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Prof: José Eustáquio Rangel de Queiroz

Prof: José Eustáquio Rangel de Queiroz. Processamento Digital de Imagens. Módulo I. Introdução ao Processamento. Digital de Imagens - Parte 2. Carga Horária: 60 horas. Roteiro. 1.7 Sistemas de Imageamento 1.7.2 Base de Discussão 1.6.3 Considerações Iniciais 1.6.4 Sistemas de Imageamento

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Presentation Transcript

  1. Prof:José Eustáquio Rangel de Queiroz Processamento Digital de Imagens Módulo I Introdução ao Processamento Digital de Imagens - Parte 2 Carga Horária:60 horas

  2. Roteiro 1.7 Sistemas de Imageamento 1.7.2 Base de Discussão 1.6.3 Considerações Iniciais 1.6.4 Sistemas de Imageamento 1.6.5 EEM – Aplicações de Imageamento

  3. Base de Discussão • Processamento de Imagens x Sistema Visual Humano • Questões preliminares • Quediferenças de intensidade podem ser discriminadas? • Qualé a resolução espacial do olho humano? • Quãoprecisamente o sistema visual-cérebro estima e compara distâncias e áreas? • Comoo olho percebe cores? • A partir dequais característicaso olho- cérebro detecta e distingue objetos?

  4. Considerações Iniciais I Esclerótica Músculos Ciliares Túnicas Coróide Retina Eixo Visual Íris Fovea Centralis Câmara Anterior Córnea Ponto Cego Cristalino Ligamentos Suspensórios do Cristalino Câmara Posterior com Humor Vítreo Nervo Óptico e Feixe Vascular Corpo Ciliar • Estrutura do Olho Humano I

  5. Considerações Iniciais II • Estrutura do Olho Humano II • 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

  6. Considerações Iniciais III • Estrutura do Olho Humano III • Pupila • Abertura central da íris • Diâmetro  Variante entre 2 e 8 mm • Cristalino • Camadas concêntricas de células fibrosas • Suspenso pelos músculos ciliares • Composição  60 a 70% de H2O, ~6% de gordura e mais proteínas do que qualquer outro tecido do olho

  7. Considerações Iniciais IV • Estrutura do Olho Humano IV • Cristalino • Coloração por pigmento levemente amarelado (intensificação com a idade) • Absorção de ~8% da luz visível • Absorção relativamente maior nos comprimentos de onda mais curtos • Absorção intensa da radiação IR e UV por proteínas em sua estrutura • Absorção excessiva de IR e/ou UV  Possibilidade de danos na estrutura ocular

  8. Considerações Iniciais V • Estrutura do Olho Humano V • Retina • Cones • Quantidade estimada  ~6 a 7.106 • Distribuição principalmente na região central da retina (Fóvea) • Sensibilização dependente de maior intensidade luminosa • Elevada sensibilidade a cores • Papel relevante  Visão de alta luminância (Visão fotópica)

  9. Considerações Iniciais VI • Estrutura do Olho Humano VI • Retina • Bastões ou Bastonetes • Quantidade estimada  ~75 a 150.106 • Distribuição principalmente pela superfície da retina • Elevada sensibilidade a níveis de iluminação reduzidos • Insensibilidade a estímulos cromáticos • Papel relevante  Visão de baixa luminância (Visão escotópica)

  10. Considerações Iniciais VI • Estrutura do Olho Humano VII • Fóvea • Depressão circular de ~1,5 mm de diâmetro na retina • Matriz sensora quadrada de dimensões ~(1,5x1,5)mm (liberdade de interpretação) • Densidade de cones  ~150.000 elementos por mm2 (~337.000 elementos) • Poder de resolução de um chip CCD de média resolução  Matriz receptora < (7 x 7) mm (mesmo número de elementos)

  11. Considerações Iniciais VII • Formação da Imagem no Olho I • Distância entre o centro focal do cristalino e a retina  Variante entre ~17 mm (para D > 3 m) e ~14 mm (para D ≤ 3 m) C ho hr D 17 mm C– Centro óptico do cristalino (lente) ho– Altura do objeto hr– Altura do objeto

  12. Considerações Iniciais VIII • Formação da Imagem no Olho II • Exemplo • Se D=300m e ho=20m, então • Formação da Imagem  Principalmente na área da fóvea • Percepção Visual • Excitação relativa dos receptores de luz • Conversão de energia luminosa em impulsos elétricos  Decodificação pelo cérebro  hr= 1,13 mm

  13. Considerações Iniciais IX Imagem do ponto na fóvea x/2 d/2 d x Menor ponto impresso discernível 0,014 m 0,25 m • Questão 02 (1/4) • Considere-se o diagrama

  14. Considerações Iniciais X • Questão 02 (2/4) • Seja x o diâmetro da imagem retinal • Assim: • Seja a fóvea considerada um arranjo quadrado de sensores com cerca de 337.000 elementos • Assim: • 337.000 elementosArranjo quadrado de aproximadamente580 x 580 elementos  x= 0,056d

  15. Considerações Iniciais XI • Questão 02 (3/4) • Seja o arranjo quadrado de dimensões (1,5 x 1,5) mm • 1 linha 580 elementosseparados por 579 espaços • s = 1,5mm/(580 + 579) = 1,5mm/1159 s  1,3.10-6 m • Se x < 1,3.10-6 m Ponto não discernível pelo olho • Assim: x < 1,3.10-6 m 0,056d < 1,3.10-6 m • which translates into an array of size 580£ 580 elements. Assuming • equal spacing between elements, this gives 580 elements and 579 spaces on a line 1.5 • mm long. The size of each element and each space is then s = [(1:5mm)=1; 159] = • 1:3£10¡6 m. If the size (on the fovea) of the imaged dot is less than the size of a single • resolution element, we assume that the dot will be invisible to the eye. In other words, • the eye will not detect a dot if its diameter, d, is such that 0:07(d) < 1:3 £ 10¡6 m, or • d < 18:6 £ 10¡6 m.

  16. Considerações Iniciais XII • Questão 02 (4/4) • Logo: 0,056d < 1,3.10-6 m d < 1,3.10-6 m/0,056 ou d < 23,21.10-6 m

  17. Considerações Iniciais XIII • Adaptação e Discriminação de Brilho I • Imagens digitais  Gamas discretas de valores de brilho • Capacidade de discriminação pelo olho • Consideração importante  Apresentação dos resultados do processamento • Sistema visual humano  Enorme capacidade de adaptação à faixa de níveis de intensidade luminosa a que pode ser submetido

  18. Considerações Iniciais XIV • Adaptação e Discriminação de Brilho II • Brilho subjetivo (Subjective brightness) • Intensidade luminosa conforme percebida pelo sistema visual humano Limite da Ofuscação Ba Função logarítmica da intensidade luminosa incidente no olho Faixa de Adaptação Brilho Subjetivo Bb Escotópica Fotópica Limiar Escotópico -6 -4 -2 0 2 4 Log da Intensidade Luminosa (mL)

  19. Considerações Iniciais XV I I + I • Adaptação e Discriminação de Brilho III • Sensibilidade ao contraste • Aspecto de interesse  Capacidade de discriminação de mudanças de brilho em qualquer nível específico de adaptação I  Iluminaçãouniforme sobre uma área plana, larga o suficiente para ocupar todo o campo de visão I  Incremento de iluminação, em forma de flash de curta duração I alto o bastante para provocar a percepção na mudança da intensidade luminosa (contraste entre regiões) Razão de Weber

  20. Considerações Iniciais XVI • Adaptação e Discriminação de Brilho IV • Razão de Weber IC– Valor de I que torna perceptível o contraste entre regiões 1,0 0,5 0 Valores baixos de ∆Ic/I representam discriminação ante pequenas alterações percentuais em intensidade -0,5 log IC /I -1,0 -1,5 Boa discriminação de brilho -2,0 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 log I

  21. Considerações Iniciais XVII I 255 223 191 159 127 95 63 31 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 • Adaptação e Discriminação de Brilho V • Faixas de Mach

  22. Considerações Iniciais XVIII • Adaptação e Discriminação de Brilho VI • Contraste Simultâneo I • Fenômeno segundo o qual a luminância do fundo da cena influencia na percepção da luminância dos objetos contidos na cena • Efeito visual segundo o qual um objeto parece mais brilhante e menor contra um fundo escuro do que contra um fundo claro • Intensificação da diferença entre dois tons de cinza diferentes, em contato direto, em função do contraste www.cs.ubc.ca/nest/imager/contributions/flinn/Illusions/BW/bw.html

  23. Considerações Iniciais XIX • Adaptação e Discriminação de Brilho VII • Contraste Simultâneo II Luminância dos quadrados internos constante Alteração aparente em função da alteração da luminância do fundo www.cs.ubc.ca/nest/imager/contributions/flinn/Illusions/BW/bw.html

  24. Considerações Iniciais XX VERT VERT VERT VERT - - BLEU BLEU JAUNE JAUNE - - VERT VERT BLEU BLEU JAUNE JAUNE BLEU BLEU - - VIOLET VIOLET ORANGE ORANGE - - JAUNE VIOLET VIOLET ORANGE ORANGE VIOLET VIOLET - - ROUGE ROUGE ROUGE-ORANGE ROUGE ROUGE • Adaptação e Discriminação de Brilho VIII • Contraste Simultâneo de Cores I M. E. CHEVREUIL (1839) http://www.prepress-center.fi/icc/pdf/Postscriptum_ICC_SBrues.pdf http://www.colorsystem.com/projekte/engl/17chee.htm

  25. Considerações Iniciais XXI • Adaptação e Discriminação de Brilho VIII • Contraste Simultâneo de Cores II

  26. Considerações Iniciais XXII • Adaptação e Discriminação de Brilho IX • Contraste Simultâneo de Cores III

  27. Considerações Iniciais XXIII • Adaptação e Discriminação de Brilho IX • Contraste Simultâneo de Cores IV

  28. Considerações Iniciais XXIV • Adaptação e Discriminação de Brilho IV • Ilusões I

  29. Considerações Iniciais XXV • Adaptação e Discriminação de Brilho IV • Ilusões II

  30. Considerações Iniciais XXVI • Exercício 01 • Implementar um gerador de ilusões de ótica • Selecionar 10 efeitos, 5 acromáticos e 5 cromáticos; • Possibilitar a customização conveniente de cada efeito selecionado. http://www.exploratorium.edu/exhibits/f_exhibits.html

  31. Considerações Iniciais XXVII • 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

  32. Considerações Iniciais XXVIII • 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)

  33. Considerações Iniciais XXVIII • Câmara Digital I • 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

  34. Considerações Iniciais XXIX • Câmara Digital I • 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)

  35. Considerações Iniciais XXX • Câmara Digital II

  36. Considerações Iniciais XXXI • Olho  Taxa de transmissão de dados USB2 • Nervo Óptico 250.103neurônios • 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

  37. Sistemas de Imageamento I • 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

  38. Sistemas de Imageamento III • Espectro Eletromagnético • Faixa contínua de REM • De comprimentos de onda muito curtos (<300x10-9m) e alta energia a • comprimentos de onda muito longos (da ordem de km) e baixa energia • Relação entre a energia e o comprimento de onda (e, portanto, à freqüência) • Praticamente todas as subfaixas do EEM estão associadas a aplicações humanas http://www.ccrs.nrcan.gc.ca/ccrs/learn/tutorials/fundam/chapter1/

  39. Sistemas de Imageamento IV 700 600 500 400 700 600 500 400 Radiação Visível Comprimento de Onda (nm) Radiação Ultravioleta (UV) Radiação Infravermelha (IR) • Espectro Eletromagnético 103 102 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 Comprimento de Onda (m) Molécula de Água Ponto Mais curtos Proteína Bola de Baseball Vírus Célula Casa Campo de Futebol Bactéria RAIOS X “PESADOS” ONDAS DE RÁDIO INFRAVERMELHO ULTRAVIOLETA MICROONDAS RAIOS X “LEVES” RAIOS  Cavidade de RF Forno de Microondas Elementos Radioativos Rádio FM Seres Humanos Lâmpadas Incandescentes ALS Equipamentos de Raios X RADAR Rádio AM Freqüência (Hz) 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 Mais altas ALS (Advanced Light Source)

  40. EEM - Aplicações de Imageamento I • Imageamento Biomédico I • 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)

  41. EEM - Aplicações de Imageamento II PET (Positron Emission Tomography)/ SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) MRI (Magnetic Resonance Imaging) CT (Computed Tomography) Ultrassonografia Tomografia Óptica Radiografia 103 102 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 Comprimento de Onda (m) RAIOS X “PESADOS” ONDAS DE RÁDIO INFRAVERMELHO ULTRAVIOLETA MICROONDAS RAIOS X “LEVES” Freqüência (Hz) 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1 2 3 4 5 6 • Imageamento Biomédico II • Faixas espectrais de interesse e produtos gerados

  42. EEM - Aplicações de Imageamento III • Imageamento Biomédico III –Ultrassonografia

  43. EEM - Aplicações de Imageamento IV • Imageamento Biomédico IV –Ultrassonografia (Exemplos) Ultrassonografia 3D Feto com 40 semanas Feto com 12 semanas

  44. EEM - Aplicações de Imageamento V • Imageamento Biomédico V –Ressonância Magnética http://w3.ualg.pt/~cmsilva/_private/RMN_Mestrado.pdf

  45. EEM - Aplicações de Imageamento VI • Imageamento Biomédico VI –Ressonância Magnética (Exemplos) 1 Cérebro 2 Cabeça Coração (eixo longitudinal) Manual e Semi-automático

  46. EEM - Aplicações de Imageamento VII • Imageamento Biomédico VII – Tomografia Óptica http://www.nirx.net/technology/ot.html

  47. EEM - Aplicações de Imageamento VIII 100 m • Imageamento Biomédico VIII –Tomografia Óptica (Exemplos) Cérebro Manchas de hematoxilina/ eosina na seção transversal da bochecha de um hamster

  48. EEM - Aplicações de Imageamento IX • Imageamento Biomédico IX – Raios X

  49. EEM - Aplicações de Imageamento X • Imageamento Biomédico X –Raios X (Exemplos)

  50. EEM - Aplicações de Imageamento XI • Imageamento Biomédico XI – Tomografia Computadorizada de Raios X

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