Representação Digital de Imagens

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1 Representação Digital de Imagens Definição de Imagem Uma imagem é composta por um conjunto de pontos, denominados "Pixels" (Picture Elements) ou "Dots". Estes "pixels" estão dispostos na tela do computador formando uma matriz de pontos que é denominada de "Bit-Map" ou "Mapa de Bits". Este mapa de bits é um reticulado onde cada elemento da matriz possui uma informação referente a cor associada aquele ponto específico. Uma determinada imagem possuirá também uma "resolução" associada a ela, que é o número de elementos que esta imagem possui na horizontal e na vertical. Cada elemento da imagem possuirá uma localização, que é definida pela suas coordenadas. Resolução Espacial A resolução espacial da visão é o parâmetro que mede quantos pontos diferentes o olho pode distinguir em uma imagem. A cada ponto chamamos pixel.o campo visual humano corresponde a uma matriz de cerca de x pixels. Os filmes cinematográficos apresentam resoluções maiores do que isso, pois a ilusão de participação requer a inclusão da visão periférica e da visão devida a movimentos da cabeça. A resolução dos monitores de televisão e de computadores, por outro lado, tem sido bem menor, devido aos custos elevados de sistemas de resolução mais alta. A televisão comum (NTSC ou PAL-M) tem resolução aproximadamente equivalente a 512 X 480 pixels (512 colunas por 480 linhas). Os sistemas de televisão de alta definição (HDTV) se situam em tomo de x No caso de computadores da família PC, as resoluções são determinadas pelo modo gráfico escolhido pelo software, dentro de um limite máximo imposto tanto pelo monitor como pelo adaptador gráfico usados. Para adaptadores de vídeo da família PC, as resoluções mais comuns são de 640 x 480, 800 x 600 e x 768, dependendo da quantidade de cores e do adaptador gráfico. Codificação das Cores Em sistemas baseados em cores primárias (vermelho R, azul B, verde G), é preciso prever a possibilidade de imagens formadas por pontos que se distinguem apenas pela luminância (intensidade luminosa), quaisquer que sejam o matiz (cor) e a saturação (brilho). Isto ocorrerá em imagens onde existe predominância de matizes próximos; em uma cena de floresta, por exemplo, predominam cores verdes de diferentes luminâncias. Por isto, é preciso prever 8 bits para a codificação de cada primária, correspondendo à sensibilidade do olho humano, que pode distinguir 256 níveis diferentes de luminância. Para um sistema de três primárias, isto dá um total de 24 bits por pixel. Esses sistemas, chamados de sistemas de cor verdadeira (no Windows true colors ), podem reproduzir cerca de 16 milhões de cores. Marcelo Musci 17

2 3 bytes (24 bits) Monitor A figura acima mostra o esquema de um sistema de cor verdadeira. A representação do pixel ( 1 byte para cada cor primária R-G-B), retirada da memória de imagem, vai para o tubo de imagem do monitor. Como a capacidade humana de distinção visual de cores é da ordem de centenas de milhares, há uma certa redundância de cores em sistemas de 24 bits. Uma alternativa mais barata é usar 5 bits por cor; um sistema de 15 bits (2 bytes) suporta cores ou 32M cores (no Windows high color ), o que é suficiente para muitas aplicações. Paletas Caso a capacidade de reprodução de cores do sistema seja menor do que a dos sistemas de cor verdadeira, é preciso empregar o conceito de paleta. Nestes sistemas, o conteúdo do pixel não é enviado diretamente ao monitor, e sim como índice para uma tabela armazenada em uma memória especial. Dessa tabela é retirado o valor que irá alimentar os monitores. Essa tabela é chamada de paleta (palette) ou tabela de cores (color look-up table}. Com o uso da paleta, pode-se reduzir a profundidade (tamanho em bits) do pixel, usando menos memória para o armazenamento das imagens. A tabela de palette serve para possibilitar o acesso a um grande número cores em um dispositivo com características gráficas limitadas. O princípio de funcionamento da tabela de palette é o de que na maioria das situações o usuário não precisa utilizar todo o conjunto de cores disponíveis em termos de hardware de uma forma simultânea. Para podermos obter todas as cores possíveis de serem distinguidas pelo ser humano teremos um conjunto de aproximadamente 16 milhões de cores (24 bits/pixel). Supondo uma tela de 640 x 480 pixels, uma imagem gerada para este dispositivo terá um total de pixels, e se for utilizado um sistema com 24 bits/pixel isto resulta em 900Kbytes de memória para armazenar apenas uma imagem! Imagine o processamento necessário para gerar e manipular cada uma destas imagens de 900Kbytes... Como a maioria das imagens não utiliza simultaneamente todas as 16 milhões de cores, uma solução extremamente prática é a criação de um subconjunto de cores que passará então a ser utilizado para cada imagem. Desta forma uma imagem será composta por uma tabela de cores que descreve quais das 16 milhões de cores estão em uso atualmente, e pela imagem propriamente dita que faz apenas uma referência a tabela de cores selecionada (usando menos de 24 bits para armazenar um pixel). Existem tabelas de palette de diferentes tamanhos, sendo as mais comuns de 16, 64 e 256 cores, ocupando 4, 6 ou 8 bits para cada pixel. Uma tabela de palette de 256 cores permite portanto que sejam selecionadas 256 cores do total de 16 milhões que passarão a ser exibidas na tela, e neste caso não podemos nunca ter um número superior a 256 cores diferentes sendo exibidas simultaneamente na tela. Marcelo Musci 18

3 É interessante salientar que ao alterarmos a tabela de palette de cores de uma imagem, o desenho ("as formas") desta imagem permanece, mas todos os pontos que estavam desenhados na cor anteriormente especificada passarão a ser desenhados na nova cor alterada na tabela de palette. Dispositivos Gráficos Dispositivos de saída gráfica Os dispositivos de saída gráfica são aqueles que fornecem ao usuário humano a apresentação das imagens geradas pelo computador. Os dispositivos de saída gráfica compreendem os dispositivos interativos e os dispositivos de cópia permanente. Os principais dispositivos interativos usados atualmente nos computadores são os monitores, baseados em tubos de raios catódicos. Quando falamos em feixes de elétrons e canhões, está implícito que falamos dessa tecnologia. Outras tecnologias de uso mais especializado incluem as seguintes: Matrizes de dispositivos de cristal líquido (LCDs), empregadas em computadores portáteis e painéis gráficos. Funcionam por reflexão ou transmissão de uma fonte de luz através de pequenas células cuja opacidade é controlada pelo adaptador gráfico. Matrizes de diodos eletroluminescentes (LEDs), empregadas em painéis que devem ser lidos em situações de baixa iluminação, por emitirem luz própria. Painéis de plasma, que permitem telas grandes e planas. Essas tecnologias apresentam á vantagem de peso e volume menores do que a dos tubos de raios catódicos. No caso dos LCDs, apresentam também baixo consumo de energia. Para um determinado nível de qualidade gráfica, entretanto, seu custo é bem superior, e há limitações na reprodução de cores. Marcelo Musci 19

4 Dispositivos de cópia permanente Os dispositivos de cópia permanente permitem o armazenamento de imagens fora do sistema de computação, registradas em papel ou em outros meios físicos. São exemplos de dispositivos de cópia permanente: Os traçadores de gráficos (plotters), são dispositivos vetoriais, ou seja, desenham por linhas e não por pixels. Seu uso atualmente é restrito a determinadas aplicações técnicas, que exigem desenhos de grande tamanho. As impressoras, que são dispositivos matriciais, gerando as imagens pixel por pixel. As principais tecnologias atuais são a impressora laser, usada normalmente para altos volumes de impressão, e as impressoras de jato de tinta, usadas para impressão em cores, em pequeno volume e com baixo custo. Os gravadores de vídeo, usados para registro de imagens animadas em meio magnético. Características Técnicas Escolha de Monitores Os monitores atualmente usados em PCs usualmente obedecem ao padrão VESA, definido por um consórcio de fabricantes de adaptadores gráficos e monitores. Os adaptadores que obedecem a esse padrão são geralmente conhecidos como adaptadores Super VGA. A freqüência horizontal mais utilizada atualmente é de 72 Hz. Os monitores de melhor qualidade têm pontos de fósforo com distância entre centros (dot pitch) menores e telas mais planas. Quanto maior a tela, mais conveniente para se trabalhar em ambientes gráficos, permitindo a utilização de mais janelas ou de fontes de texto maiores. A especificação de tamanho refere-se à diagonal principal, e inclui a porção invisível que não é utilizada para a exibição gráfica. Adaptadores gráficos O adaptador gráfico, também chamado de placa de vídeo, é o dispositivo que serve de interface entre um sistema de computação e um monitor. Fisicamente, pode ser uma placa separada, ou estar incluído na placa-mãe de um computador. O adaptador gráfico contém a memória de imagem (frame buffer), que é uma memória especial onde são armazenados os pixels de cada imagem exibida. Normalmente, esta memória é física e logicamente separada da memória principal (RAM), usada pelos programas. O adaptador gráfico também contém os circuitos de refrescamento, que fazem varredura da memória de quadro para gerar os sinais destinados ao monitor. O tamanho da memória de imagem determina as resoluções disponíveis com o sistema e o número de cores suportadas. Sistemas de 4 e 8 bits usam paleta, enquanto sistemas de 15 e 24 bits são de cor verdadeira. A Tabela abaixo mostra a relação entre quantidade de memória dos adaptadores gráficos e as respectivas resoluções e cores. Resolução/cores K 16M 640 x Kb 300Kb 600Kb 900Kb 800 x Kb 469Kb 936Kb 1.407Kb 1.24 x Kb 768Kb 1.536Kb 2.304Kb Marcelo Musci 20

5 Dispositivos de Entrada Gráfica Os sistemas gráficos são completados pelos dispositivos de entrada gráfica, através dos quais os usuários humanos comandam os ambientes e programas gráficos. Os dispositivos de entrada gráfica bidimensional podem ser agrupados nas seguintes classes. Dispositivos de teclado, usados para digitação de textos alfanuméricos e numéricos. Dispositivos posicionadores, que fornecem uma posição (um par de coordenadas), como o rato (mouse), a alavanca de comando (joystick) e a mesa digitalizadora.. As telas de toque (touchscreens) também funcionam como dispositivos posicionadores. Dispositivos de varredura, capazes de digitalizar imagens bidimensionais, como os digitalizadores (scanners) de mesa. Além desses, existem os dispositivos tridimensionais, como dispositivos capazes de captar grande quantidade de movimentos do corpo, ou de partes do corpo. Essa categoria inclui muitos dispositivos usados em sistemas de realidade virtual, como capacetes sensores de posição da cabeça, luvas sensoras e até trajes sensores. Processamento da Imagem Formatos de Imagens Muitos formatos diferentes são usados para a representação de imagens em arquivos. Os formatos de imagens sempre partem da representação destas como um arranjo retangular de pixels, chamado de mapas de pixels. Fala-se em mapa de bits no caso de imagens com um bit por pixel. O trabalho com imagens em multimídia requer uma escolha cuidadosa de um formato adequado para os arquivos de imagem. As seguintes características dos formatos de arquivos de imagens são particularmente importantes: Número de cores suportadas: alguns formatos chegam até 256 cores, enquanto formatos de cor verdadeira chegam a 16 M cores; Resoluções: as resoluções suportadas geralmente começam no padrão VGA mínimo de 320 X 200, podendo chegar às resoluções de milhares de linhas, características dos filmes fotográficos; Popularidade: é importante que os formatos sejam de grande difusão e, caso se trabalhe em um ambiente heterogêneo, com várias famílias de computadores, que sejam de padronização aceita pelos vários fabricantes; Grau de compressão: em muitos formatos de arquivo de imagem, o mapa de pixel sofre algum tipo de compressão, que permite reduzir consideravelmente o tamanho dos arquivos. Alguns formatos comuns para imagens estáticas são: PCX, usado por aplicativos gráficos mais antigos, principalmente do DOS; GIF, usado para distribuição comercial de imagens com compressão sem perdas; BMP, que é o padrão fundamental do Windows; TGA, usado pelos adaptadores gráficos Targa, e por muitos programas de animação e processamento de vídeo; TIF, padrão independente de fabricante para imagens de alta resolução espacial e em cores; PCD, usado em imagens gravadas em Photo-CD, com múltiplas resoluções; JPG, orientado para imagens fotográficas, tem grande possibilidade de compressão com perdas; Marcelo Musci 21

6 PNG, padronizado como alternativa ao formato GIF para distribuição de imagens comprimidas sem perdas. Os dois primeiros formatos são orientados para o máximo de 256 cores, e os demais podem oferecer suporte de cor verdadeira. Existem ainda formatos especializados para pequenas imagens usadas pelo Windows, como arquivos de ícones (ICO), cursores (CUR) e fontes (FNT). Compressão de Imagens Visão geral Imagens de alta resolução e cor verdadeira podem ocupar até vários megabytes de espaço. Na maioria dos casos, pode-se conseguir grande redução do tamanho dos arquivos através das técnicas de compressão de imagens estáticas. As principais técnicas são apresentadas a seguir, em ordem crescente de complexidade. Compressão sem perdas As técnicas de compressão sem perdas mantêm toda a informação contida na imagem original. Técnicas genéricas de compressão sem perdas são utilizadas em compressão de arquivos, através de formatos comprimidos como ZIP, ARC ou GZ. Uma técnica adaptativa particularmente importante é a técnica de Lempel-Ziv-Welsh (LZW), que toma partido da coerência entre linhas para identificar padrões repetidos em material de imagens. Esta técnica é a base do formato GIF (Graphics Interchange Format). Esse formato tem grande difusão para publicação de imagens na WWW. É limitado a 256 cores, mas foi estendido no formato GIF89a, que suporta recursos adicionais importantes: possibilidade de definir uma cor transparente; entrelaçamento, que permite o envio das tiras da imagem em ordem intercalada, de modo que o usuário de um navegador ligado em uma conexão lenta possa perceber uma visão mais grosseira da imagem antes que esta seja completamente carregada; animação, através de arquivos que contêm múltiplas imagens parciais, que podem ser trocadas rapidamente por um navegador, criando-se um efeito animado. + = Entrelaçamento GIF Em anos recentes, a Unisys, detentora da patente do método LZW, começou a cobrar royalties dos produtores de software que processam o formato GIF. Por isso, este tende a ser substituído pelo formato PNG (Portable Network Graphics), pronuncia-se "ping", que suporta tanto sistemas de cor verdadeira como de paleta, além de outros recursos: múltiplos níveis de transparência; correção do gama (suporte para ajuste da exibição da imagem às características do monitor); entrelaçamento mais avançado que o GIF. Por outro lado, o formato PNG não suporta imagens animadas. Está em desenvolvimento o formato MNG (Multiple-Image Network Graphics), pronuncia-se "ming", uma extensão com suporte para animação. Marcelo Musci 22

7 Compressão com perdas As técnicas de compressão com perdas são usadas em casos em que a perda de alguma informação é tolerável, por corresponder a detalhes que a visão humana não percebe, ou percebe apenas com dificuldade. Ao comprimir-se a imagem, pode-se perder alguma informação existente na imagem original. A taxa de perda é um parâmetro fixado durante a compressão. Quanto maior a perda admitida, maior a compressão que se consegue. A codificação JPEG (Joint Photoglaphic Experts Group) emerge atualmente como a técnica mais importante de compressão, principalmente de imagens com gradações suaves de intensidade, geradas por captura de fotos ou síntese tridimensional. O padrão JPEG define também os arquivos JPG, que tendem a se tornar o padrão dominante para distribuição de imagens fotográficas na Internet. O padrão JPEG é um padrão complexo, com suporte para diversos tipos de algoritmos de compressão. É possível também gerar imagens progressivas: nelas, são transmitidos primeiro os pixels correspondentes a resoluções mais baixas, e em seguida vão sendo transmitidos os pixels necessários para, de cada vez, dobrar a resolução. Para navegadores conectados em linhas lentas, isso produz um resultado ainda melhor que o GIF entrelaçado. Imagens Progressivas pela Internet DESENHOS Representação Vetorial As figuras formadas por arranjos de pixels são chamadas de imagens matriciais (raster), ou simplesmente imagens. Elas podem provir da digitalização de imagens em papel, fotos ou quadros de vídeo, podem ser criadas no próprio computador, através de editores de pinturas, e podem provir de combinações de todos estes métodos. Por contraste, os desenhos são baseados na combinação de construções geométricas. Eles são criados através de editores de desenho, que em boa parte imitam as ferramentas do desenho convencional. Arquivos de Desenhos No computador, os desenhos são armazenados na forma de arquivos geométricos ou metarquivos gráficos. Eles permitem o armazenamento de figuras sintéticas em formatos muito mais compactos que os arquivos de imagens. Representam as figuras na forma de coleções de entidades geométricas, ou seja, do ponto de vista do computador, registros de dados que descrevem conceitos da geometria. Dada a importância que os vetores da geometria têm na descrição computacional dos desenhos, esses arquivos são também chamados de arquivos vetoriais. Os arquivos de clip-arts do Windows são todos arquivos vetoriais. Os metarquivos são importantes também porque são eles que contêm a informação útil para muitas aplicações, como programas de editoração eletrônica, ilustração gráfica e animação. Em outras aplicações, a informação vetorial pode ser integrada com bases de dados específicas de determinada área, como no caso de projeto assistido por computador (CAD) de sistemas arquitetônicos e de engenharia, ou no caso de sistemas de informação geográfica. Marcelo Musci 23

8 Formatos Vetoriais Alguns formatos de metarquivos bidimensionais comuns são: CGM, padrão bidimensional, independentemente de fabricante; DXF, formato tridimensional originário do AutoCAD, também muito usado com arquivos bidimensionais; WMF (Windows meta-file), formato vetorial padrão do Windows, muito usado para intercâmbio de dados gráficos entre aplicativos Windows; EMF (Enhanced meta-file), versão mais recente e avançada do formato WMF. Comparação de arquivos vetoriais e matriciais Se considerarmos representações da mesma figura, arquivos vetoriais têm as seguintes vantagens em relação aos arquivos de imagens: O tamanho é geralmente muito menor que o dos arquivos de imagem, já que a informação geométrica é muito mais sintética que a informação em nível de pixels. Deve-se notar que os arquivos vetoriais podem crescer muito, se detalhes muito pequenos forem representados geometricamente, e que as técnicas de compressão de imagem podem reduzir muito o tamanho dos arquivos matriciais. O ganho de compressão da forma vetorial, portanto, deve ser considerado caso a caso. Conserva-se a precisão nas ampliações, já que, ao efetuar-se uma ampliação, a conversão de varredura é refeita para a resolução de imagem que for disponível. Uma reta representada em forma vetorial continuará, em qualquer grau de ampliação, sendo exibida com a resolução do dispositivo gráfico. Se estiver em forma matricial, a "escada" formada pelos pixels será tanto mais visível quanto maior a ampliação. A maioria das operações de processamento é feita de forma muito mais fácil e eficiente. Por outro lado, existem também problemas com a representação de figuras por arquivos vetoriais. Inadequação para a representação de imagens naturais, dado o grau de dificuldade e imprecisão que normalmente existe na vetorização dessas imagens. Imagem matricial (bmp) Imagem vetorial (wmf) Marcelo Musci 24

9 REALIDADE VIRTUAL Realidade virtual é um ambiente artificial oferecido pelo computador, apresentado a um usuário de forma a que se assemelhe o mais possível a um ambiente real. Sistemas de realidade virtual levam ao extremo a tecnologia de multimídia: modelos tridimensionais, animação e som espacializado são combinados com tecnologias avançadas de dispositivos gráficos de entrada e saída para aperfeiçoar a ilusão de realidade. Os sistemas de realidade virtual mais avançados são imersivos, isto é, envolvem completamente a visão, a audição e, possivelmente, o tato do usuário, por meio de recursos como: monitores gráficos miniaturizados, colocados em óculos especiais ou capacetes, que apresentam uma imagem para cada olho, criando a ilusão de tridimensionalidade; dispositivos que monitoram as ações do usuário, como óculos e capacetes que sentem os movimentos da cabeça; sensores de tato, como luvas e trajes sensores, possivelmente com feedback de força, que fornece a ilusão de solidez dos objetos virtuais. Os sistemas mais avançados de realidade virtual ainda são muito caros, e restritos ao mundo da pesquisa avançada e de aplicações de alta tecnologia. Entretanto, versões não-imersivas e de baixa resolução são disponíveis, inclusive através da WWW. VRML Na WWW, os modelos tridimensionais usados em realidade virtual são baseados na linguagem padronizada VRML. Esta é uma linguagem textual, que descreve a geometria e outros parâmetros necessários para a elaboração das cenas tridimensionais. Por ser uma linguagem padronizada, o mesmo modelo pode ser usado através de diferentes visualizadores, que são os responsáveis pela elaboração nas máquinas clientes. Os visualizadores geralmente são instalados como suplementos (plug-ins) dos navegadores da WWW. Tela do Cortona (Parallel Graphics) Tela do Cosmo Player (Silicon Graphics Inc) Marcelo Musci 25