Introduction to Image Processing - Short Course - Part I

Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões

Introdução ao Processamento de ImagensVisão Geral, Características e Conceitos Associados

Michel Alves dos Santos

Centro de Pesquisa em Matemática ComputacionalUniversidade Federal de Alagoas, Campus A. C. SimõesTabuleiro do Martins - Maceió - AL, CEP: 57072-970

{michel.mas,michel.santos.al}@gmail.com

21 de Setembro 2011

Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

Sumário

Tópicos Centrais da Explanação

1 Introdução: Percebendo o Mundo a Nossa Volta2 O Conceito de Processamento de Imagens3 Localização em Relação a Computação Gráfica4 Processamento de Imagens e Campos Correlatos5 Abordagem Baseada em Modelo6 Visão e Processamento de Imagens7 Conclusões a Respeito da Área

Sumário

Introdução

IntroduçãoComo perceber o mundo a nossa volta?

Como Processamos os Estímulos Visuais?

Máquinas e Percepção.

Introdução

Motivação: Percebendo o Mundo

Como perceber o mundo a nossa volta?

Resposta: através dos nossos sentidos.

Sentidos que captam estímulos(entrada) e nos forneceminformação para a tomada de uma ação/decisão!

A esse processo de captação damos o nome de percepção.

Neste curso introdutório, nosso foco será a visão e o processamento dessesestímulos.

Visão Humana

Os estímulos são captados por células fotossensíveis presentes naretina e enviados ao cérebro pelo nervo ótico.

No cérebro, mais precisamente no córtex visual ocorre oprocessamento das imagens recebidas.

Visão Humana

Máquinas e Percepção

Percepção em Máquinas

A percepção fornece as máquinas informações sobre o mundo emque habitam.

A percepção é iniciada por sensores.

Sensor: é tudo que pode registrar algum aspecto do ambiente erepassá-lo como entrada a um programa de agente.

E como dotar máquinas com percepção visual?

Através de um ramo da ciência chamado Visão Computacional e das técnicas deProcessamento de Imagens.

Processamento de Imagens Digitais

Processamento de Imagens

O Conceito de Processamento de Imagens

Relação Entre Processamento de Imagens e Computação Gráfica

Processamento de Imagens e Aplicações

Tarefas Típicas que Utilizam Processamento de Imagens

Exemplos em Usabilidade, Vigilância, Entretenimento, RealidadeAumentada e Robótica

Kismet - The Sociable Robot | SixthSense Technology

Qualquer forma de processamento no qual a entrada e saída sejam imagens.

Conjunto de técnicas matemáticas que permitem a manipulação de imagens.

Conjunto de técnicas que engloba as várias operações realizadas sobre uma imagem com o objetivo de melhoraro aspecto visual de certas feições estruturais gerando até mesmo produtos que possam ser posteriormente

submetidos a outros processamentos.

Processamento de Imagens e Computação Gráfica

Relação Entre Processamento de Imagens eComputação Gráfica

Apresenta-se como um sub-campo da Computação Gráfica.

Enquanto a área de Visualização, efetiva a geração de imagens, a área de VisãoComputacional trata do problema de interpretação das mesmas.

Processamento de Imagens e Campos Correlatos

Relação Entre Processamento de Imagens e Demais Campos

As aplicações na área médica, por exemplo, por sua vez utilizam, de maneira quaseindivisível, técnicas de Processamento de Imagens, Visualização e Visão

Computacional.

Processamento de Imagens e Campos Correlatos

Relação Entre Processamento de Imagens e Demais Campos

As aplicações na área médica, por exemplo, por sua vez utilizam, de maneira quaseindivisível, técnicas de Processamento de Imagens, Visualização e Visão

Computacional.

Alguns Campos de Aplicação

1 Controle de Processos Industriais;Robôs em linha de montagem;Robôs exercendo função de reconhecimento;Inspeção de controle de qualidade;Cálculo de posicionamento e orientação de detalhes.

2 Detecção de eventos: defeitos, gestos, movimentos, etc;

3 Modelagem de objetos ou ambientes;

4 Navegação com autonomia parcial ou total;

5 Processamento médico da imagens;

6 Interação homem-computador.

Tarefas Típicas com Processamento de Imagens

Tarefas Típicas Utilizando Processamento de Imagens

1 Reconhecimento;Detecção: distinção de objetos em condições específicas.Reconhecimento: uma ou várias classes pré-definidas;Identificação: uma instância individual de um objeto;

2 Movimento (e.g. estimativa da velocidade);3 Reconstrução de Cena (e.g. reconstrução tridimensional)4 Restauração de Imagens (e.g. remoção de degradações).

Exemplificando o Diagrama de Reconhecimento

Detecção de pele humana sob certas condições deiluminação inerentes ao ambiente

Reconhecimento de objetos pertencentes a umadeterminada classe: mão, face, etc.

Identificação de instâncias individuais da classe ‘face’:Ganghi, Che Guevara, Charles Chaplin, etc.

Exemplos de Aplicação

Alguns Exemplos de Aplicação de Processamento de Imagens

1 Usabilidade: Interface Homem-Máquina;Detecção da face para autenticação de ações;Rastreamento ocular para movimentação de objetos:Movimentação do mouse através da palma da mão;

2 Vigilância: Detecção de Objetos e AçõesRastreamento de veículos;Detecção de ações suspeitas em determinados ambientes;

3 Entretenimento: Jogos e Interface Nativa/Natural;

4 Realidade Aumentada;

5 Robótica: Navegação.

Usabilidade

Detecção de face para autenticação de ações

Teclado Virtual - Ao estilo do filme ‘Minority Report’Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

Usabilidade

Vigilância

Detecção de pessoas e rastreamento de veículos

Verificação de velocidade e restrições de perímetroMatfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

Vigilância

Entretenimento

Natural User Interface

Aplicação em JogosMatfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

Entretenimento

Realidade Aumentada

Uso na interação e visualização (e.g. marketing)

Diversas aplicações em capacitações e treinamentosMatfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

Realidade Aumentada

Robótica

Missão Mars Exploration Rover

Veículos com Autonomia Parcial ou TotalMatfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

Robótica

Kismet - The Sociable Robot

O Mais Expressivo dos Robôs Sociáveis

Construído na década de 1990

O mais expressivo dos robôs sociáveis construídos até então.

Possuia a capacidade de expressar algumas emoções básicas por meio demudanças em sua expressão facial

Vídeos do Projeto Kismet

SixthSense Technology

Novo Conceito em Interface

Interface Gestual que Aumenta o Mundo Físico ao Nosso Redor

Desenvolvido pelo Fluid Interfaces Group do MIT Media Lab

Para maiores detalhes acessehttp://fluid.media.mit.edu/projects.html

Vídeos do Projeto SixthSense

Abordagem Baseada em Modelo

O Problema da Abordagem Baseada em Modelo

Visão e Processamento de Imagens

Alguns Conceitos Importantes

O Conceito de Imagem Digital

Como as Imagens são Representadas no Computador?

Espectro de Cores Visível e Frequência

Operações em Imagens Digitais

Essa abordagem pode nos trazer uma massiva ambiguidade!

Solução

Não precisamos recuperar a cena exata em seus mínimos detalhes

Apenas informação suficiente para: navegação, manipulação ereconhecimento

Solução

Relação Entre Visão e Processamento de Imagens

Para extrair informações visuais necessárias as tarefas de manipulação,navegação e reconhecimento, devem ser construídas representações

intermediárias.

Os algoritmos de processamento de imagens são responsáveis pelaextração de características que irão construir essas representações.

intermediárias.

Como Podemos Conceituar ‘Imagem Digital’?

Uma imagem digital pode ser descrita como uma matriz bidimensional denúmeros que correspondem a medidas discretas de radiância espectral de

uma área.

Radiância espectral R(λ) é a grandeza definida de forma que o produto R(λ)dλ é apotência irradiada por unidade de área para os comprimentos de onda no intervalo

de λ até λ + dλ.

uma área.

Representação Digital de Imagens

Uma imagem é composta por um conjunto de pontos, denominados pixels(picture elements), que por sua vez representam a intensidade do sinal

luminoso pertencente a imagem.

Este conjunto é disposto de maneira a formar uma matriz de pontos que édenominada de ‘Bit-Map’ ou ‘Mapa de Bits’.

Cor do Ponto de Vista do Universo Físico

Do ponto de vista físico a cor é produzida por uma radiaçãoeletromagnética cujo comprimento de onda λ se situa entre 400 e 800 nm.

Cor do Ponto de Vista do Universo Físico

Do ponto de vista físico a cor é produzida por uma radiaçãoeletromagnética cujo comprimento de onda λ se situa entre 400 e 800 nm.

Operações em Imagens

Consideraremos operações entre imagens digitais a aplicação de operaçõesmatemáticas, aritméticas e lógicas, entre os níveis digitais de duas ou mais imagens

ou bandas de uma imagem multiespectral.

Consideraremos operações entre imagens digitais a aplicação de operaçõesmatemáticas, aritméticas e lógicas, entre os níveis digitais de duas ou mais imagens

ou bandas de uma imagem multiespectral.

Operações Pontuais: Aritméticas e Lógicas

Operações Locais: Aplicação de Filtros (média, mediana, blur, etc.)

Operações Globais: Transformadas de Fourier, Wavelet, Hough, etc;

Transformações Geométricas: Translações, Rotações, Escalas, Morphing, etc.

Conclusões a Respeito da Área

Algumas Conclusões

Sub-área da Computação Gráfica

É usada como meio propulsor para outros campos

A área ainda possui muitos desafios: degradações(como ruído),ambigüidade e complexidade

Conhecimento prévio é essencial para limitar o escopodos problemas

Requer Interdisciplinaridade

Algumas Conclusões

Terminando...

Algumas Sugestões de Periódicos

Periódico Publicações CitaçõesPAMI - Pattern Analysis and Machine Intelligence 4881 118997IJCV - International Journal of Computer Vision 1727 63408TMI - IEEE Transactions on Medical Imaging 3411 43018CVIU - Computer Vision and Image Understanding 1510 19450IVC - Image and Vision Computing 2642 18507

Tabela: Ranking Top Journals in Computer Vision and Machine Learningsegundo o site Microsoft Academic Search em 12 de Junho de 2011.

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Algumas Sugestões de Leitura

E milhares de outras disponíveis na internet...

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Algumas Sugestões de Leitura

E milhares de outras disponíveis na internet...

Isso é Tudo Pessoal!

Agradecimentos

Grato Pela Atenção!Michel Alves dos Santos - [email protected]

Referências Bibliográficas

Jonas Gomes and Luiz Velho.Fundamentos da Computação Gráfica, volume 1 of Série deComputação e Matemática.IMPA, 1st edition, 2008.Rafael C. González and Richard Eugene Woods.Digital Image Processing.Pearson/Prentice-Hall, 2008.

Stuart J. Russell and Peter Norvig.Inteligência Artificial, volume 1.Pearson Education, 2nd edition, 2004.Stuart J. Russell and Peter Norvig.Artificial intelligence - a modern approach (2nd ed.).http://aima.cs.berkeley.edu/2nd-ed/, 2009.

Introduction to Image Processing - Short Course - Part I

Education

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