Introdução ao Processamento de Imagens Prof. José Maurício Neto [email protected] 1 Material...

Introdução ao Processamento de Imagens

Prof. José Maurício [email protected]

1

Material cedido por: Prof. Eustáquio Rangel de Queiroz

2

Processamento de Imagens x Sistema Visual Humano Questões preliminares

Que diferenças de intensidade podem ser discriminadas?

Qual é a resolução espacial do olho humano?

Quão precisamente o sistema visual-cérebro estima e compara distâncias e áreas?

Como o olho percebe cores?

A partir de quais características o olho- cérebro detecta e distingue objetos?

Base de Discussão

5

Estrutura do Olho Humano Diâmetro ~20 mm Córnea

Tecido resistente e transparente

Membranas (túnicas) Retina, Coróide & Esclerótica

Íris

Controle da quantidade de luz que entra no olho

Face anterior Pigmento visível do olho

Considerações Iniciais

6

Sistema e Percepção Visual Humana Retina

75-150 milhões de bastões

Sensibilidade a níveis muito baixos de intensidade luminosa

Visão escotópica

5-7 milhões de cones

Sensibilidade a cores Visão fotópica

Adaptabilidade a níveis luminosos do ambiente

7

Sistema e Percepção Visual Humana

Comportamento responsável por algumas ilusões visuais

Camadas da retinaCamadas da retina

Humor vHumor víítreotreo

Nervo Nervo óópticoptico

Vasos sangVasos sangüíüíneosneos

EscleraEsclera

ConjuntivaConjuntiva

CCóórnearnea

ÍÍ risris

PupilaPupila

LenteLente

Camadas da retinaCamadas da retina

Humor vHumor víítreotreo

Nervo Nervo óópticoptico

Vasos sangVasos sangüíüíneosneos

EscleraEsclera

ConjuntivaConjuntiva

CCóórnearnea

ÍÍ risris

PupilaPupila

LenteLente

ConeCone

FundoFundodo olhodo olho

BastãoBastão

FotorreceptoresFotorreceptores

CCéélula lula amamáácrinacrina

CCéélula lula horizontalhorizontal

GânglioGânglio

CCéélula lula bipolarbipolar

ConeCone


BastãoBastão




GânglioGânglio


LuzLuz

ConeCone


BastãoBastão




GânglioGânglio


ConeCone


BastãoBastão




GânglioGânglio


LuzLuz

8

Sistema e Percepção Visual Humana Teoria do Triestímulo

Cones de comprimentosde onda curtos

Cones de comprimentos

de onda médios

Cones de comprimentosde onda longos

Excitador Inibidor

Cones de comprimentosde onda curtos

Cones de comprimentos

de onda médios

Cones de comprimentosde onda longos

Excitador Inibidor

Vermelho (R)

Azul (B)

Verde (G)

Amarelo (Y)

Magenta (M) Ciano (C)

Vermelho (R)

Azul (B)

Verde (G)

Amarelo (Y)


Vermelho (R)

Azul (B)

Verde (G)

Amarelo (Y)


Vermelho (R)

Azul (B)

Verde (G)

Amarelo (Y)


14

Adaptação e Discriminação de Brilho Brilho subjetivo (Subjective brightness)

Intensidade luminosa conforme percebida pelo sistema visual humano


Função logarítmica da intensidade luminosa incidente no olho

-6 -4 -2 0 2 4Log da Intensidade Luminosa (mL)

Brilh

o Su

bjet

ivo

EscotópicaFaix

a de

Ada

ptaç

ão

Fotópica

Bb

Ba

Limite da Ofuscação

Limiar Escotópico

15

Dimensões do Imageamento XXI

Sensibilidade espectral de cones e bastões

Sens

ibili

dade

rel

ativ

a (%

)

(nm)400 500 600 700

20

40

60

80

100Visão fotópicaVisão escotópica

16

Dimensões do Imageamento XXII

Sensibilidade espectral dos 3 tipos de conesFr

ação

da

ener

gia

abso

rvid

a

(nm)400 500 600 700

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

17

Tópicos para Reflexão Intuição e análise humana Papel

relevante na seleção de técnicas para processamento de imagens Julgamentos visuais (subjetivos)

Compreensão básica da percepção visual humana Essencial para o PDI (aquisição de imagens à interpretação dos resultados)

Concepção de sensores Sistema visual humano


18

Olho Câmera digital multimegapixel Lente (cristalino) Zoom ajustável

Diafragma (íris/pupila) Entrada de luz automaticamente controlada (2-8 mm)

Sensor plano 108 pixels

Função de transferência do sensor Sensibilidade à faixa mesópica (~380 a ~700 nm)


19

Câmara Digital Aspecto-chave para a aquisição

Resolução Espacial ou Qualidade MegaPixel

Resolução mais alta Custo mais elevado

Qualidade da Foto Razão MegaPixel não é o único fator de definição da qualidade Razão MegaPixel Cálculo a partir da

interpolação dos pixels x e y e das 3 cores primárias do sistema RGB (muito subjetivo) Verificação das características da câmara e

comparação com câmaras similares de concorrentes


20

Câmara Digital Compressão

Como a foto é adequada ao dispositivo de armazenamento disponível Armazenamento usual no formato JPG/JPEG

(Joint Photographic Expert Group) ou alguma tecnologia “sem perdas“

Aumento da taxa de compressão Perda na qualidade da imagem mais perceptível

Possibilidade de armazenamento sem compressão Formato usual TIF/ TIFF (Tagged Image File Format)


21

Câmara Digital


Qualidade

MPixel

ResoluçãoEspacial(pixels)

Dimensões da foto

c/ 200dpi

Dimensões da foto

c/ 300dpi

Tamanho do arquivo

s/compressão (formato tif)

Tamanho aprox. do arquivo c/

resolução fina (formato jpg)

# aprox. defotos com

resolução fina(128 Mb)

0,33 640 x 480 3,2 x 2,4 2,1 x 1,6 900 kb 120 kb 1058

1,00 1152 x 864 5,8 x 4,3 3,8 x 2,9 2,85 Mb 325 kb 400

1,31 1280 x 960 6,4 x 4,8 4,3 x 3,2 3,52 Mb 380 kb 335

1,34 1280 x 1024 6,4 x 5,1 4,3 x 3,4 3,75 Mb 383 kb 330

2,11 1600 x 1200 8,0 x 6,0 5,3 x 4,0 5,50 Mb 550 kb 171

2,50 1712 x 1368 8,5 x 7,0 5,7 x 4,6 6,71 Mb 612 kb 150

3,34 2048 x 1536 10,2 x 7,7 6,8 x 5,1 9,00 Mb 1,2 Mb 100

4,00 2240 x 1680 11,2 x 8,4 7,5 x 5,6 10,80 Mb 1,5 Mb 86

6,17 3024 x 2016 15,0 x 10,0 10,1 x 6,7 17,50 Mb 2,2 Mb 55

22

Olho Taxa de transmissão de dados USB2 Nervo Óptico 250.103 neurônios

Tensão de saída Variável em CADA nervo

Taxa de Amostragem Neural 17,5.106 amostras/s, 12.8 bits por amostra

Taxa de Transmissão 224 Mbps por olho (Sistema de ~½ Gbps)

Compressão Inibição lateral entre os neurônios retinianos


23

Sistema de Imageamento Questões preliminares

O que o sistema imageia?

Como o sistema forma a imagem?

Com que qualidade a imagem é formada?

Para que aplicação se destina a imagem?

Natureza do Sinal de Origem Eletromagnética

Mecânica Acústica Forças de contato

Sistemas de Imageamento

24

Espectro Eletromagnético

Sistemas de Imageamento

103

102

10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-

1010-

1110-

12

106

107

108 109 101

0101

1101

2101

3101

4101

5101

6101

7101

81019 1020

Comprimento de Onda

(m)

Freqüência (Hz)

Mais curtos

Mais altas

Molécula de ÁguaProteína

VírusBactéria

CélulaPonto

Bola de BaseballCampo de

FutebolCasa

Rádio AM

Cavidade de RF Rádio FM Forno de

Microondas RADAR

Seres Humanos

Lâmpadas Incandescent

esALS Equipamento

s de Raios XElementos Radioativo

s

ONDAS DE RÁDIO

MICROONDAS

INFRAVERMELHO ULTRAVIOLETA RAIOS X “PESADOS”

RAIOS RAIOS X “LEVES”

700 600 500 400700 600 500 400Radiação

Infravermelha (IR)

Radiação Ultravioleta

(UV)

Comprimento de Onda (nm)Radiação Visível

ALS (Advanced Light Source)

25

Imageamento Biomédico Propósito

Geração de imagens do interior do corpo humano vivo, visando à diagnose médica

Área multidisciplinar

Física (radiação, interação matéria-energia) Matemática (álgebra linear, cálculo,

estatística) Biologia/Fisiologia (corpo humano) Engenharia (hardware) Ciência da Computação (reconstrução de

imagens, processamento de sinais)

EEM - Aplicações de Imageamento

26

Imageamento Biomédico Faixas espectrais de interesse e produtos

gerados


MRI (Magnetic Resonance Imaging)Ultrassonografia Tomografia Óptica Radiografia

CT (Computed Tomography)

103

102

10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-

1010-

1110-

12

106

107

108 109 101

0101

1101

2101

3101

4101

5101

6101

7101

81019 1020

Comprimento de Onda

(m)

Freqüência (Hz)

ONDAS DE RÁDIO

MICROONDAS

INFRAVERMELHO ULTRAVIOLETA RAIOS X “PESADOS”

RAIOS X “LEVES”

4 5 61 2 3

PET (Positron Emission Tomography)/SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography)

27

Imageamento Biomédico–Ultrassonografia


Ano da descoberta 1952 (Clínico: 1962)Natureza da radiação Ondas mecânicas (não ionizante)Freqüência 1 – 10 MHz Comprimento de onda 1 – 10-1 mm

Princípio de imageamentoRegistro de ecos de descontinuidades na densidade/ velocidade do som no tecido imageado

Extensão do imageamento < 20 cmResolução Alta (milimétrica)

Aplicações Imageamento de tecidos moles, fluxo sangüíneo (Doppler)

Ano da descoberta 1952 (Clínico: 1962)Natureza da radiação Ondas mecânicas (não ionizante)Freqüência 1 – 10 MHz Comprimento de onda 1 – 10-1 mm

Princípio de imageamentoRegistro de ecos de descontinuidades na densidade/ velocidade do som no tecido imageado

Extensão do imageamento < 20 cmResolução Alta (milimétrica)

Aplicações Imageamento de tecidos moles, fluxo sangüíneo (Doppler)

28

Imageamento Biomédico– Ultrassonografia

(Exemplos)

Feto com 12 semanas

Ultrassonografia 3D Feto com 40 semanas


29

Imageamento Biomédico – Ressonância Magnética


http://w3.ualg.pt/~cmsilva/_private/RMN_Mestrado.pdf

Ano da descoberta 1945 ([NMR] Bloch), 1971 (Damadian), 1973 (Lauterbur), 1977 (Mansfield)

Natureza da radiação RF (não ionizante)Energia ~10-7 eVComprimento de onda 30 – 3 m

Princípio de imageamentoDetecção da RF emitida em resposta (eco) à indução de movimentos nos spins de prótons

Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Alta (milimétrica)Aplicações Imageamento funcional

Ano da descoberta 1945 ([NMR] Bloch), 1971 (Damadian), 1973 (Lauterbur), 1977 (Mansfield)

Natureza da radiação RF (não ionizante)Energia ~10-7 eVComprimento de onda 30 – 3 m

Princípio de imageamentoDetecção da RF emitida em resposta (eco) à indução de movimentos nos spins de prótons

Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Alta (milimétrica)Aplicações Imageamento funcional

30

Imageamento Biomédico – Ressonância Magnética (Exemplos)


Cérebro

Coração (eixo longitudinal) Manual e Semi-automático

Cabeça

1

2

31

Imageamento Biomédico – Tomografia Óptica


Ano da descoberta 1989 (Barbour)Natureza da radiação Radiação IR (não ionizante)Energia ~1 eVComprimento de onda 6.102 – 103 nm

Princípio de imageamento Interação (absorção, espalhamento) da luz com o tecido

Extensão do imageamento ~103 cm3

Resolução Baixa (~1 cm)

Aplicações Perfusão, imageamento funcional

Ano da descoberta 1989 (Barbour)Natureza da radiação Radiação IR (não ionizante)Energia ~1 eVComprimento de onda 6.102 – 103 nm

Princípio de imageamento Interação (absorção, espalhamento) da luz com o tecido

Extensão do imageamento ~103 cm3

Resolução Baixa (~1 cm)

Aplicações Perfusão, imageamento funcional

http://www.nirx.net/technology/ot.html

32

Imageamento Biomédico– Tomografia Óptica (Exemplos)


Manchas de hematoxilina/ eosina na seção transversal da bochecha de um hamster

100 m

Cérebro

33

Imageamento Biomédico– Raios X


Ano da descoberta 1895 (Röntgen, NP 1905)Natureza da radiação Raios X (fótons) (ionizante)Energia 10-1 – 102 keVComprimento de onda 10 – 10-2 nm

Princípio de imageamentoPenetração dos raios X no tecido e geração de um produto com base em diferenças de densidade

Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Altíssima (submilimétrica)

AplicaçõesMasteologia, otorrinolaringologia, ortopedia, odontologia, cardiologia, etc.

Ano da descoberta 1895 (Röntgen, NP 1905)Natureza da radiação Raios X (fótons) (ionizante)Energia 10-1 – 102 keVComprimento de onda 10 – 10-2 nm

Princípio de imageamentoPenetração dos raios X no tecido e geração de um produto com base em diferenças de densidade

Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Altíssima (submilimétrica)

AplicaçõesMasteologia, otorrinolaringologia, ortopedia, odontologia, cardiologia, etc.

34

Imageamento Biomédico – Raios X

(Exemplos)


http://www.gemedicalsystems.com/rad/xr/radio/products/xqi/hand_3.html

35

Imageamento Biomédico – Tomografia Computadorizada de Raios X


Ano da descoberta 1972 (Hounsfield, NP 1979)Natureza da radiação Raios X (fótons) (ionizante)Energia 10 – 102 keVComprimento de onda 10-1 – 10-2 nm

Princípio de imageamentoTomada de imagens de raios X de vários ângulos, a partir dos quais ocorre a computação de vistas tomográficas (“fatiadas")

Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Alta (milimétrica)

Aplicações Imageamento de tecidos moles (cérebro, coração, estômago, etc.)

Ano da descoberta 1972 (Hounsfield, NP 1979)Natureza da radiação Raios X (fótons) (ionizante)Energia 10 – 102 keVComprimento de onda 10-1 – 10-2 nm

Princípio de imageamentoTomada de imagens de raios X de vários ângulos, a partir dos quais ocorre a computação de vistas tomográficas (“fatiadas")

Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Alta (milimétrica)

Aplicações Imageamento de tecidos moles (cérebro, coração, estômago, etc.)

36

Imageamento Biomédico – Tomografia Computadorizada de Raios X (Exemplos)


37

Imageamento Biomédico– Imageamento Nuclear (PET/SPECT)


Ano da descoberta 1953 (PET), 1963 (SPECT)Natureza da radiação Raios (ionizante)Energia > 102 keVComprimento de onda < 10-1 nm

Princípio de imageamentoImageamento com câmeras de raios X do acúmulo ou retirada de isótopos radioativos no corpo vivo

Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Média - Baixa (mm - cm)

AplicaçõesImageamento funcional (detecção de câncer, processos metabólicos, infarto do miocárdio)

Ano da descoberta 1953 (PET), 1963 (SPECT)Natureza da radiação Raios (ionizante)Energia > 102 keVComprimento de onda < 10-1 nm

Princípio de imageamentoImageamento com câmeras de raios X do acúmulo ou retirada de isótopos radioativos no corpo vivo

Extensão do imageamento Corpo inteiroResolução Média - Baixa (mm - cm)

AplicaçõesImageamento funcional (detecção de câncer, processos metabólicos, infarto do miocárdio)

38

Imageamento Biomédico – Imageamento Nuclear (PET/SPECT)


Câncer de Mama (PET)

39

Exemplos de Propriedades Físicas Imageadas

Emissão Astronomia Autorradiografia

Emissão Excitada Fluorescência

Transmissão Microscopia luminosa Escaneamento de filme Raio X clássico

Dimensões do Imageamento

40

Exemplos de Propriedades Físicas Imageadas Reflexão

Fotografia (Analógica ou Digital) Escaneamento de Documentos Fax Imagem orbital (Meteorológica ou de

Recursos Naturais)


41

Dimensão Espectral CCD Colorido Sensor mais comum

Câmera com 1 ou 3 chips

Câmeras com 3 chips Usualmente pelo menos 3 vezes mais cara do que as de 1 chip

Matriz para filtragem de cor (Câmeras com 1 chip)

Redução da resolução cromática até pela metade

Redução adicional da eficiência do processo de aquisição

Possibilidade de anisotropia nos eixos horizontal e vertical


42

Aplicações Diagnose médica

Radiografia digital

Tomografia computadorizada

Análise radiográfica

Análise de células sangüíneas

Classificação de cromossomos

43

Aplicações Sensoriamento Remoto e Geoprocessamento

Estudos de uso da terra e recursos naturais

Detecção de incêndios florestais

Acompanhamento do deslocamento de icebergues

Previsão do tempo

44

Aplicações Automação industrial

Visão robótica

Sistemas de inspeção & controle de qualidade

Indústria de Construção Detecção de falhas em estruturas metálicas

Telecomunicações Codificação, transmissão e otimização de sinais

digitais

45

Aplicações Eletrônica de Consumo

Reconhecimento óptico de caracteres

Videofone

Geologia Exploração petrolífera e mineral

Imageamento sísmico

Oceanografia Análise do leito oceânico

Estudos de fenômenos oceanográficos

Material cedido pór:José Eustáquio Rangel de Queiroz

Professor Adjunto DSC/UFCG

E-mail: [email protected]

[email protected]

Site departamental: www.ufcg.edu.br/~rangel

Fone: 1119/1120 Ramal 2214

Introdução ao Processamento de Imagens Prof. José Maurício Neto [email protected] 1 Material...

Documents

Transcript of Introdução ao Processamento de Imagens Prof. José Maurício Neto [email protected] 1 Material...