Introdução ao Processamento de Imagens: Visão, Conceitos e Aplicações

1. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Introdução ao Processamento de Imagens Visão Geral, Características e Conceitos Associados Michel Alves dos Santos Centro de Pesquisa em Matemática Computacional Universidade Federal de Alagoas, Campus A. C. Simões Tabuleiro 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

2. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Sumário Tópicos Centrais da Explanação 1 Introdução: Percebendo o Mundo a Nossa Volta 2 O Conceito de Processamento de Imagens 3 Localização em Relação a Computação Gráﬁca 4 Processamento de Imagens e Campos Correlatos 5 Abordagem Baseada em Modelo 6 Visão e Processamento de Imagens 7 Conclusões a Respeito da Área Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

10. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Introdução Introdução Como perceber o mundo a nossa volta? Como Processamos os Estímulos Visuais? Máquinas e Percepção. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

14. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Motivação: Percebendo o Mundo Como perceber o mundo a nossa volta? Resposta: através dos nossos sentidos. Sentidos que captam estímulos(entrada) e nos fornecem informação 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 desses estímulos. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

19. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Visão Humana Como Processamos os Estímulos Visuais? Os estímulos são captados por células fotossensíveis presentes na retina e enviados ao cérebro pelo nervo ótico. No cérebro, mais precisamente no córtex visual ocorre o processamento das imagens recebidas. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

22. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Máquinas e Percepção Percepção em Máquinas A percepção fornece as máquinas informações sobre o mundo em que habitam. A percepção é iniciada por sensores. Sensor: é tudo que pode registrar algum aspecto do ambiente e repassá-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 de Processamento de Imagens. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

28. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões 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, Realidade Aumentada e Robótica Kismet - The Sociable Robot | SixthSense Technology Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

35. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Processamento de Imagens Digitais O Conceito de Processamento de Imagens 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 melhorar o aspecto visual de certas feições estruturais gerando até mesmo produtos que possam ser posteriormente submetidos a outros processamentos. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

39. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Processamento de Imagens e Computação Gráfica Relação Entre Processamento de Imagens e Computação Gráfica Apresenta-se como um sub-campo da Computação Gráfica. Enquanto a área de Visualização, efetiva a geração de imagens, a área de Visão Computacional trata do problema de interpretação das mesmas. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

42. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões 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 quase indivisível, técnicas de Processamento de Imagens, Visualização e Visão Computacional. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

43. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões 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 quase indivisível, técnicas de Processamento de Imagens, Visualização e Visão Computacional. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

44. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Processamento de Imagens e Aplicações 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. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

55. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões 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). Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

63. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Tarefas Típicas com Processamento de Imagens Exempliﬁcando o Diagrama de Reconhecimento Detecção de pele humana sob certas condições de iluminação inerentes ao ambiente Reconhecimento de objetos pertencentes a uma determinada classe: mão, face, etc. Identiﬁcação de instâncias individuais da classe ‘face’: Ganghi, Che Guevara, Charles Chaplin, etc. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

67. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões 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 Ações Rastreamento de veículos; Detecção de ações suspeitas em determinados ambientes; 3 Entretenimento: Jogos e Interface Nativa/Natural; 4 Realidade Aumentada; 5 Robótica: Navegação. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

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

81. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Exemplos de Aplicação Vigilância Detecção de pessoas e rastreamento de veículos Veriﬁcação de velocidade e restrições de perímetro Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

84. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Exemplos de Aplicação Entretenimento Natural User Interface Aplicação em Jogos Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

87. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Exemplos de Aplicação Realidade Aumentada Uso na interação e visualização (e.g. marketing) Diversas aplicações em capacitações e treinamentos Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

90. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Exemplos de Aplicação Robótica Missão Mars Exploration Rover Veículos com Autonomia Parcial ou Total Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

93. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões 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 de mudanças em sua expressão facial Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

97. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Kismet - The Sociable Robot Vídeos do Projeto Kismet PLAY PLAY PLAY PLAY Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

98. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões 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 acesse http://fluid.media.mit.edu/projects.html Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

102. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões SixthSense Technology Vídeos do Projeto SixthSense PLAY PLAY PLAY PLAY Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

103. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Abordagem Baseada em Modelo 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 Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

111. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Abordagem Baseada em Modelo O Problema da Abordagem Baseada em Modelo Essa abordagem pode nos trazer uma massiva ambiguidade! Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

112. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Abordagem Baseada em Modelo O Problema da Abordagem Baseada em Modelo Essa abordagem pode nos trazer uma massiva ambiguidade! Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

113. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Abordagem Baseada em Modelo O Problema da Abordagem Baseada em Modelo Solução Não precisamos recuperar a cena exata em seus mínimos detalhes Apenas informação suﬁciente para: navegação, manipulação e reconhecimento Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

116. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Visão e Processamento de Imagens 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 pela extração de características que irão construir essas representações. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

119. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões O Conceito de Imagem Digital Como Podemos Conceituar ‘Imagem Digital’? Uma imagem digital pode ser descrita como uma matriz bidimensional de números 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 a potência irradiada por unidade de área para os comprimentos de onda no intervalo de λ até λ + dλ. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

122. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Representação Digital de Imagens Como as Imagens são Representadas no Computador? 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 é denominada de ‘Bit-Map’ ou ‘Mapa de Bits’. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

125. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Espectro de Cores Visível e Frequência Cor do Ponto de Vista do Universo Físico Do ponto de vista físico a cor é produzida por uma radiação eletromagnética cujo comprimento de onda λ se situa entre 400 e 800 nm. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

126. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Espectro de Cores Visível e Frequência Cor do Ponto de Vista do Universo Físico Do ponto de vista físico a cor é produzida por uma radiação eletromagnética cujo comprimento de onda λ se situa entre 400 e 800 nm. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

127. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Operações em Imagens Operações em Imagens Digitais Consideraremos operações entre imagens digitais a aplicação de operações matemáticas, aritméticas e lógicas, entre os níveis digitais de duas ou mais imagens ou bandas de uma imagem multiespectral. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

128. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Operações em Imagens Operações em Imagens Digitais Consideraremos operações entre imagens digitais a aplicação de operações matemáticas, aritméticas e lógicas, entre os níveis digitais de duas ou mais imagens ou bandas de uma imagem multiespectral. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

129. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Operações em Imagens Operações em Imagens Digitais 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. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

134. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões 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 escopo dos problemas Requer Interdisciplinaridade Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

140. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Terminando... Algumas Sugestões de Periódicos Periódico Publicações Citações PAMI - Pattern Analysis and Machine Intelligence 4881 118997 IJCV - International Journal of Computer Vision 1727 63408 TMI - IEEE Transactions on Medical Imaging 3411 43018 CVIU - Computer Vision and Image Understanding 1510 19450 IVC - Image and Vision Computing 2642 18507 Tabela: Ranking Top Journals in Computer Vision and Machine Learning segundo o site Microsoft Academic Search em 12 de Junho de 2011. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

141. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Terminando... Algumas Sugestões de Leitura E milhares de outras disponíveis na internet... Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

142. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Terminando... Algumas Sugestões de Leitura E milhares de outras disponíveis na internet... Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

143. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Isso é Tudo Pessoal! Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

144. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Agradecimentos Grato Pela Atenção! Michel Alves dos Santos - michel.mas@gmail.com Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

145. Universidade Federal de Alagoas - UFAL Instituto de Matemática - Campus A. C. Simões Referências Bibliográficas Jonas Gomes and Luiz Velho. Fundamentos da Computação Gráfica, volume 1 of Série de Computação 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. Matfest 2011 - Michel Alves dos Santos - Módulo I Curso Introdutório de Processamento de Imagens Digitais

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