IMG_DIG_rad_2010

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Imagens DigitaisImagens Digitais
Leopoldo França
leopoldofrancaneto@gmail.com
As imagens
� Visão humana
� Representação digital de imagens
� Dispositivos gráficos
� Processamento da imagem
O Olho Humano
� Estrutura do olho humano
Foto Receptores
� Cones
� 6 milhões em cada olho (aproximadamente)
� Percepção de cores
� Adaptados a alta luminosidade
� Bastonetes 
� 125 milhões em cada olho (aproximadamente)
� Percepção de tons de cinza
� Pico em 498nm
� Tons de cinza 
� Adaptados a baixa luminosidade
Foto Receptores
� Cones e bastonetes
CONES
BASTONETES
Cones e Bastonetes
� Distribuição na retina não é uniforme
Percepção Humana da Cor
� Espectro visível: 400nm (violeta) a 700nm (vermelho)
� Cones
� Bastonetes
� Quase todas as cores podem ser obtidas por 
combinação linear de três cores básicas
� Picos de sensibilidade ao espectro: verde, vermelho 
e azul (este muito menor)
Percepção Humana da Cor
Tipos de cones de acordo com comprimento
de onda: 
� S (curto)
� M (médio)
� L (longo)
Obs.: 1nm = 10-9m
564 nm500 - 700 nmρ (Verde amarelado)L
534 nm450 - 630 nmγ (Azul esverdeado)M
420 nm400 - 500 nmβ (Azul) S
Pico de 
sensibilidade
Faixa de 
resposta 
PigmentoCone
Percepção Humana da Cor
Curvas de absorção da luz de acordo com o tipo
de foto receptor (cone e bastonete) 
Obs.: 1nm = 10-9m
Percepção Visual
� Informação pode ser mal interpretada 
resultando em ilusão de óptica
Percepção Visual
� A vizinhança tem influência na percepção de 
cor e iluminação
Percepção Visual
� Mesma cor em A e B
Percepção Visual
� Outras ilusões
Imagens Digitais
Imagens digitais podem 
ter propósitos e origens 
bem diferentes
Representação digital de 
imagens
� Resolução espacial de imagens:
� pixel - unidade de imagem, usada para medir 
resolução gráfica;
� visão humana - cerca de 3000 x 3000 pixels;
� fotografia - até 8000 x 8000 pixels.
Representação Matricial
� Resolução Vertical e Horizontal
� Resolução Espacial ou Geométrica (m x n)
� Densidade de Resolução - dpi (“dots per inch”)
 2 . . . . . . 20dy
 dx
 1
 ( x , y )
Reticulado bidimencional
• Discretização espacial
• Resolução (XxY pixels)
Amostragem Representação Matricial
� Bitmap: mapa de bits
� Cada célula contém informação da cor
Representação Matricial
� Células acessadas através de índices 
� Índices geralmente iniciam a partir do zero
� Linha x coluna
Representação Matricial
� Células armazenam valores dos pixels 
Representação Matricial
� Células armazenam valores dos pixels 
Representação digital de 
imagens
� Resolução espacial de imagens:
� vídeo NTSC: 512 x 480 pixels / quadro;
� monitores VGA: 320 x 200 (256 cores), 640 x 
480 (16 cores);
� monitores SVGA: 640 x 480, 800 x 600, 1024 
x 768;
� vídeo HTDV: 1920 x 1080.
Representação digital de 
imagens
� Codificação das cores:
� canal de cor - cada cor primária usada para 
representar uma dada cor;
� amostragem de cores - a intensidade de cada 
primária é codificada no valor de um canal;
� quantização das cores - número de bits por 
canal comumente: 1 a 8.
� Resolução de cor (bits/pixel) - número total de 
bits para representar uma cor
Representação digital de 
imagens
� Codificação das cores:
� em sistemas de cor verdadeira, o valor do pixel 
é a combinação dos valores dos canais;
� em sistemas de paleta, o valor do pixel é um 
índice na tabela de cores;
� o canal alfa: pode ser usado para representar a 
transparência de um pixel.
Representação das Imagens
� Tipos de imagens:
� Imagens Coloridas
� True Color
� Cores fixas
� Cores indexadas
� Imagens em Tons-de-cinza
� Imagens Binárias
Representação digital de 
imagens
� A visão humana da cor:
� espectro visível: 400nm (violeta) a 700nm 
(vermelho);
� quase todas as cores podem ser obtidas por 
combinação linear de três cores básicas;
� picos de sensibilidade ao espectro: verde, 
vermelho e azul (este muito menor).
Representação digital de 
imagens
� O sistema aditivo (RGB):
� CIE-RGB (padrão - Comissão Internacional de Iluminação)
� R (red), G (green) e B (blue)
� cores fundamentais - vermelho, verde, azul;
� baseado nos picos de sensibilidade ao espectro;
� funciona por combinação aditiva - soma de 
luzes;
� utilização: monitores, projetores
Representação digital de 
imagens
� O sistema aditivo (RGB):
Representação digital de 
imagens
� Decomposição 
em RGB:
Representação digital de 
imagens
� O sistema subtrativo (CMY):
� CMY e CMYK
� C (cyan), M (magenta), Y (yellow), K (black)
� cores fundamentais - ciano, magenta, amarelo;
� funciona por combinação subtrativa: mistura de 
pigmentos;
� utilização - impressão, fotografia;
� é usada a variante CMYK devido à dificuldade de 
obter pigmentos com alta pureza de cor.
MIXTURES OF LIGHTMIXTURES OF LIGHTMIXTURES OF LIGHTMIXTURES OF LIGHT( Additive primaries )( Additive primaries )( Additive primaries )( Additive primaries )GREENGREENGREENGREENYELLOWYELLOWYELLOWYELLOW CYANCYANCYANCYANWHITEWHITEWHITEWHITEMAGENTAMAGENTAMAGENTAMAGENTA BLUEBLUEBLUEBLUEREDREDREDRED MIXTURES OF PIGMENTMIXTURES OF PIGMENTMIXTURES OF PIGMENTMIXTURES OF PIGMENT( Subtractive primaries )( Subtractive primaries )( Subtractive primaries )( Subtractive primaries )YELLOWYELLOWYELLOWYELLOWREDREDREDRED GREENGREENGREENGREENBLACKBLACKBLACKBLACKBLUEBLUEBLUEBLUE CYANCYANCYANCYANMAGENTAMAGENTAMAGENTAMAGENTAPRIMARE AND SECUNDARY COLORS OF LIGHT AND PIGMENTPRIMARE AND SECUNDARY COLORS OF LIGHT AND PIGMENTPRIMARE AND SECUNDARY COLORS OF LIGHT AND PIGMENTPRIMARE AND SECUNDARY COLORS OF LIGHT AND PIGMENT
Representação digital de 
imagens
� O sistema HLS:
� usado para especificação de cor por usuários 
humanos;
� a intensidade ou luminância - medida da 
energia luminosa;
� o matiz - medida do comprimento de onda 
dominante;
Representação digital de 
imagens
� O sistema HLS:
� a saturação - medida da pureza da cor;
� o preto representa a ausência de energia (baixa 
luminância);
� o branco representa a impureza da cor (baixa 
saturação).
Representação digital de 
imagens
� O modelo HLS de cores:
Representação digital de 
imagens
� Caixa de 
seleção de 
cores baseada 
nos modelos 
HLS e RGB:
Representação digital de 
imagens
� Decomposição 
em HLS:
Representação Matricial
� 3 matrizes: uma para cada componente 
RGB 
Representação Matricial
� Cada célula armazena o valor combinado dos 
3 componentes 
Representação Matricial
� Inteiro com 32 bits
� Cada 8 bits para um componente: RGB e o 
canal alfa 
Imagens Coloridas
� True Color (RGB)
� Cores Fixas
� Padrão MS Windows
� Placas de vídeo CGA
Qtd de bits/pixel Padrão Componente de cor RGB Máximo de cores
15 bits/pixel High Color (15 bits), 
32K colors 
5 bits/pixel, 
32 níveis por componente 
32.768 cores
16 bits/pixel High Color (16 bits), 
64K colors 
5/6 bits/pixel, 
32/64 níveis por componente 
65.536 cores
24 bits/pixel True Color , 
24 bits/pixel, 
16.8M colors 
8 bits/pixel, 
256 níveis por componente 
16.777.216 cores
Representação Matricial
� Células armazenam entradas de uma tabela 
com os valores RGB de cada pixel 
Imagens Coloridas
� Cores Indexadas
cor
0
1
2
.
.
.
INDEX PALETA
R G B
.
.
.
.
.
. .
.
.
0 0 0
215 114 26
24 bits/cor
Quantidade de
bits/pixel
Padrão Resolução de cor da paleta
(RGB)
4 bits/pixel 16 cores indexadas 24 bits/cor
8 bits/pixel 256 cores indexadas 24 bits/cor
True color 256 cores indexadas
16 cores indexadas 16 cores fixas (MS Windows)
Imagens em Tons-de-cinza
� N níveis de cinza
� 256 níveis – 8 bits/pixel (28 = 256)
� 64 níveis – 6 bits/pixel (26 = 64)
� 16 níveis – 4 bits/pixel (24 = 16)
� 4 níveis – 2 bits/pixel (22 = 4)
� 2 Cores ( 1 bit/pixel )
� Preto-e-branco
� 2 cores definidas
Imagens Binárias
256 tons-de-cinza
16 tons-de-cinza 4 tons-de-cinza
Imagem Binária
Amostragem
� Perda de informação ao reduzir o 
número de pixels
Resolução Espacial
� Perda de informação ao reduzir o número de 
pixels
Resolução Espacial� Melhor visualização dessa perda mantendo 
as dimensões
Resolução Espacial
� Outro exemplo
Zoom Óptico
� Apenas aumenta o tamanho da imagem 
acrescentando detalhes
Zoom Digital
� Apenas aumenta o tamanho da imagem 
sem acrescentar detalhes
Resolução de Tons de Cinza
Resolução de Tons de Cinza
� Outro exemplo
200 dpi
100 dpi 50 dpi
25 dpi
Densidade de Pontos (DPI)
� Pontos por polegada (dots per inch)
� 1 Polegada = 2,54 centímetros
� Valores comuns:
� Impressoras jato de tinta :300 – 600 dpi
� Impressoras laser: 600 – 1800 dpi 
� Scanners: 400 – 9600 dpi
Densidade de Pontos (DPI)
� Comparação entre 72 e 300 dpi
Obs.: 1 inch = 1 polegada
Densidade de Pontos (DPI)
� Qual a diferença entre as imagens?
Densidade de Pontos (DPI)
� Qual a diferença entre as imagens?
1000 dpi 10 dpi
� Ambas com 300 x 225 pixels
Densidade de Pontos (DPI)
� Diferença na impressão
Impresso com 1000 dpi Impresso com 10 dpi
(0.3 polegadas de largura) (completa teria 30 polegadas de largura)
Aquisição
� Dispositivos de Entrada Gráfica
� Dispositivos Vetoriais
� Referencial Absoluto
� Referencial Relativo
� Dispositivos Matriciais
Dispositivos Vetoriais
� Referencial Absoluto
� Ligth pen
� Touch screen
� Tablet ou mesa digitalizadora
� Referencial Relativo
� Mouse
� Trackball
� Joystick
Dispositivos Matriciais
IMAGEM
T
SENSOR
CONVERSOR
ANALÓGICO - DIGITAL
A D
IMAGEM DIGITAL
Estrutura dos dispositivos de entrada do tipo matricial
� Frame grabber
� Câmera de vídeo
CCD
LENTEOBJETO
sinal
Câmera de Luminância
Câmera de crominância (1 passo - 1 CCD)
CCD
LENTEOBJETO
sinal RGB
R G B
CCD (B)
LENTEOBJETO
sinal RGB
CCD (R)
CCD (G)
sinal s-video
sinal vídeo
composto colorido
Câmera de crominância (1 passo - 3 CCD)
Câmera de crominância (3 passos - 1 CCD)
CCDLENTEOBJETO
sinal
Filtro
R, G, B
� Câmera fotográfica digital
� Scanner
Câmera fotográfica digital
Esquema de funcionamento do scanner
CCD
LENTE
OBJETO
Dispositivo de 
Memória 
Computador
SENSOR
PAPEL
DESLOCAMENTO DO SENSOR
início
fim
Scanner de mão Scanner de mesa (flat scanner)
� Tipos:
� Monocromáticos
� Tons-de-cinza
� Coloridos
• Resolução óptica
• Quantidade de bits para representar cada 
componente de cor 
• O tamanho da área de leitura
• Velocidade de captação da imagem
• Qualidade do sensor
Características:
Dispositivos gráficos
� Dispositivos de varredura:
� a imagem é gerada por varredura seqüencial da 
memória de imagem e do monitor;
� quadro (“frame’’) - imagem gerada em um ciclo 
de refrescamento;
� cintilação - piscamento que ocorre quando a 
taxa de refrescamento é insuficiente.
Dispositivos gráficos
� Dispositivos de varredura:
� quadros são separados pelo retraço vertical e 
divididos em linhas;
� linhas são separadas pelo retraço horizontal e 
divididas em pixels.
Dispositivos gráficos
� Tipos de varredura:
� progressiva - linhas são lidas em ordem 
crescente, como na maioria dos monitores;
� entrelaçada - o quadro é dividido em dois 
campos (linhas pares e linhas ímpares), como na 
TV
Dispositivos Gráficos
� Dispositivos de varredura
� Varre toda a tela
� Dispositivo random scan
� Desenha apena o necessário
Random Scan
� Direciona o feixe de elétrons somente para a 
parte da tela onde a figura está sendo 
desenhada
� Aparelhos mais antigos
Dispositivos de Varredura
� A imagem é gerada por varredura 
sequencial da memória de imagem e do 
monitor
� Quadro (frame) - imagem gerada em um 
ciclo de atualização
� Cintilação - ocorre quando a taxa de 
atualização é insuficiente
Dispositivos de Varredura
� Quadros são separados pelo retraço vertical 
e divididos em linhas
� Linhas são separadas pelo retraço horizontal 
e divididas em pixels
Dispositivos gráficos
� Varredura progressiva
Dispositivos gráficos
� Varredura entrelaçada
Armazenamento
� Formatos de imagens:
� representação no espaço de imagens = 
representação matricial (“raster”);
� mapas de pixels = arranjos retangulares de 
pixels;
� mapas de bits = mapas de pixels com 1 bit/pixel.
Armazenamento
� Características dos formatos de arquivos de 
imagens:
� número de cores suportadas;
� resoluções;
� popularidade;
� grau de compressão.
Armazenamento
� Formatos de imagem mais comuns:
� Formato PCX : padrão de muitos aplicativos DOS.
� Formato BMP (Bitmap): padrão do Windows.
� Formato TGA (Truevision TGA (TARGA)): padrão das 
placas Targa.
� Formato TIFF (Tagged Image File Format): padrão 
independente de fabricante.
� PSD: usado no Photoshop, com múltiplas camadas, etc.
Armazenamento
� Formatos de imagem mais comuns:
� Formato GIF (Graphics Interchange Format): 
padrão de intercâmbio de imagens.
� Formato JPEG (Joint Photographic Experts
Group): imagem no padrão JPG.
� Formato PNG (Portable Network Graphics): 
alternativa ao GIF para distribuição de imagens 
comprimidas sem perdas.
Elementos de um Ambiente 
Processador de Imagens
Digitalizador
Visualização
Computador
Digital
Scanner, Câmera, etc.
Filtragem, Armazenagem
vídeo, TV,
Impressora, etc.
Imagem
Imagem
Ferramentas para Processamento de 
Imagens em Hardware
� Processamento em tempo-real.
� Qualquer operação deve ser efetuada em menos de 
cerca de 1/30 de segundo.
� Plataformas de alto-custo.
� Exemplo: 
� Mesas de efeitos para televisão.
� Filtros para equipamentos médicos como tomógrafos, etc.
Compressão de imagens
Compressão de
Imagens
Compressão de
Imagens
Sem PerdaSem Perda Com PerdaCom Perda
� Preserva
exatamente o 
conteúdo da
imagem
� Taxas de 
compressão 3 : 1
� Preserva de forma controlada
o nível de qualidade da
imagem
� Taxas de compressão que
chegam a valores de mais de 
100 : 1 
Compressão
� Compressão sem perdas:
� técnicas genéricas:
� ZIP, ARC, GZ;
� codificação entrópica:
� códigos de Huffman.
Compressão
� Compressão sem perdas:
� codificação em tiras:
� RLE;
� codificação adaptativa:
� aproveita a coerência entre linhas;
� LZW - base do formato GIF.
Compressão
� Compressão com perdas:
� detalhes que a visão humana não percebe, ou 
percebe apenas com dificuldade;
� taxa de perda é um parâmetro da compressão:
� quanto maior a perda admitida, maior compressão se 
consegue.
Compressão
� Formatos compactados (Padrões)
� Sem perda de qualidade
� Com perda de qualidade
� Sem perda :
� GIF ( Lempel-Ziv & Welch )
� O formato GIF ( Graphics Interchange Format ) foi 
desenvolvido pela CompuServe para transferência de 
arquivos de imagens entre várias máquinas.
� TIFF, BMP, etc
Compressão
� Com perda :
� JPEG ( Joint Photographic Experts Group )
� Obtenção do espectro bidimensional da imagem:
� Baseado em Huffman e DCT (discrete cosine transform -
transformada discreta dos co-senos). 
� Truncamento dos componentes do espectro.
� Formatos Compactados específicas:
� Run-lenght , Huffman , Lempel-Ziv & Welch , 
combinações de métodos
Dúvidas ?
Prof. Leopoldo França
leopoldofrancaneto@gmail.com