Universidade Federal de Goiás Instituto de Informática Processamento Digital de Imagens Prof Fabrízzio Alphonsus A M N Soares 2012
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
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 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.
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; 5
Aplicações Geógrafos utilizam as mesmas técnicas, ou técnicas similares, para estudar padrões de poluição ou relevo em imagens aéreas e de satélite; 6
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; 7
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; 8
Aplicações Em física e áreas relacionadas, técnicas computacionais rotineiramente realçam imagens de experimentos em áreas como plasmas de alta energia e microscopia eletrônica; 9
Aplicações Similarmente, aplicações de processamento de imagens podem ser encontradas em astronomia, biologia, medicina nuclear, aplicação da lei (segurança pública), defesa, e aplicações industriais. 10
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... 11
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 12
Espectro Eletromagnético: Luz Visível Violeta 0,43μm 6,97x1014 Hz Vermelho 0,79μm 3,79x1014 13Hz
4 1) Imagens por Raio Gama Aplicação: Medicina nuclear e observação astronômica Tumores 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. 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 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.
5 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.
6 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.
7 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.
8 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.
9 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.
0 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.
1 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.
2 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.
Imagens Acústicas (usando SOM e ULTRASSOM): Aplicação: exploração geológica (exploração de minérios e petróleo), indústria e medicina Exemplos de imagens de ultrassom. a) Feto b) Outra vista do feto c) Tireóide d) 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).
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. 24
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. 25
Passos fundamentais em PDI 26
7 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.
28 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.
9 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.
30 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.
31 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.
2 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.
33 Processamento morfológico: Lida com ferramentas para extração de componentes de imagens úteis na representação e descrição da forma, como por exemplo fronteiras e esqueletos.
34 Segmentação: Procedimentos que dividem uma imagem em suas partes ou objetos constituintes.
5 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.
36 Reconhecimento: Processo que atribui um rótulo a um objeto, com base na informação fornecida pelos seus descritores.