Processamento Digital de Imagens

Fundamentos Teóricos  Iniciais

Tópicos

• Aquisição das Imagens Digitais
  
• Processo de Geração das Imagens Digitais
  
• Características de representação de uma Imagem Digital
• Formatos de armazenamento de Imagens Digitais
• Exercícios

Aquisição das Imagens Digitais

• Scanners - dispositivo que possibilita a conversão de uma imagem em papel, por exemplo, ou de uma cena para uma imagem digital através de um processo óptico-eletrônico. Essa forma de aquisição pode inserir distorções na imagem original.

• Um scanner é um aparelho de leitura ótica que permite converter imagens, fotos, ilustrações e textos em papel, num formato digital que pode ser manipulado em computador. Por exemplo, é possível "passar" uma capa de revista ou uma fotografia para a tela de seu PC. Existem diversos tipos de scanners no mercado, que utilizam vários tipos de tecnologia. Este artigo mostrará um pouco do funcionamento dos scanners e as tecnologias usadas. As informações fornecidas aqui podem te ajudar na hora de adquirir um equipamento desse tipo. O mais comum é o scanner de mesa, que parece muito com uma máquina copiadora. Outros tipos são: scanner de tambor, scanner de mão, scanner leitor código de barras, scanner de página e scanner para cartão de visita.

Todos os scanners se baseiam no principio da refletância da luz, que consiste em posicionar a imagem de forma que uma luz a ilumine. Um sensor capta a luz refletida pela figura, formando assim uma imagem digital. Os scanners mais simples usam lâmpada fluorescente para iluminar a imagem, enquanto que os mais sofisticados usam uma lâmpada do tipo catodo-frio. No entanto, um outro fator determinante para a qualidade de imagens escaneadas, é o sensor. Abaixo há uma descrição dos tipos de sensores mais usados:

Photo Multiplier Tube (PMT): usado nos scanners de tambor, que são mais sofisticados e caros. Esse tipo de scanner é usado principalmente na indústria gráfica, para impressões de alta qualidade. Para digitalizar a imagem, a mesma é posta num cilindro de vidro que gira em alta velocidade ao redor do sensor PMT, que divide a luz refletida em três feixes que passam por filtros e geram a imagem digitalizada. Devido a sua complexidade, os scanners de tambor praticamente só são usados em aplicações profissionais;

Charge Coupled Device (CCD): esse sensor é usado em quase todos os scanners domésticos, os mais comuns. Seu destaque é a boa qualidade e preço baixo. O sensor CCD é usado inclusive, em aparelhos de FAX e câmeras digitais. Esse tipo de sensor transforma a luz refletida em sinais elétricos que por sua vez, são convertidos em bits através de um circuito denominado conversor analógico-digital. Os scannerd de mesa geralmente possuem vários sensores CCD organizados em forma de linha reta;

Contact Image Sensor (CIS): esse tipo de sensor usa uma série de LEDs vermelhos, azuis e verdes para produzir a luz branca e substituir os espelhos e lentes usados nos scanners com sensor CCD. Isso permite um escaneamento mais leve e que gasta menos energia. No entanto, a qualidade da imagem escaneada não é tão boa quanto à do CCD, mas o suficiente para aplicações simples. O preço desse tipo de scanner é bem baixo.

• Câmeras Digitais - Uma câmera digital funciona com dispositivos sensores do tipo CCD, descritos acima. Segue um texto obtido da pagina: http://wwwbr.kodak.com/BR/pt/fotografia/curso/tedigital.shtml
  

A Câmera Digital: como funciona? Em uma câmara tradicional, a imagem é gravada no filme. Em uma câmara digital, o "charge-coupled device" (CCD) é o equivalente do filme. Ambos filme e CCD registram as imagens, mas a partir daí, os processos são bem distintos.

Os sensores CCDs são monocromáticos mas podem registrar a cor através de filtros de cor - similar no conceito às diversas camadas de emulsão do filme. A gravação da imagem com um CCD é feita em três passos. Primeiro, a exposição à luz é convertida em carga elétrica em pontos individuais (pixels) do sensor. Segundo, estas cargas são transferidas pela movimentação da carga dentro do fotodiodo de silício. Terceiro, a carga è transformada em uma voltagem e então descarregada.

Similar ao disco rígido (winchester) de um computador, o circuito interno de uma câmara digital tem uma capacidade limitada de armazenamento de imagens. Quando este circuito está "cheio", não se pode mais tirar fotos sem que antes se descarregue as imagens em um computador ou se troque o cartão PCMCIA nas câmaras que possuem esta capacidade.

Figura: Ilustração de Câmeras Digitais

A tabela abaixo relaciona o tamanho padrão de uma imagem digital, em colunas x linhas, com a quantidade de megapixels de uma câmera digital.

Tamanho	MegaPixels	Uso Recomendado
640x480	0.3	Apenas para a Internet
1024x768	0.78	Impressões até 9x13
1289x960	1.2	Impressões até 10x15
1600x1200	2.0	Impressões até 13x18
2048x1536	3.1	Impressões até 20x30
2560x1920	5.0	Impressões  de  Posteres

• Sensores Remotos (Passivos e Ativos) - são dispositivos de imageamento da terra, colocados em aviões e satélites, que possibilitam que se obtenham imagens a grandes distâncias. Existem várias tecnologias de imageamento, como por exemplo, sensores de mapeamento temático (Thematic Mapper), sensores infravermelhos, sensores do tipo CCD e outros. Além dos sensores passivos, que precisam da energia do sol para a geração de imagem, existem tambem os sensores ativos, como por exemplo os sensores de radar, que trabalham com energia própria, e portanto podem imagear partes da superfície terrestre mesmo sem auxilio da luz solar.

Visão estereoscópica		Os diferentes campos de visada do CBERS

Processo de Geração das Imagens Digitais

• As imagens digitais são geradas, pelos dispositivos descritos no item anterior, por um processo que podemos chamar de digitalização. O processo de digitalização possibilita que sinais analógicos, provenientes da energia que chega ao sensor do digitalizador, seja transformado em informação digital. A figura abaixo ilustra o processo de digitalização.

• A informação analógica, para ser digitalizada, precisa ser quantizada em um certo número de níveis digitais. Quanto maior o número de níveis digitais melhor será a representação da informação analógica. Porém, será necessário um número maior de bits para representar a imagem e portanto precisaremos de mais memória (virtual e real) para armazenar essa imagem. As figuras abaixo ilustram esse conceito.
  

Características da representação de uma imagem digital

• Uma imagem digital é representada por uma matriz. Dizemos, assim, que uma imagem digital tem uma representação matricial.

• Assim, como uma matriz, toda imagem possui um certo número de linhas (nlin) e um certo número de colunas (ncol). O número de linhas e o número de colunas podem ser diferentes. Convecionou-se que a linha inicial de uma imagem é a linha superior e é chamada linha 0. A última linha, a inferior, é a linha nlin-1. A coluna inicial, ou coluna 0 da imagem, é a coluna da esquerda. A coluna final, ou coluna ncol-1, é a coluna da direita.

• O tamanho total de uma imagem é obtido pela multiplicação de nlin por ncol.

• Cada elemento dessa matriz é conhecido como pixel (picture element) da imagem. O pixel (0,0) é o pixel superior esquerdo e o pixel (nlin-1,ncol-1) é o pixel inferior direito.
  

• A resolução espacial se refere a região espacial que está representada em cada pixel da imagem. Podemos definir uma resolução na direção do eixo x (dx) e outra na direção do eixo y (dy). Podemos ainda inserir referências de coordenadas planas, ou geográficas, na imagem. O pixel inferior esquerdo é referenciado pelos valores de coordenadas iniciais (xi, yi) e o pixel superior direito é referenciado pelas coordenadas finais (xf, yf) e xf >xi e yf>yi.
  

• Os conceitos de interpolação e amostragem:

Os scanners que usam sensores CCD, geralmente possuem uma resolução ótica de no máximo 600 x 1200 dpi. No entanto, há os scanners que trabalham com resoluções de 2400, 4800, 9600 dpi ou mais. Isso é possível graças a uma técnica chamada Interpolação. Trata-se de um software (geralmente presente num chip do scanner) capaz de aumentar a resolução. A resolução obtida é chamada então de resolução interpolada. O que o software de interpolação faz é criar novos pontos entre pixels obtidos através da resolução ótica original. O problema é que essa técnica não é tão precisa quanto a resolução ótica. (texto tirado de http://www.infowester.com/scanners.php ).


A amostragem

     Consiste em se escolher (amostrar) de uma imagem digital apenas algumas linhas e colunas para se gerar uma nova imagem.  Isto se faz de forma regular, ou seja, se retiram, por exemplo, todas as linhas e colunas impares da imagem original. Pode-se, ainda, usar o critério de se retirar m linhas (ou colunas) de cada n linhas (ou colunas) onde n>m. O efeito desse processamento é uma diminuição no tamanho total de uma imagem porém há uma degradação na imagem original, como pode ser visto na figura abaixo. A nova imagem é uma representação, de menor resolução, da mesma cena da imagem original.

Figura: Efeito da amostragem em uma imagem digital. Imagens 512x512, 256x256 e 128x128 pixels.

O processo de interpolação

A interpolação por vizinho mais próximo se baseia na determinacao dos níveis digitais dos pixels na imagem de saída segundo o seguinte critério: O valor do nível digital de cada pixel da nova imagem é igual ao valor do nível digital do pixel, da imagem original, que for seu vizinho mais próximo.

A interpolação por média local se baseia na determinacao dos níveis digitais dos pixels na imagem de saída segundo o seguinte critério: O valor do nível digital de cada pixel da nova imagem é calculado considerando-se a distância entre o pixel da nova imagem e seus pixels vizinhos da imagem original. Geralmente o novo valor digital é calculado pela média, ponderada pelo inverso da distância, dos valores digitais dos vizinhos mais próximos. O número de vizinhos mais proximos pode ser 4, 8, 16, ....

Importante: A interpolação por vizinho mais próximo mantem, na imagem de saída, o conjunto de valores digitais da imagem original. Ainterpolação por média local pode gerar níveis digitais que não estavam presentes na imagem de entrada.

A figura abaixo mostra um exemplo de interpolação para se colocar uma imagem em uma tela de vizualização maior do que a imagem.

Figura: Efeito da interpolacao pelo vizinho mais proximo em uma imagem digital.

Exemplo de amostragem e interpolação combinados

A figura abaixo mostra um exemplo de combinação dos procedimentos de amostragem e interpolação. Nesse exemplo uma imagem é amostrada e depois interpolada, por vizinhança mais próxima, para poder ser apresentada num monitor de tamanhao fixo.

  Figura: Efeito da amostragem combinada com interpolcao em uma imagem digital (retirado de www.dpi.inpe.br/cursos/pdi/pdi1e2-introd_arquivos/frame.htm)

• Codificação da radiometria da imagem
  

• Imagens Multiespectrais

• No processo de geração de imagens de sensoriamento remoto é comum que o sistema de imageamento adquira várias bandas espectrais que formarão uma imagem multiespectral.
  

• A imagem multiespectral é formada por várias bandas que correspondem a várias fotos captadas ao mesmo tempo de uma mesma região da superfície terrestre. As bandas se diferenciam por serem obtidas por sensores calibrados para faixas diferentes do espectro eletromagnético. Assim as bandas representam respostas à alvos terrestres que são filtradas em diversas faixas espectrais. Essas bandas espectrais podem ser visualizadas em níveis de cinza, por exemplo, e podem ser combinadas para sintetizar imagens coloridas, como mostrado na figura abaixo.

Figura: Bandas 3, 4, 5 e composição colorida de uma imagem TM-LandSat da região de São Paulo

Formatos de armazenamento de imagens digitais

• As imagens digitais são armazenadas em arquivos binários com formatos específicos.

• Em geral os arquivos de imagens contêm um cabeçalho (header), ou campos informativos, descrevendo as características da imagem digital, seguido dos dados da imagem propriamente dito.

• Nos cabeçalhos dos arquivos de imagens digitais existem informações do tipo: número de linhas, número de colunas, número de bits usados na representação da radiometria da imagem, referências geográficas (quando a imagem é georeferenciada), resolução horizontal (dx), resolução vertical (dy), número de bandas da imagem, tipo de compressão usado para guardar os dados, data e hora de aquisição, tipo de sensor que captou a imagem, dados paramétricos dos sensores, e outras informações relevantes.

• Os dados das imagens digitais podem ser gravados em sua totalidade ou com auxílio de uma compressão. Os arquivos de imagens com dados comprimidos utilizam menor área de armazenamento de dados nas memórias. Existem vários algoritmos de compressão de imagens que serão estudados mais adiante. Em geral, os dados são escritos linha a linha, e da esquerda para a direita, começando pela linha superior, linha 0 da imagem.
  

• Os programas que importam imagens digitais:
• lêem primeiramente o cabeçalho da imagem,
  
• em seguida, decodificam essa informação para saber como os dados da imagem estão gravados e,
• por fim, lêem os dados da imagem.

• Entre os formatos, de armazenamento de imagens digitais, mais usados podemos destacar (textos obtidos em http://www.mariomarino.com.br/digital/formatos.htm ):

• BMP (Windows bitmap) É o formato gráfico nativo do Windows da Microsoft. É capaz de armazenar cores em até 24 bits, e muito popular em ambiente PC: alguns programas como o Paint aceitam somente este formato. Devido à popularidade do Windows, muitos programas, inclusive em Macintosh, suportam o formato BMP.

• TIFF (Tagged Image File Format)

  É um formato de arquivos que praticamente todos os programas de imagem aceitam. Foi desenvolvido em 1986 pela Aldus e pela Microsoft numa tentativa de criar um padrão para imagens geradas por equipamentos digital. O TIFF é capaz de armazenar imagens true color (24 ou 32 bits) e é um formato muito popular para transporte de imagens do desktop para bureaus, para saídas de scanners e separação de cores. O TIFF permite que imagens sejam comprimidas usando o método LZW e permite salvar campos informativos (caption) dentro do arquivo. No Photoshop, use o comando File Info do menu File para preencher tais campos informativos.

• GIF (Graphics Interchange Format) É provavelmente o formato de arquivos gráficos mais popular. Foi criado pela Compuserve para a transmissão de imagens do tipo bitmap pela Internet. A primeira versão do GIF surgiu em 1987 (GIF87a). Em 1989 a Compuserve lançou a especificação GIF89a, que implementava o recurso da cor transparente. Imagens GIF são sempre comprimidas e codificadas pela especificação LZW. A sua característica mais marcante é suportar apenas 8 bits por píxel, no máximo; se você necessitar de 24 ou 32 bits por píxel, use JPEG ou TIFF. Apesar desta limitação, o GIF ainda é o formato mais popular para armazenar imagens de baixa resolução. Outro aspecto importante é que o formato GIF embute um método de compressão (LZW) sem perda de informação: uma imagem GIF pode ser lida e gravada infinitas vezes e sempre será idêntica à original. Esta é uma vantagem do LZW sobre o JPEG, que sempre acarreta em perda de informação.

• PCX (Zsoft file Format) É um dos formatos raster mais antigos, criado para o programa Paintbrush da Microsoft, ainda no tempo do DOS. A versão atual suporta cores em 24 bits, embora antigas versões suporte apenas 256 cores. O PCX é aceito por muitos programas de imagem.

• RAW (Bruto ou rústico) é um formato de gravação da imagem digital onde seus pixels são armazenados em formato binário, com 8 bits, 16 ou 24  bits. A principal característica deste formato é que somente os dados são escritos no arquivo, ou seja, não existem um cabeçalho descrevendo as características dos dados. Devido a falta do cabeçalho nesses arquivos, os programas que leem esse formato de imagem requerem que o usuário informe alguns parâmetros que descrevem a imagem, tais como: número de linhas, número de colunas e número de bits usados na codificação da imagem, entre outros.
  

Exercícios

1. Faça um programa em Java, ou em C,  para ler uma imagem do tipo RAW, dividir o valor de seus pixels por 2 e gravar o resultado numa imagem de saída.  Faça o exercício com uma imagem colorida e uma imagem em nível de cinza. Dicas: a) Visualize uma imagem colorida,  no formato jpg   (tiff, gif ou outro formato), no IrfanView e exporte-a em formato raw. b) Utilize a mesma imagem, converta-a em níveis de cinza, exporte em formato raw.
   
2. Visualize as imagens de entrada e saída no IrfanView e compare-as. O que você observou? A imagem de saída está melhor ou pior do que a de entrada? O que voce observou quanto ao tamanho dos arquivos das imagens raw obtidas?
   
3. Para o mesmo programa, gere uma imagem negativa da imagem em nível de cinza de entrada. Visualize o resultado no IrfanView.
   
4. Faça um relatório sobre o laboratório e envie para o professor. 

1. Faça um programa em C para ler uma imagem do tipo RAW, amostrar a imagem com um fator de amostragem predeterminado pelo usuário do programa e gravar o resultado numa imagem de saída.  Faça o exercício com uma imagem colorida e uma imagem em nível de cinza. Repita o experimento para, pelo menos, 3 fatores de amostragem diferentes.
   
2. Visualize as imagens de entrada e saída no IrfanView e compare-as quanto ao tamanho e qualidade. O que você observou? A imagem de saída está melhor ou pior do que a de entrada?
   
3. Faça um relatório, seguindo as intruções fornecidas no laboratório 1, sobre o experimento do lab 2 e envie para o professor.
   

1. Faça uma pesquisa sobre pelo menos mais 3 formatos de arquivos utilizados para armazenar imagens digitais. Descreva resumidamente as características principais desses formatos.
2. Para transformar uma imagem digital qualquer em uma imagem preto e branco, programas de manipulação de imagens digitais costumam oferecer 4 modos de conversão para preto e branco: linha artística (50% Threshold), ordenado, difusão de erro e meio-tom. Faça uma pesquisa e descreva resumidamente como essa conversão é feita.
3. Ao salvar uma imagem colorida, que está sendo visualizada no irfanview por exemplo, em formato raw voce verifica que essa imagem tem 1000 linhas e 500 colunas. Qual será o tamanho do arquivo raw se essa imagem estiver codificada em true color (24 bits por pixel)?
4. Suponha que voce converteu a imagem do exercício anterior em níveis de cinza  com 8bits por pixel. Qual o tamanho do arquivo necessário para salvar essa imagem? Qual o tamanho do arquivo raw se existisse a opção de se transformar uma imagem true color em níveis de cinza com codificacao de 16 bits por pixel
   
5. Explique, resumidamente, a diferença entre os processos de amostragem e interpolação de uma imagem digital. Qual a vantagem e desvantagem de cada processo?
6. Suponha que você tenha duas imagens, de uma mesma cena, codificadas com 1 bit (preto e branco) e com resoluções espaciais de 900m² e 9 m² respectivamente. Qual dessa imagens possibilita uma discriminação melhor dos objetos da cena imageada? Porque?
   
7. Considerando o exercício anterior, haverá diferença se as imagens estiverem codificadas com 8bits, ao invés de 1bit? Explique.
   
8. Considere que você disponha de um monitor de imagem com resolução de 500x500 pontos. Para mostrar uma imagem de 2000x2000 pixels você terá que amostrar ou interpolar valores dessa imagem? Porque?
9. Considere que você disponha de um monitor de imagem com resolução de 2000x2000 pontos. Para mostrar uma imagem de 500x500 pixels você terá que amostrar ou interpolar valores dessa imagem? Porque?