FUNDAMENTOS BÁSICOS DOS PROCESSOS DE CAPTURA E ARMAZENAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS

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2009 Apêndice 1 1 
 
3.12 FUNDAMENTOS BÁSICOS DOS PROCESSOS DE CAPTURA E 
ARMAZENAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS: 
 
 
Este texto complementa alguns conceitos vistos anteriormente, e trata-se de uma 
adaptação do material que pode ser encontrado na página da Kodak: www.kodak.com. 
 
 Uma imagem em filme é representada eletronicamente por uma 
onda analógica contínua. Uma imagem digital é representada por valores 
numéricos obtidos a partir de amostragem da imagem analógica. O sinal 
analógico é contínuo enquanto que os valores numéricos (digitais) são pulsos 
eletrônicos discretos que foram convertidos em cadeias de zero e um 
(sistema binário). 
 
As imagens podem ser armazenadas nos formatos “raster” 
(matricial) ou vetorial. Os gráficos vetoriais, também conhecidos como 
gráficos orientados a objetos, são criados por vários programas de desenho 
por computador, por exemplo, AutoCad; 
 
 
 
Figura 3.25 Comparação entre analógico e digital. 
 
 
Figura 3.26 Imagem vetorial e raster. 
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As imagens vetoriais são armazenadas como uma lista, que 
descreve as coordenadas e as propriedades (atributos) dos objetos que a 
compõem, como arcos, linhas retas, etc... 
 Os gráficos matriciais (raster) também conhecidos como imagens 
bitmapped, são criados por “scanners”, câmaras digitais ou placas 
digitalizadoras (video blasters). 
 
 A imagem raster é “pintada” na tela do computador em uma matriz 
de elementos quadrados chamados “pixels”, que é um acrônimo para “picture 
element”. Cada pixel é armazendo é uma área da memória, chamada de 
bitmap. Cada pixel tem um endereço numerado. 
 Dependendo do método usado para criar e armazenar a imagem, o 
arquivo em disco poderá ter apenas alguns kbytes ou então Megabytes. 
 
 
 
Figura 3.27 Objetos vetoriais e imagens bit-mapped. 
 
 
Figura 3.28 Imagem raster e o pixel. 
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 A qualidade de uma imagem raster será determinada durante sua 
captura e depende de dois componentes: a resolução espacial e a resolução 
radiométrica. O tamanho do pixel é determinado pela taxa de amostragem 
com que o scanner digitaliza a imagem. Um intervalo de amostragem grande 
produz uma imagem de baixa resolução. Um intervalo mais curto produz 
imagens de resolução mais alta 
 
 Uma imagem digital é uma matriz bidimensional, no qual cada célula 
g(i,j) é chamada de pixel. Numa imagem preto e branco os valores g(i,j) de cada 
pixel representam os níveis de cinza ou as densidades da imagem naquele 
ponto. Para uma quantização de 8 bits, será possível armazenar 256 níveis de 
cinza (0- preto e 255-branco). O sistema de coordenadas da imagem tem origem 
no canto superior esquerdo e a contagem das linhas é crescente para baixo e a 
das colunas é crescente para a direita. Para as aplicações fotogramétricas, é 
necessário definir a transformação deste referencial imagem para o referencial 
fotogramétrico. Para tanto é necessário conhecer a priori a dimensão do pixel, 
que funciona como um fator de escala. A transformação de coordenadas 
imagem (linha-coluna) para coordenadas fotogramétricas, pode ser feita através 
da expressão (3.12.1). 
 
 
Figura 3.29 Comparação entre tamanhos de arquivos. 
 
 
Figura 3.30 Qualidade geométrica da imagem 
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x x x x
y y y y
fot
fot
= − +
= +
( . )
( . )
Δ
Δ
0
0
 (3.12.1) 
onde: 
xfot e yfot são as coordenadas no sistema fotogramétrico; 
x e y são as coordenadas na imagem (linha-coluna); 
Δx é a dimensão do pixel (supõe-se que o pixel seja quadrado); 
x0 e y0 são as coordenadas do centro da imagem (ponto principal). 
 
 A resolução radiométrica da imagem dependerá dos níveis de 
quantização empregados. A tabela 3.12.1 abaixo mostra o número de bits 
necessários para obter certos níveis de cinza. 
 
Tabela 3.12.1 Níveis de quantização 
n bits 1 2 3 4 5 6 7 8 12 16 
2n níveis 2 4 8 16 32 64 128 256 4096 65.536 
 
 A resolução espacial, por sua vez, diz respeito à dimensão do pixel e é 
freqüentemente expressa em pontos por polegadas (ppp) ou dpi (dots per inch). 
A tabela 3.12.2 apresenta a dimensão do pixel para várias resoluções diferentes. 
Para o processo de produção fotogramétrico admitem-se valores de 25μm para 
a produção de ortofotos e de, no mínimo, 12,5μm para a aerotriangulação. 
Como será mostrado adiante, estas resoluções implicam em arquivos de 
imagem muito grandes. Nas câmaras digitais de quadro, contudo, o tamanho do 
pixel depende do sensor, sendo comuns as dimensões de 6 μm a 9 μm. 
 
Tabela 3.12.2 Resolução espacial. 
ppp (dpi) 300 600 1200 1270 2540 
Tamanho do 
pixel (μm) 
84 42 21 20 10 
x (colunas)
y (linhas)
xfot
yfot
(x0, y0)
Imagem
 
Figura 3.22.a Imagem digital e os sistemas de coordenadas. 
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 O valor de brilho ou cor de cada pixel é definido por um bit ou grupo 
de bits (8 bits formam 1 byte). Quantos mais bits forem usados, maior será a 
resolução radiométrica. Numa imagem de 1 bit os pixels somente poderão 
ter dois valores: preto ou branco. É o que se chama de imagem binária. 
Uma imagem binária simula níveis de cinza através do agrupamento de pixels 
preto ou branco. Este processo é chamado de dithering ou halftoning. 
 
 
 Uma imagem com 256 níveis de brilho será uma imagem em tons de 
cinza. Cada um dos pixels será preto, branco ou então um dos 254 níveis 
restantes de cinza. 
 Uma imagem de alta resolução, com 12 bits, produz mais que 4000 
níveis de cinza (4096). 
 Numa imagem de 24 bits, cada pixel é descrito por três conjuntos de 
8 bits, representando os valores de brilho para vermelho (R), verde (G) e 
azul (B). 
 Cada pixel em uma imagem 24 bits tem um dos 256 valores de 
brilho para as componentes R, G, B. 
 
 
 
 
 
Figura 3.31 Resolução radiométrica da imagem. 
 
 
Figura 3.32 Comparação entre imagens com diferentes resoluções 
radiométricas. 
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Coleta de imagens digitais 
 
 Um sistema básico de coleta (ou aquisição) de imagens contém uma 
lente e um material sensível, como já foi visto no início do capítulo. 
Atualmente os sistemas eletrônicos conseguem detectar e registrar mais 
informação do que emulsões fotográficas, principalmente pela possibilidade 
de digitalizar diretamente em muitos níveis de quantização (por exemplo, 
4096 níveis, 12 bits). Quando se fala em “fotografia digital” ou imagem digital, 
o detector é um sensor de estado sólido, chamado CCD (Charge Coupled 
Device – Dispositivo de acoplamento de carga). 
 
 
 No CCD matricial os pixels são criados por milhares de fotocélulas 
microscópicas, que são fotosensívies. Como as câmaras normalmente tem 
somente um CCD, a captura de imagens coloridas é feita utilizando-se uma 
matriz de filtros RGB, colocada na frente do CCD. Posteriormente as cores 
são interpoladas computacionalmente. 
 
 
Figura 3.33 Composição de uma imagem colorida 
 
 
Figura 3.34 Comparação entre a aquisiçãoconvencional (filme) e a aquisição
digital. 
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 Os scanners são um tipo de dispositivo de captura de imagens 
digitais que usam três CCDs lineares, cada qual com um filtro colorido nas 
cores primárias (RGB). Cada um dos sensores lineares, que contem milhares 
de fotocélulas, varre a imagem analógica (fotografia) para capturar a imagem, 
uma linha por vez. 
Existem outros tipos de “scanners” como os de cilindro, os de mesa 
(flatbed) e os de documentos. Os scanners de cilindro são de última geração 
 
 
Figura 3.35 Matriz de sensores e filtro de cores. 
 
 
 
 
Figura 3.36 Os vários tipos de scanners. 
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e tem sido muito usados pela indústria gráfica. Os scanners de mesa são 
usados para a captura de desenhos, documentos e imagens, sendo aqueles 
de alta velocidade baseados em CCD. 
 
Qualidade da Imagem digitalizada 
 
 A qualidade de uma imagem digitalizada é determinada pelo 
tamanho do pixel (resolução espacial) e pela resolução radiométrica 
(profundidade). Estes conceitos estão relacionados com os dois passos 
básicos do processo de aquisição de imagens digitais: 
• no primeiro passo a taxa de amostragem determina o tamanho do pixel e 
os valores de brilho; 
• no segundo passo o nível de quantização determina a “profundidade” do 
pixel. 
 
Um scanner amostra a imagem fotográfica dividindo-a em pequenas 
células, os pixels e o tamanho de cada pixel depende do número de 
fotocélulas. Um CCD com poucas fotocélulas amostra a imagem a uma baixa 
resolução. 
 
 
Figura 3.37 Esquema de um “scanner” e um CCD linear. 
 
 
Figura 3.38 Resolução espacial e radiométrica e pixels em uma imagem. 
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 Com uma resolução muito baixa os pixels individuais poderão ser 
vistos a olho nu, fenômeno denominado “pixelização.” Nestas imagens com 
baixa resolução aparecerá uma textura granular e a imagem parecerá estar 
fora de foco. Para resolver este problema é necessário trabalhar com um 
CCD com um numero maior de fotocélulas, que amostrarão a imagem com 
maior resolução, de tal modo que os pixels individuais não serão mais 
percebidos a olho nu. 
 Num scanner que usa um CCD matricial, as resoluções horizontal e 
vertical são iguais, porque a imagem é capturada como um único quadro. 
Entretanto, nos scanners que usam sensores lineares, a resolução vertical é 
determinada pelo tamanho da fotocélula e a resolução horizontal pela taxa na 
qual o CCD se move ao longo da imagem e pela qualidade do motor de 
passo. 
 Como exemplo, um scanner pode usar um CCD linear de 2048 
fotocélulas e mover-se “verticalmente” ao longo de 3072 linhas. 
 O processo de conversão da luz refletida em fotografias analógicas 
para imagens eletrônicas é chamado conversão fotoelétrica. Este processo 
pode ser resumido em alguns passos: 
• em cada pixel amostrado, a fotocélula do CCD “lê” a luz refletida (ou 
transmitida) pela fotografia e gera um sinal elétrico proporcional à 
quantidade de luz; quanto maior a intensidade de luz, maior será a 
voltagem gerada; 
• esta voltagem é armazenada em um capacitor e depois transferida para 
um registro; 
• a voltagem é redirecionada para um conversor A/D analógico-digital. 
 
No processo de quantização são atribuídos valores numéricos aos pixels, 
o que determina a profundidade do pixel. Quanto maior for o número de bits 
que o conversor A/D puder processar, mais valores de brilho poderão ser 
representados. 
 Um conversor de 8 bits consegue representar 256 níveis de brilho, 
ao passo que um conversor de 12 consegue representar 4.096 níveis. Numa 
imagem colorida são atibuídos três bytes (8 bits) para os brilhos nas cores 
primárias (vermelha R, verde G, azul B). 
 
 
Figura 3.39 Resolução horizontal e resolução vertical. 
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 Além das resoluções espacial e radiométrica, outros fatores 
influenciam a qualidade de uma imagem digital, quais sejam: 
• intervalo dinâmico (dynamic range): indica como o scanner pode 
diferenciar níveis de luminosidade. Os filmes convencionais e as 
câmaras digitais de boa qualidade são capazes de distinguir pequenas 
 
 
Figura 3.40 Processo de conversão analógico-digital. 
 
 
Figura 3.41 Níveis de quantização em imagens p&b e coloridas. 
 
 
Figura 3.42 Ruídos em uma imagem digital. 
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mudanças no nível de luminosidade. Para obter sombras e luzes com 
precisão, a exposição no scanner deve ser controlada com cuidado. Com 
um intervalo dinâmico baixo os detalhes e áreas saturadas serão 
eliminados; 
• o ruído (noise): a informação capturada por um sensor contém tanto os 
dados originais da imagem quanto o ruído. O ruído aparece como 
pequenas variações aleatórias no brilho e na cor. Algumas áreas do 
sensor com baixa relação sinal/ruído introduzem mais ruído, enquanto 
que aquelas com alta relação sinal/ruído reproduzem a imagem com 
maior precisão. 
 
• artefatos (artifacts): são distorções, como os padrões de “moiré” que 
ocorrem quando uma imagem é super-amostrada. A taxa de amostragem 
deve ser baseada na frequência espacial da imagem. A freqüência 
espacial é a taxa de variação de mudanças de brilho na imagem. Por 
exemplo, o dente na figura 3.35.(b) apresenta pequenas mudanças nos 
níveis de brilho, ou seja, uma baixa freqüência espacial, ao passo que o 
cabelo apresenta mudanças rápidas de brilho, ou alta freqüência 
espacial. Para eliminar o efeito “Moiré” na foto, a taxa de amostragem 
deveria ser duas vezes a freqüência espacial do cabelo, ou seja, os 
pixels deveriam ser pequenos o suficiente para que cada detalhe 
estivesse representado em dois pixels. 
 
 
 
 
Figura 3.43 Relação entre artefatos e a frequência de amostragem. 
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3.13 Seqüência de funcionamento de uma câmara digital 
 
O objetivo desta seção é proporcionar uma visão de como funciona 
internamente uma câmara digital. Obviamente, este detalhamento é feito em um 
nível didaticamente adequado para os não especialistas em eletrônica e está 
focado no modelo DC40 da Kodak. As operações são diferentes nas demais 
câmaras digitais, mas o princípio é semelhante. 
Algumas abreviações que são usadas com freqüência: 
RAM - Memória de acesso aleatório; 
MB - Megabytes; 
CCD - Dispositivo de acoplamento de carga; 
LCD - Visor de cristal líquido 
MPU - Processador auxiliar 
MCU - Processador central 
 
 A seguir serão detalhadas algumas fases do processo de aquisição e 
armazenamento de imagens. Algumas figuras serão inseridas na seqüência, 
com o objetivo de ilustrar o componente eletrônico que desempenha a tarefa. 
 
1) Ligar a câmara: 
 
 O chip MCU (seta 1) é o gerenciador de projeto da câmara e monitora 
todas as tarefas que a câmara desempenha. Quando a câmara é ligada, este 
chip verifica se todos os componentes da câmara estão funcionando 
adequadamente e prontos para executar as tarefas. Se algum componente nãoestiver funcionando o MPU colocará uma mensagem no LCD da câmara e a 
desligará. 
 
2) Enquadrar o objeto; 
 
 A câmara DC40 possui dispositivos automáticos para determinar o 
tempo correto de exposição. A focalização não é necessária, pois o sistema de 
lentes é fixo e o intervalo de focalização (profundidade de campo) varia de 1,2m 
ao infinito. Se for necessário focalizar algum objeto mais próximo, é necessário 
adaptar uma lente de aproximação, que é vendida como um acessório da 
câmara. Ao pressionar o botão de disparo pela metade (posição S1) o 
processador MPU-4bits (indicado pela seta (2)) faz uma leitura da iluminação e 
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determina o tempo de exposição e a quantidade de luz necessária. Nas câmaras 
mais modernas há um dispositivo interno para focalização de objetos próximos 
(macro ou close-up) 
 
3) Coletar a imagem 
 
O obturador se abre durante o tempo especificado pelo 
processador MPU. O chip CCD (indicado pela seta (3)) captura a luz refletida 
pela cena e a armazena como voltagens em células individuais 
 
4) Processar a imagem 
 
 Os pixels são então deslocados do CCD linha por linha e enfileirados 
em uma seqüência como um único vetor. Estes pixels são processados para a 
atribuição de cores, correções radiométricas e antialising. A imagem é, então, 
após estes processamentos armazenada em um buffer de 4MB (indicado pela 
seta (4)). 
 
5) Restaurar a imagem 
 
 O buffer de 4MB (seta (5)) restaura a forma matricial da imagem, que 
havia sido vetorizada para ser “descarregada” do CCD. 
 
6) Compressão da imagem 
 
 A imagem armazenada do buffer (seta (5)) é processada para ser 
compactada e armazenada em uma memória em seu formato final de saída. O 
tipo de compressão é determinado pelo usuário e, neste modelo de câmara, 
4
5
2
3
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estão disponíveis duas opções: Alta compressão (baixa qualidade) e baixa 
compressão (alta qualidade). 
 
7) Armazenamento em memória RAM 
 O gerenciador da câmara emite uma mensagem para mover a imagem 
compactada para a memória RAM de 1MB (seta (6)), que é usada para 
armazenamento definitivo da imagem, até que seja descarregada pelo 
computador. 
 
8) Ajuste do contador no visor de cristal líquido (LCD) 
 
 Quando a imagem estiver seguramente armazenada na memória RAM 
(seta (6)) o gerenciador da câmara emite uma mensagem para o chip MPU (seta 
(2)) para decrementar o contador do número de imagens disponíveis, 
apresentado no LCD. 
 
9) Desligamento automático 
 
 Como em vários dispositivos eletrônicos, a câmara digital DC40 tem 
um dispositivo de desligamento automático ou de stand by. O processador 
monitora todas as operações da câmara e, quando deixa de ser operada por um 
certo intervalo de tempo, é emitido um sinal para o gerenciador que, por sua vez, 
comanda o desligamento da fonte de potência. Quando o botão disparador é 
pressionado, o gerenciador reinicia o fornecimento de tensão para a câmara. 
 
 
6