Teoria : Processamento de Imagens

O que é processamento de imagens?

• As técnicas voltadas para a análise de dados multidimensionais, adquiridos por diversos tipos de sensores recebem o nome de processamento digital de imagens, ou seja é a manipulação de uma imagem por computador de modo onde a entrada e a saída do processo são imagens.
• Usa-se para melhorar o aspecto visual de certas feições estruturais para o analista humano e para fornecer outros subsídios para a sua interpretação, inclusive gerando produtos que possam ser posteriormente submetidos a outros processamentos.
• Inclui diversas áreas como a análise de recursos naturais e meteorologia por meio de imagens de satélites; transmissão digital de sinais de televisão ou fac-símile; análise de imagens biomédicas; análise de imagens metalográficas e de fibras vegetais; obtenção de imagens médicas por ultra-som, radiação nuclear ou técnicas de tomografia computadorizada; aplicações em automação industrial envolvendo o uso de sensores visuais em robôs.
• O uso de imagens multiespectrais registradas por satélites tais como, Landsat, SPOT ou similares é uma valiosa técnica para a extração dos dados destinados às várias aplicações de pesquisa de recursos naturais. A obtenção das informações espectrais registradas pelos sistemas nas diferentes partes do espectro eletromagnético, visando a identificação e discriminação dos alvos de interesse, depende principalmente da qualidade da representação dos dados contidos nas imagens.
• As técnicas de processamento digital de imagens, além de permitirem analisar uma cena nas várias regiões do espectro eletromagnético, também possibilitam a integração de vários tipos de dados, devidamente georeferenciados.

Como pode-se dividir o processamento de imagens?

• Em pré-processamento, realce e classificação.
  • Pré-processamento refere-se ao processamento inicial de dados brutos para calibração radiométrica da imagem, correção de distorções geométricas e remoção de ruído.
  • Realce visa melhorar a qualidade da imagem, permitindo uma melhor discriminação dos objetos presentes na imagem.
  • Na classificação são atribuídas classes aos objetos presentes na imagem.

O que é realce de contraste?

• A técnica de realce de contraste tem por objetivo melhorar a qualidade das imagens sob os critérios subjetivos do olho humano. É normalmente utilizada como uma etapa de pré-processamento para sistemas de reconhecimento de padrões.
• O contraste entre dois objetos pode ser definido como a razão entre os seus níveis de cinza médios.
• A manipulação do contraste consiste numa transferência radiométrica em cada "pixel", com o objetivo de aumentar a discriminação visual entre os objetos presentes na imagem. Realiza-se a operação ponto a ponto, independentemente da vizinhança.
• A escolha do mapeamento direto adequado é, em geral, essencialmente empírica. Entretanto, um exame prévio do histograma da imagem pode ser útil. O histograma de uma imagem descreve a distribuição estatística dos níveis de cinza em termos do número de amostras ("pixels") com cada nível. A distribuição pode também ser dada em termos da percentagem do número total de "pixels" na imagem. Pode ser estabelecida uma analogia entre o histograma de uma imagem e a função densidade de probabilidade, que é um modelo matemático da distribuição de tons de cinza de uma classe de imagens.
• A cada histograma está associado o contraste da imagem.

• Pode-se fazer um realce de contraste utilizando-se uma função matemática denominada transformação radiométrica. Esta função consiste em mapear as variações dentro do intervalo original de tons de cinza, para um outro intervalo desejado e é utilizado para aumentar o contraste de uma imagem, expandindo o intervalo original de níveis de cinza da imagem original.

Quais são as características do realce Linear?

• O aumento de contraste por uma transformação linear é a forma mais simples das opções. A função de transferência é uma reta e apenas dois parâmetros são controlados: a inclinação da reta e o ponto de interseção com o eixo X (veja figura abaixo). A inclinação controla a quantidade de aumento de contraste e o ponto de interseção com o eixo X controla a intensidade média da imagem final.
• A função de mapeamento linear pode ser representada por:

Y = AX + B

• onde:
  • Y = novo valor de nível de cinza;
  • X = valor original de nível de cinza;
  • A = inclinação da reta (tangente do ângulo);
  • B = fator de incremento, definido pelos limites mínimo e máximo fornecidos pelo usuário.

• No aumento linear de contraste as barras que formam o histograma da imagem de saída são espaçadas igualmente, uma vez que a função de transferência é uma reta. O histograma de saída será idêntico em formato ao histograma de entrada, exceto que ele terá um valor médio e um espalhamento diferentes.

Quais são as características do realce MinMax?

• A manipulação de histograma pela opção MinMax (Mínimo/Máximo) é idêntica a manipulação de uma curva linear. A diferença está no momento em que feita a escolha da opção.
• O sistema calcula o valor de nível de cinza mínimo e máximo que é ocupado pela imagem original. De posse desses valores é aplicada uma transformação linear onde a base da reta é posicionada no valor mínimo e o topo da reta no valor máximo. Desse modo não haverá perda de informação por "overflow", isto é, todos os níveis de cinza continuarão com o mesmo número de pixels.

• Um "overflow" ocorre quando uma porção pixels de níveis de cinza diferentes são transformados em um único nível, isto é, quando a inclinação da reta de transferência é exagerada. Observe a figura abaixo onde a seta de "overflow" está indicando, significa perda de informação, uma vez que pixels de colunas vizinhas do histograma de entrada, que originalmente podiam ser diferenciados com base no seu nível de cinza, serão fundidos numa só coluna e passarão a ter o mesmo nível de cinza (0 para o caso da figura abaixo)

• OBS.: A ocorrência de "overflow" é muitas vezes desejada, uma vez que o usuário sabe em que intervalo de níveis de cinza está o que deseja realçar. Pois caso contrário estará definitivamente perdendo a informação quando salvar a imagem realçada.

Quais são as características do realce RaizQuadrado?, Quadrado, Log, Negativo, EqualHist, Fatia.

• Utiliza-se a opção de transformação por raiz quadrada para aumentar o contraste das regiões escuras da imagem original.
• A função de transformação é representada pela curva como na figura abaixo. Observe que a inclinação da curva é tanto maior quanto menores os valores de níveis de cinza.
• Pode ser expresso pela função:

Y = A

• onde:
  • Y = nível de cinza resultante
  • X = nível de cinza original
  • A = fator de ajuste para os níveis de saída ficarem entre 0 e 255

• NOTA: Este mapeamento difere do logarítmico porque realça um intervalo maior de níveis de cinza baixos (escuros), enquanto o logarítmico realça um pequeno intervalo.

Quais são as características do realce Quadrado?

• Utiliza-se este mapeamento quando se deseja aumentar o contraste de feições claras (altos níveis de cinza da imagem). Observe na figura abaixo que o aumento de contraste é maior a partir da média do histograma, mesmo havendo um deslocamento geral para a região de níveis mais escuros.

• A função de transformação é dada pela equação:

Y = AX²

• onde:
  • X = nível de cinza original
  • Y = nível de cinza resultante
  • A = fator de ajuste para os níveis de saída estarem entre 0 e 255

Quais são as características do realce Logarítmico?

• O mapeamento logarítmico de valores de níveis de cinza é útil para aumento de contraste em feições escuras (valores de cinza baixos). Equivale a uma curva logarítmica como mostrado na figura a seguir.
• A função de transformação é expressa pela equação:

Y = A log (X + 1)

• onde:
  • Y = novo valor de nível de cinza
  • X = valor original de nível de cinza
  • A = fator definido a partir dos limites mínimo e máximo da tabela, para que os valores estejam entre 0 e 255.

• NOTA: Observe na figura acima que uma porção menor de níveis de cinza sobre um grande aumento de contraste, comparado com a transformação por raiz quadrada, mencionada mais acima.

Quais são as características do realce Negativo?

• É uma função de mapeamento linear inversa, ou seja, o contraste ocorre de modo que as áreas escuras (baixos valores de nível de cinza) tornam-se claras (altos valores de nível de cinza) e vice-versa. A figura a seguir mostra sua representação.

• A função de mapeamento negativa pode ser representada por:

Y = - (AX + B)

• onde
  • Y = novo valor de nível de cinza
  • X = valor original de nível de cinza
  • A = inclinação da reta (tangente do ângulo)
  • B = fator de incremento, definido pelos limites mínimo e máximo fornecidos pelo usuário.
• NOTA: Atente para o fato que todas as opções mencionadas até o momento são passíveis de ocorrer um "overflow".

NOTA: Todas as opções de contraste mencionadas acima têm o modo de operação igual ao descrito no item Manipulando um Histograma descrito acima.

Quais são as características do realce por Equalização de Histograma?

• É uma maneira de manipulação de histograma que reduz automaticamente o contraste em áreas muito claras ou muito escuras, numa imagem. Expande também os níveis de cinza ao longo de todo intervalo. Consiste em uma transformação não-linear que considera a distribuição acumulativa da imagem original, para gerar uma imagem resultante, cujo histograma será aproximadamente uniforme (veja figura abaixo).
• A opção de equalização parte do princípio que o contraste de uma imagem seria otimizado se todos os 256 possíveis níveis de intensidade fossem igualmente utilizados ou, em outras palavras, todas as barras verticais que compõem o histograma fossem da mesma altura. Obviamente isso não é possível devido à natureza discreta dos dados digitais de uma imagem de sensoriamento remoto. Contudo, uma aproximação é conseguida ao se espalhar os picos do histograma da imagem, deixando intocadas as partes mais "chatas" do mesmo. Como podemos ver na figura abaixo, Este processo é obtido através de uma função de transferência que tenha uma alta inclinação toda vez que o histograma original apresentar um pico, e uma baixa inclinação no restante do histograma.

• O SPRING apresenta a seguinte função de equalização de histograma:

Y = (faxi) . 255

Pt

• onde
  • faxi = freqüência acumulada para o nível de cinza xi
  • Pt = população total (número total de "pixels")
• NOTA: A opção de equalização é automaticamente calculada e apresentada, de modo que o usuário não poderá alterar a forma ou posição da curva, permanecendo assim a tela no modo estático.

Quais são as características do realce por Fatia?

• A opção fatia (ou fatiamento de níveis de cinza) é uma forma de aumento de contraste cuja operação consiste simplesmente em realçar os pixels cujas intensidades se situam dentro de um intervalo específico (a fatia), isto é, entre um máximo e um mínimo. Consiste na divisão do intervalo total de níveis de cinza de determinadas fatias (ou classes de cores).
• O fatiamento de níveis de cinza é considerado a forma mais simples de classificação, de modo que é aplicado apenas a uma única banda espectral.
• De acordo com o critério de determinação dos intervalos de níveis de cinza, pode-se obter fatiamento normal, equidistribuição e arco-íris.

• Fatiamento normal: as fatias são definidas de modo que o intervalo entre cada faixa seja constante.

• Fatiamento equidistribuição: o intervalo de níveis de cinza é dividido de modo que cada faixa contenha o mesmo número de pontos.

• Fatiamento arco-íris: é o mapeamento de um tom de cinza para uma determinada cor. Baseia-se no fato de que variações de cores são muito mais visíveis ao olho humano do que variações de tons de cinza. O mapeamento global desses níveis para o espaço de cor segue a seqüência do arco-íris.

Quais são as características do realce por Edição?

• Permite a aplicação de uma tabela de transformação radiométrica definida pelo usuário. O seu objetivo é salientar um aspecto específico da imagem que o usuário deseja analisar.

• Exemplo: caso em que uma imagem apresenta regiões escuras (baixos níveis de cinza) dentro de uma área com pequenas variações radiométricas que não são de interesse. Pode-se utilizar o limite de saturação para realçar ou amenizar o contraste de alguma característica da imagem. A figura a seguir ilustra o efeito da variação do limiar de saturação.
• Se o histograma apresenta dois picos de freqüência (bimodal), pode-se segmentar a imagem em duas classes definidas por uma limiar (L). Esta operação é útil para separar dois grandes grupos de níveis de cinza na imagem.

• Quando a imagem em que se está trabalhando apresenta um histograma assimétrico, como é freqüentemente observado, não é aconselhável se trabalhar com uma transformação linear simples. Neste caso o usuário, com a ajuda de um cursor, pode especificar na tela uma transformação linear por partes. Isto oferece um maior grau de liberdade na especificação do histograma de saída, reduzindo a assimetria do histograma e utilizando melhor o intervalo de níveis de cinza disponível. Exemplo: