Curso de Procesamiento Digital de Imágenes

1. Impartido por: Elena Martínez Departamento de Ciencias de la Computación IIMAS, UNAM, cubículo 408 http://turing.iimas.unam.mx/~elena/Teaching/PDI-Mast.html elena@leibniz.iimas.unam.mx Curso de Procesamiento Digital de Imágenes

2. 1. Introducción ¿Qué es el procesamiento digital de imágenes? Orígenes del procesamiento digital de imágenes (PDI). Ejemplos de áreas de aplicación del PDI. Pasos fundamentales del PDI. Componentes de un sistema de PDI.

3. ¿Qué es el Procesamiento Digital de Imágenes?

4. Procesamiento Digital de Imágenes • El campo del procesamiento digital de imágenes (PDI) se refiere a procesar las imágenes del mundo real de manera digital por medio de una computadora. • El interés por el PDI se basa principalmente en dos áreas de aplicación: 1) mejoramiento de la información pictórica para la interpretación humana; y 2) el procesamiento de datos de la imagen para su almacenamiento, transmisión y representación para percepción autonóma de máquinas.

5. Imagen Digital • Una imagen puede ser definida como una función bidimensional,f(x,y), donde x y y son coordenadas espaciales (plano) y la amplitud fes llamada intensidad o nivel de gris en ese punto. • Cuando x,y y f son todos finitos, cantidades discretas, llamamos a la imagen digital. • Una imagen digital está compuesta por un número finito de elementos, cada uno de los cuales con un valor y una posición particular, llamados pixels.

6. Disciplinas afines La visión es nuestro sentido más avanzado, y no es de sorprenderse que las imágenes jueguen un papel primordial en la percepción humana. A diferencia de los humanos, que tan sólo percibimos una parte mínima del espectro electromagnético, los equipos de adquisición de imágenes digitales pueden trabajar con el espectro completo que va desde los rayos gamma hasta las ondas de radio.

7. Disciplinas afines No está claro dónde se encuentra la línea divisoria entre las disciplinas afines al PDI Procesamiento digital de imágenes: Entrada/salida son imágenes. Análisis de imágenes (Image understanding): Entrada imagen, salida datos a interpretar. Visión por Computadora: Emular la visión humana y utiliza técnicas de conocimiento para la toma de decisiones. Área de la Inteligencia Artificial.

8. Paradigma. Tipo de procesamientos computarizados Procesos de nivel-bajo:reducción de ruido, realce de contraste, realce de características de la imagen. Donde las entradas/salidas son imágenes. Procesos de nivel-medio:segmentación (regiones, objetos), descripción de objetos, clasificación. Donde la entrada es una imagen y la salida son atributos de objetos (bordes, contornos, identidades de objetos individuales). Procesos de nivel-alto:Involucra “darle sentido” al conjunto de objetos encontrados, análisis de la imagen, llevar acabo funciones cognitivas normalmente asociadas con la visión.

9. 1. Introducción ¿Qué es el procesamiento digital de imágenes? Orígenes del procesamiento digital de imágenes (PDI). Ejemplos de áreas de aplicación del PDI. Pasos fundamentales del PDI. Componentes de un sistema de PDI.

10. Orígenes del PDI Primera aplicación: Impresión de periódicos. Codificación y transmisión por cable submarino entre Londres y Nueva York, reconstrucción e impresión, 1921. Mejora: técnica basada en reproducción fotográfica realizada a través de cintas perforadas en las terminales telegráficas receptoras. 5 niveles de gris, 1922.

11. Orígenes del PDI Misma técnica que la imagen anterior, basada en reproducción fotográfica realizada a través de cintas perforadas en las terminales telegráficas receptoras. 15 niveles de gris, 1929.

12. Orígenes del PDI A pesar de que los ejemplos anteriores son de imágenes digitales, no se consideran los inicios del PDI debido a que su creación no involucró computadoras. La historia del PDI está directamente ligada con el desarrollo de las computadoras. De hecho el PDI requiere un alto poder computacional para almacenar y procesar imágenes. Así que su progreso a ido de la mano con el progreso de tecnologías de hardware.

13. Orígenes del PDI Avances de las computadoras suficientemente poderosas para el PDI: Invención del transistor, Bell Laboratories en 1948 Desarrollo de lenguajes de programación de alto nivel en 1960 y 70 Invención del circuitos integrados (IC) por Texas Instrument 1958 El desarrollo de sistemas operativos, a principios de los 60s La introducción de la computadora personal (PC) por IBM en 1981 Miniaturización de componentes: a gran escala (LSI) en 1970 Componentes a muy gran escala (VLSI) en 1980 Componentes a ultra escala (ULSI) hasta la fecha Avances en el desarrollo de sistemas de almacenamiento y desplegado

14. Orígenes del PDI Las máquinas poderosas de los 60s y el programa espacial dieron origen a lo que hoy conocemos como PDI Primera imagen tomada a la luna por el Ranger 7 y transmitida a la tierra el 31 de julio de 1964. La toma tardo alrededor de 17 minutos antes de impactar la superficie de la luna.

15. Orígenes del PDI Paralelo al desarrollo con el programa espacial el PDI (1960s y 1970s) comenzo a ser muy utilizado en áreas como: Imágenes médicas Observaciones terrestres remotas Astronomía Geografía Arqueología Biología Aplicaciones industriales Entre otras.....

16. 1. Introducción ¿Qué es el procesamiento digital de imágenes? Orígenes del procesamiento digital de imágenes (PDI). Ejemplos de áreas de aplicación del PDI. Pasos fundamentales del PDI. Componentes de un sistema de PDI.

17. Ejemplos de campos de aplicacióndel PDI Existe una inmensa gama de áreas donde el PDI se utiliza de manera rutinaria. Una manera simple para categorizar las imágenes es dependiendo de su fuente (visual, rayos-X, etc). La principal fuente de energía para las imágenes que están en uso hoy en día es el espectro de energía electromagnética.

18. Ejemplos de campos de aplicación de acuerdo a su fuente: Imágenes de Rayos Gamma: ab cd Aplicaciones: Medicina Nuclear y observaciones astronómicas. Gamagrafía ósea (isotopo->gama). Tomografía por emsión de positrones (PET) (isotopo-> positron+electron ext.=gama). Ciclo Cygnus, generado por la explosión de una estrella en la constelación Cygnus. Radiación producida por una válvula de reactor nuclear.

19. Imágenes de Rayos X: ad b ce Aplicaciones: Medicina, Astronomía e Industria. Rayos X de Tórax. Angiograma de aorta (vasos sanguíneos con medio de contraste). Tomografía axial computarizada (TAC). Tarjeta de circuito electrónico (examinar componentes, pistas rotos o faltantes). Astronomía. Ciclo Cygnus con rayos X.

20. Imágenes de la Banda Ultravioleta: ab c Aplicaciones: Litografía, inspección industrial, microscopía, láseres, imágenes biológicas, astronomía. Microscopía de florescencia. Maíz normal. Microscopía de florescencia. Maíz con hongos. Ciclo Cygnus, banda ultravioleta.

21. Imágenes de la Banda Visible e Infraroja: abc def Aplicaciones: Microscopía de luz, astronomía, sensado remoto, industrial. Taxol (agente anticáncer) 250x Colesterol 40x Microprocesador 60x Capa delgada de óxido de níquel 600x Superficie de un CD de audio 1750x Superconductor orgánico 450x

22. Imágenes de la Banda Visible e Infraroja: Bandas temáticas en el satélite LANSAT de la NASA: Imágenes de la tierra desde el espacio para monitorear: condiciones ambientales del planeta

23. Azul visible Verde visible Rojo visible Infrarojo cercano Infrarojo medio Infrarojo térmico Infrarojo medio Imágenes de la Banda Visible e Infraroja: Satélite LANSAT: Cuidad de Washington

24. Imágenes de la Banda Visible e Infraroja: Aplicaciones: Climatológicas. Huracan Andrew: tomado con el satélite GEOS (Geostationary Enviromental Operational Satellite), tomada por la NOAA.

25. Imágenes de la Banda Infraroja: Base de datos de “Luces de noche en el mundo” • Inventario global de • establecimientos • humanos. • Consumo global de • energía. • Bandas entre 10 y 13.4 • m, observa luces muy • tenues en la supercie de • la tierra: cuidades, • pueblos, villas, flamas • de gas y fuego.

26. Imágenes de la Banda Infraroja: Satélite: NOAA DMSP (Defense Meteorological Satellite Program)

27. Imágenes de la Banda Visible: ab cd ef Aplicaciones: Inspección automática de objetos industriales. Tarjeta controladora de CD-ROM (área negra componente faltante). Contenedor de cápsulas. Botellas que no están llenas al nivel requerido. Pieza de plástico con burbujas de aire (defectos). Muestra de cereal (inspección del color) Implante introcular (defectos del material).

28. Imágenes de la Banda Visible: ab c d Aplicaciones varias: Identificación, conteo. Huella digital del dedo pulgar. Billete. Conteo automático, lectura del número serial para identificar billetes. Lectura automática de placas. Mismo que c)

29. Imagen óptica de la retina Imágenes de la Banda Visible:

30. Adquisición de Imágenes de Retina

31. Imagen de área montañosa del sureste del Tíbet. (Montañas: 5800m, Valles:4300m) Imágenes de la banda de microondas: Aplicaciones: Radar el cual puede penetrar nubes; bajo ciertas condiciones se puede ver a través de hielo o vegetación, o suelo muy seco. La energía de microondas que refleja en una antena de radar, y de ahí se reconstruye la imagen.

32. Imágenes de la banda de Radio: Aplicaciones: Medicina y astronomía. Se pasan ondas de radio a través del cuerpo humano en pulsos cortos. Cada pulso causa un pulso respuesta del tejido, cuya localización y potencia se utilizan por una computadora para reconstruir la imagen. Resonancia magnética nuclear (MRI) de rodilla. MRI de columna vertebral.

33. Imágenes de la banda de Radio: El “Crab Pulsar” (pulsar cangrejo): explosión de supernova seguida del colpaso masivo de estrellas en evolución. Comparar la banda de radio con otras....

34. El sistema despliega las distancias e intensidades de los ecos reflejados por los tejidos en una pantalla. Otras modalidades, Ultrasonido: ab cd Ultrasonido de bebé. Mismo que a), otra vista. Tiroides. Capas musculares.

35. El sistema despliega las distancias e intensidades de los ecos reflejados por los tejidos en una pantalla. Otras modalidades, Ultrasonido: Reconstrución 3D Ultrasonido de bebé Semana 35

36. Otras modalidades, Microscopía Electrónica: SEM- scanning electron microscopy TEM- transmission electron microscopy Utilizan rayos de electrónes enfocados en vez de rayos de luz, como los microscopios ópticos. Filamento de tungsteno 250x SEM. Circuito integrado dañado 2500x SEM

37. http://turing.iimas.unam.mx/~elena/Teaching/PDI-Mast.html Instituto de Investigaciones en Matemáticas Aplicadas y en Sistemas (IIMAS)