é super-amostrada. A taxa de amostragem deve ser baseada na frequência espacial da imagem. A freqüência espacial é a taxa de variação de mudanças de brilho na imagem. Por exemplo, o dente na figura 3.35.(b) apresenta pequenas mudanças nos níveis de brilho, ou seja, uma baixa freqüência espacial, ao passo que o cabelo apresenta mudanças rápidas de brilho, ou alta freqüência espacial. Para eliminar o efeito Moiré na foto, a taxa de amostragem deveria ser duas vezes a freqüência espacial do cabelo, ou seja, os pixels deveriam ser pequenos o suficiente para que cada detalhe estivesse representado em dois pixels. Figura 3.43 Relação entre artefatos e a frequência de amostragem Apêndice 1 11

12 3.13 Seqüência de funcionamento de uma câmara digital O objetivo desta seção é proporcionar uma visão de como funciona internamente uma câmara digital. Obviamente, este detalhamento é feito em um nível didaticamente adequado para os não especialistas em eletrônica e está focado no modelo DC40 da Kodak. As operações são diferentes nas demais câmaras digitais, mas o princípio é semelhante. Algumas abreviações que são usadas com freqüência: RAM - Memória de acesso aleatório; MB - Megabytes; CCD - Dispositivo de acoplamento de carga; LCD - Visor de cristal líquido MPU - Processador auxiliar MCU - Processador central A seguir serão detalhadas algumas fases do processo de aquisição e armazenamento de imagens. Algumas figuras serão inseridas na seqüência, com o objetivo de ilustrar o componente eletrônico que desempenha a tarefa. 1) Ligar a câmara: 1 O chip MCU (seta 1) é o gerenciador de projeto da câmara e monitora todas as tarefas que a câmara desempenha. Quando a câmara é ligada, este chip verifica se todos os componentes da câmara estão funcionando adequadamente e prontos para executar as tarefas. Se algum componente não estiver funcionando o MPU colocará uma mensagem no LCD da câmara e a desligará. 2) Enquadrar o objeto; A câmara DC40 possui dispositivos automáticos para determinar o tempo correto de exposição. A focalização não é necessária, pois o sistema de lentes é fixo e o intervalo de focalização (profundidade de campo) varia de 1,2m ao infinito. Se for necessário focalizar algum objeto mais próximo, é necessário adaptar uma lente de aproximação, que é vendida como um acessório da câmara. Ao pressionar o botão de disparo pela metade (posição S1) o processador MPU-4bits (indicado pela seta (2)) faz uma leitura da iluminação e 2009 Apêndice 1 12

13 determina o tempo de exposição e a quantidade de luz necessária. Nas câmaras mais modernas há um dispositivo interno para focalização de objetos próximos (macro ou close-up) 3 2 3) Coletar a imagem 4 5 O obturador se abre durante o tempo especificado pelo processador MPU. O chip CCD (indicado pela seta (3)) captura a luz refletida pela cena e a armazena como voltagens em células individuais 4) Processar a imagem Os pixels são então deslocados do CCD linha por linha e enfileirados em uma seqüência como um único vetor. Estes pixels são processados para a atribuição de cores, correções radiométricas e antialising. A imagem é, então, após estes processamentos armazenada em um buffer de 4MB (indicado pela seta (4)). 5) Restaurar a imagem O buffer de 4MB (seta (5)) restaura a forma matricial da imagem, que havia sido vetorizada para ser descarregada do CCD. 6) Compressão da imagem A imagem armazenada do buffer (seta (5)) é processada para ser compactada e armazenada em uma memória em seu formato final de saída. O tipo de compressão é determinado pelo usuário e, neste modelo de câmara, 2009 Apêndice 1 13

14 estão disponíveis duas opções: Alta compressão (baixa qualidade) e baixa compressão (alta qualidade). 7) Armazenamento em memória RAM O gerenciador da câmara emite uma mensagem para mover a imagem compactada para a memória RAM de 1MB (seta (6)), que é usada para armazenamento definitivo da imagem, até que seja descarregada pelo computador. 6 8) Ajuste do contador no visor de cristal líquido (LCD) Quando a imagem estiver seguramente armazenada na memória RAM (seta (6)) o gerenciador da câmara emite uma mensagem para o chip MPU (seta (2)) para decrementar o contador do número de imagens disponíveis, apresentado no LCD. 9) Desligamento automático Como em vários dispositivos eletrônicos, a câmara digital DC40 tem um dispositivo de desligamento automático ou de stand by. O processador monitora todas as operações da câmara e, quando deixa de ser operada por um certo intervalo de tempo, é emitido um sinal para o gerenciador que, por sua vez, comanda o desligamento da fonte de potência. Quando o botão disparador é pressionado, o gerenciador reinicia o fornecimento de tensão para a câmara Apêndice 1 14