Motivação Por que estudar?

Transcrição

1 Aula 04 Imagens Diogo Pinheiro Fernandes Pedrosa Universidade Federal Rural do Semiárido Departamento de Ciências Exatas e Naturais Curso de Ciência da Computação

2 Motivação Por que estudar? Imagens digitais apresentam se em diferentes formatos de arquivo, com diferentes tipos de compressão (BMP, GIF, JPG, PNG, WMF, TIFF, etc.); Várias ferramentas de autoria multimídia usam, ou manipulam, imagens digitais; Imagens são fontes de informação que podem ser utilizadas por dispositivos automáticos ou por pessoas.

3 Conceitos Fundamentais de Imagens Digitais

4 Imagem Definição matemática: Função f(x, y) (bidimensional) de intensidade luminosa o valor f nas coordenadas (x, y) corresponde à intensidade, ou brilho, naquele ponto. x f(x, y) y

5 Imagem Brilho corresponde ao produto de dois componentes: Iluminância i(x, y): quantidade de luz incidente na cena; Reflectância r(x, y) : quantidade de luz refletida pelo objeto. f x, y =i x, y r x, y OBS.: a função f(x, y) é, por definição, contínua.

6 Imagem Digital Representação computacional de uma imagem real obtida através dos processos de amostragem e quantização (realizados por equipamentos digitais de aquisição de imagens); Amostragem discretizar o domínio de definição da imagem nas direções x e y, gerando uma representação matricial de M x N amostras; Quantização número inteiro associado ao brilho de uma imagem real.

7 Imagem Digital

8 Imagem Digital [ f 0,0 f 0,1 f x, y f 0, N 1 f 1,0 f 1, 1 f 1, N 1 Pixel picture element Direção x : M colunas Direção y : N linhas f M 1,0 f M 1,1 f M 1, N 1 ]

9 Imagem Digital Resolução número de pixels na imagem digital Quanto maior for a resolução, mais detalhes serão apresentados na imagem.

10 Tipos de Imagens Digitais

11 Imagens de 1 bit São imagens digitais onde cada pixel corresponde apenas a um bit; Bit 1 preto; Bit 0 branco. São denominadas de imagens binárias; Não possuem cor (monocromáticas); São adequadas para representações de figuras contendo gráficos simples ou texto.

12 Imagens de 1 bit

13 Imagens de 8 bits Níveis de Cinza São imagens onde o valor de cada pixel é representado por um inteiro (um byte) entre o intervalo [0, 255]; Valor 0 preto; Valor 255 branco; Valores intermediários graduações na escala de cinza. 0 f x, y 255

14 Imagens de 8 bits Níveis de Cinza Histograma

15 Imagens de 8 bits Níveis de Cinza Imagens de 8 bits podem ser imaginadas como um conjunto de 8 imagens binárias; Cada um dos 8 bits tem uma contribuição específica para o valor do pixel na coordenada (x, y);

16 Imagens de 8 bits Níveis de Cinza

17 Imagens de 8 bits Níveis de Cinza Imagens 8 bits requerem maior capacidade de armazenamento; Imagem 640 x 480 binária: =38,4 kb Imagem 640 x 480 com nível de cinza: =307,2 kb

18 Imagens de 8 bits Níveis de Cinza Técnica de Impressão Pontilhado (Dithering)

19 Dithering Em equipamentos de impressão binários, a reprodução de imagens níveis de cinza é obtida através da técnica de pontilhamento (impressão em meio tom); A idéia é substituir um determinado nível de cinza por um padrão binário; O olho humano não tem a capacidade de dicernir os pontos binários deste padrão e o interpreta como um tom próximo ao original.

20 Dithering Este padrão consiste em uma matriz de dimensão n x n, o que implica na representação 2 de n + 1 níveis de cinza; Cada pixel será substituido pelo número de pontos no padrão; Quanto maior for a resolução da impressora em dpi s, melhor será a imagem impressa; Problema aumento na dimensão da imagem. Solução ordered dithering (pontilhado ordenado)

21 Ordered Dithering Dado uma matriz n x n de padrão de impressão meio tom, transformar todos os pixels da imagem a ser impressa do intervalo [0, 255] para [0, n]; f x, y n f n x, y = 256

22 Ordered Dithering Comparar um pixel fn da imagem a ser impressa com um elemento específico da matriz de padrão n x n; Se o pixel fn tiver um valor maior que o elemento, deixar o bit da imagem binária de saída com valor 1. Caso contrário, o bit fica com valor zero.

23 Ordered Dithering Algoritmo Entradas: I matriz M x N de entrada (nível de cinza); D matriz n x n de padrão de pontilhamento de pontos Saída: O matriz binária M x N Variável intermediária: Ptemp pixel temporário (recebe o valor normalizado) // Normalizar a matriz de entrada e fazer o pontilhado ordenado... Para x variando de 0 até M 1 Para y variando de 0 até N 1 Ptemp ( I(x, y) * n )/256; i = x mod n; // Resto da divisão... j = y mod n; Se Ptemp > D(i, j) O(x, y) 1; Senão O(x, y) 0; Fim Fim

24 Ordered Dithering Exemplos de padrões: [ ] 0 2 D 2 2= 3 1 [ D 4 4= ]

25 Ordered Dithering

26 Imagens Coloridas

27 Imagens Coloridas 24 bits Neste tipo de imagem, cada pixel é representado por três bytes, usualmente associado para o padrão RGB; Uma imagem RGB pode ser imaginada como o agrupamento de três imagens (uma para cada componente) Cada componente (R, G ou B) tem seus pixels no intervalo [0, 255].

28 Imagens Coloridas 24 bits As imagems podem representar um total de 256 x 256 x 256 = cores diferentes; Requer maior espaço de armazenamento; Exemplo: 640 x 480 x 3 = 921,6 kb A maioria dos arquivos utilizam compressão de dados.

29 Imagens Coloridas 24 bits Muitas imagens coloridas são armazenadas em 32 bits; O quarto byte é para o canal alfa (transparência)...

30 Imagens Coloridas 24 bits Imagem RGB Imagem da componente R Imagem da componente G Imagem da componente B

31 Imagens Coloridas 8 bits Formato alternativo para imagens coloridas de 24 bits (requer menor tamanho de armazenamento); Também é conhecida como imagem de 256 cores; As informações sobre as cores não são armazenadas em um pixel, mas em uma lookup table (tabela de consulta);

32 Imagens Coloridas 8 bits O pixel armazena um conjunto de bits que é o índice para acessar a tabela de referência e, consequentemente, a cor a ser atribuida ao pixel.

33 Imagens Coloridas 8 bits Questão? Dada uma representação de 256 x 256 x 256 cores, como reduzir o número de cores da imagem para 256? Idéia igênua: Discretização do espaço RGB.

34 Imagens Coloridas 8 bits Método mais acurado (median cut algorithm): Encontrar o menor cubo que encapsule todas as cores da imagem; Classificar as cores encapsuladas ao longo da maior dimensão do cubo; Dividir o cubo em duas regiões, na mediana das cores classificadas; Repetir os dois passos anteriores de forma a obter 256 pequenas regiões;

35 Imagens Coloridas 8 bits Método mais acurado (median cut algorithm): Para cada pequena região encontrada, encontrar o seu centro (coordenadas R, G e B centrais do pequeno cubo); Baseando se em alguma métrica (distância euclidiana, por exemplo) encontrar qual cor representativa (que são as coordenadas dos pequenos 256 cubos) deve substituir a cor do pixel da imagem;

36 Imagens Coloridas 8 bits Método mais acurado (median cut algorithm): O pixel deve armazenar o índice da tabela de consulta relativo à entrada das coordenadas RGB dos pequenos cubos.

37 Formatos de Arquivos de Imagens

38 Graphics Interchange Format GIF É um formato que usa o padrão de 8 bits (com lookup table) adequado para representar imagens com poucas cores; Sua importância deriva do fato de ser um dos primeiros formatos a ser reconhecido por browsers; Usa o algoritmo de compressão Lempel Ziv Welch;

39 Graphics Interchange Format GIF Há duas especificações: GIF87a e GIF89a. Este último suporta animação; Possui a opção de intercalamento (interlacing) armazena as linhas da imagem fora de ordem permite que uma imagem parcialmente descarregada fosse reconhecível até certo ponto.

40 Graphics Interchange Format GIF Assinatura: 6 bytes (GIF87a); Descritor de tela: conjunto de flags de 7 bytes que contem informações sobre largura, altura da imagem, entre outros;

41 Graphics Interchange Format GIF Mapa global de cor: contém as especificações globais de cor (para todo o arquivo);

42 Graphics Interchange Format GIF Se um único arquivo GIF encapsular n imagens, cada uma delas terá seu próprio descritor, seu mapa de cores e sua área de dados.

43 Graphics Interchange Format GIF Descritor de Tela Width e Height cada um definido em 2 bytes (LSB least significant byte/msb most significant byte); Bit m tem valor 0 se o mapa global de cores não for fornecido.

44 Graphics Interchange Format GIF Descritor de Tela Bits cr (são três, no total) resolução das cores; Bit 0 não é usado; Bits pixel (são três bits, no total) indica o número de bits por pixel na imagem.

45 Graphics Interchange Format GIF Descritor de Tela Byte Background armazena o índice da tabela de cores que possui a informação de cor do fundo da imagem; O último byte possui apenas 0 s.

46 Graphics Interchange Format GIF O mapa de cores tem comprimento de 2pixel+1; Os dados da imagem na tela (dados raster) são primeiramente comprimidos pelo algoritmo antes de serem gravados no arquivo.

47 JPEG Um dos mais importatntes padrões de compressão de imagens; Para este tipo de imagem, usa se o fato de que o sistema de visão humana apresenta algumas limitações; Não é possível enxergar detalhes extremamente finos em uma imagem. Esta é a base para a codificação JPEG usa se o conhecimento da frequencia de mudança de informação na imagem;

48 JPEG Com estas novas informações, gera se uma nova imagem; Os dados dessa nova imagem são divididos por um fator inteiro e são truncados; Os valores pequenos (que representam uma baixa variação de informação) tornam se iguais a zero; Assim, aplica se um método para gerar uma longa sequencia de zeros, fazendo então com que a imagem seja comprimida.

49 Outros Formatos Relevantes PNG Portable Network Graphics; TIFF Tagged Image File Format; WMF Windows MetaFile; BMP Windows BitMaP; PPM Portable PixMap.