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Processamento de Imagens
Esta subárea muitas vezes confundida com a própria computação
gráfica, é responsável pela manipulação das imagens, modificando-
as;
Possui inúmeras aplicações, dentre elas:
Tratamento e melhoria de imagens a fim de permitir a visualização de
algum detalhe específico de interesse do usuário;
É aplicado junto à Medicina (tomografia), Biologia, Sistemas de
Monitoração e Controle (segurança), Geologia, Sensoriamento Remoto
(imagens de satélites), Meteorologia, Sistemas de Segurança
(impressões digitais), Interpretação Automática de Textos, Visão
Artificial, Robótica, Exploração Automatizada (sistemas anti-bombas,
exploração submarina, mísseis teleguiados), etc.
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Definição de Imagem
Uma imagem é composta por um conjunto de pontos, denominados
"Pixels" (Picture Elements) ou "Dots“;
Estes "pixels" estão dispostos na tela do computador formando uma
matriz de pontos que é denominada de "Bit-Map" ou "Mapa de Bits“;
Uma determinada imagem possuirá também uma "resolução"
associada a ela, que diz respeito ao número de elementos que esta
imagem possui na horizontal e na vertical;
Cada elemento da imagem possuirá uma localização, que é
definida pela suas coordenadas;
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Definição de Imagem
Além de uma localização, para cada ponto
da matriz temos uma cor associada;
Resolução espacial da visão humana
3000 X 3000 pixels
A cor pode ser obtida de forma direta ou
através de uma tabela de acesso indireto as
cores denominada de “tabela de palette”;
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Definição de Cor
Um elemento de grande importância na criação
de uma imagem é a sua cor;
A cor está relacionada especificamente a
percepção visual do ser humano;
Sabe-se que existem animais que não
enxergam as cores, portanto a noção de cor
está relacionada ao sistema visual do homem;
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Definição de Cor
A noção de “COR” pode ser definida através da tri-
stimulus theory, que de maneira simplificada diz:
O ser humano possui em seu sistema visual três tipos de
sensores capazes de identificar três faixas diferentes de
“espectros de energia”;
Estas faixas correspondem as tonalidades de Vermelho
(Red), Verde (Green) e Azul (Blue);
Logo o ser humano vê na realidade a combinação resultante
da mistura destas três cores básicas;
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Definição de Cor
O sistema de cores utilizado nos computadores é usualmente o
sistema RGB (Red-Green-Blue);
O que ocorre, é um controle da intensidade da geração destas três
cores básicas;
Ao definirmos uma determinada cor em um computador, o que
estamos especificando na realidade é a intensidade (valor
associado) aos emissores R, G e B;
Através de testes realizados com o ser humano chegou-se a
conclusão que a utilização de 256 variações diferentes de
intensidade em cada uma das cores básicas é capaz de gerar um
número de cores superior a capacidade visual do ser humano, ou
seja, fica praticamente impossível de distinguir entre duas cores
"vizinhas“;
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Definição de Cor
No sistema RGB, o valor (0,0,0) equivale a cor preta com
intensidade zero nas três componentes;
O valor (255,255,255) equivale a cor branca onde as três
componentes estão presentes com a sua intensidade máxima;
As diferentes combinações entre RGB serão capazes de gerar
qualquer tipo de cor, sendo que se as três componentes tiverem
sempre valores exatamente iguais teremos definida uma escala
de tons de cinza do preto ao branco, é a chamada “gray scale”;
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Definição de Cor
Existem outros sistemas como forma de representação de cores;
Estes sistemas que procuram se adaptar melhor a uma
determinada aplicação ou função;
Exemplos os sistemas:
CMY – Cyan, Magenta e Yellow)
HSV – Hue, Saturation e Value;
HLS – Hue, Lightness e Saturation;
YIQ – Usado na Televisão;
CIE – Chromaticity Diagram;
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Classificação das Imagens
As imagens podem ser classificadas de
acordo com dois critérios principais:
quanto a origem:
Digitalizada;
Sintetizada;
Desenhada;
quanto ao tipo de informações que descrevem
esta imagem:
Monocromática (Preto e Branco / Gray Scale);
Policromática (Tabela de Palette / True Color)
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Classificação Quanto a Origem
Imagem Digitalizada
é uma imagem que foi capturada do "mundo real“;
uma fotografia impressa ou uma cena de um filme que passa por
um processo chamado digitalização onde esta imagem é
codificada de forma digital e pode então ser armazenada na
memória do computador descrita por um conjunto de pontos com
as suas respectivas cores;
A imagem passa portanto a ser armazenada sob a forma de um
conjunto de bits e bytes na memória do computador;
A digitalização pode ser realizada com o auxílio de um "scanner"
ou de uma câmera de vídeo acoplada a uma placa de
digitalização de imagens;
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Classificação Quanto a Origem
Imagem Digitalizada
A câmera de vídeo possui a vantagem de poder capturar cenas
tridimensionais, que obviamente são posteriormente transformadas em uma
cena estática e plana dentro do computador;
Para se poder obter uma imagem em um computador através da câmera é
necessário traduzir o sinal analógico de vídeo composto (NTSC, PAL-M,
etc) em uma informação digital (pixels e suas respectivas cores), sendo esta
tarefa é executada por um dispositivo de hardware especial denominado de
"placa digitalizadora de vídeo“;
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Classificação Quanto a Origem
Imagem Sintetizada
É uma imagem que foi gerada automaticamente através de um
programa de computação gráfica específico de síntese de
imagens;
Este tipo de imagem é obtida a partir de uma descrição criada
por um processo denominado de modelagem, e após a
modelagem (onde os elementos criados não são uma imagem
propriamente dita, mas usualmente apenas dados descrevendo
de uma forma matemática/geométrica os objetos), faz-se então a
geração da imagem de forma automatizada;
O computador é que será o responsável pela geração de cada
ponto da tela e pela determinação de que cor será associada e
estes pontos;
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Classificação Quanto a Origem
Imagem Sintetizada
Uma imagem sintetizada é uma imagem criada pelo computador,
onde o usuário descreve esta imagem apenas através de
parâmetros: seus componentes (objetos), definição de luz,
cores, texturas, etc.;
Após definida a cena, o usuário gera a imagem correspondente,
sem no entanto precisar desenhá-la;
O computador pode através de programas específicos gerar
imagens bidimensionais ou tridimensionais, dando a elas
características que dificilmente poderiam ser criadas
"manualmente“;
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Classificação Quanto a Origem
Imagem Sintetizada
A Impressão de uma imagem sintetizada não apresenta de maneira adequada
todo o realismo presente na cena.
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Classificação Quanto a Origem
Imagem Desenhada
É uma imagem que é gerada "manualmente" por alguma
pessoa, onde o computador atua apenas como uma ferramenta
que facilita o trabalho de criação de uma pintura;
Este tipo de imagem é como se fosse uma pintura criada com o
auxílio do computador que vai simular o uso de uma tela de
pintura e um pincel, através do emprego de um "software de
pintura“;
O computador não gera nenhuma imagem, ele apenas
transcreve as "ordens" do usuário para colocar determinadas
cores em determinados pontos da tela;
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Classificação Quanto a Origem
Imagem Desenhada
O imagem desenhada é criada através do uso de um sistema de pintura, onde
a criação artística e noções de desenho são de grande importância para a
criação da imagem final, pois o computador é um mero instrumento de trabalho
usado para expressar a produção artística de uma pessoa;
Usualmente os desenhos serão todos bidimensionais, mas nada impede que o
artista faça a perspectiva de um desenho, dando a impressão deste ser
realmente tridimensional;
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Classificação Quanto ao tipo de
informação que descreve a imagem
De acordo com o tipo de informações que descrevem a cor
de cada ponto da imagem teremos diferentes classes de
imagens, sendo classificadas nos seguintes grupos:
Imagem Monocromática – Preto e Branco (B&W):
Neste tipo de imagem cada ponto possui associada uma
informação de aceso/apagado, ou, ligado/desligado (1 bit/pixel);
Imagem Monocromática – Tonalidades de cinza (Gray Scale):
Neste tipo de imagem cada ponto possui um valor associado que
indica uma intensidade de luminosidade entre o preto e o branco;
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Classificação Quanto ao tipo de
informação que descreve a imagem
Imagem Policromática com Tabela de Palette:
Imagem onde temos um acesso indireto a cor real de cada
ponto. A imagem é colorida com o uso da tabela palette;
Imagem Policromática Multiespectral (Imagem Truecolor -
RGB – 24/32 bits):
Imagem colorida formada com algum sistema de cores.
Ex.: RGB - pela composição dos três componentes básicos
Vermelho (Red), Verde (Green) e Azul (Blue)
24 bits/pixel – 16 milhões de cores;
32 bits/pixel – 4 bilhões de cores;
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Tabela de Palette
A tabela de palette serve para possibilitar o acesso a um grande número cores
em um dispositivo com características gráficas limitadas;
O princípio de funcionamento da tabela de palette é o de que na maioria das
situações o usuário não precisa utilizar todo o conjunto de cores disponíveis em
termos de hardware de uma forma simultânea;
Para podermos obter todas as cores possíveis de serem distinguidas pelo ser
humano teremos um conjunto de aproximadamente 16 milhões de cores (24
bits/pixel);
Supondo uma tela de 640 x 480 pixels, uma imagem gerada para este
dispositivo terá um total de 307.200 pixels, e se for utilizado um sistema com 24
bits/pixel isto resulta em 900Kbytes de memória para armazenar apenas uma
imagem;
Imagine o processamento necessário para gerar e manipular cada uma destas
imagens de 900Kbytes...
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Tabela de Palette
Como a maioria das imagens não utiliza simultaneamente todas as 16 milhões de cores,
uma solução extremamente prática é a criação de um subconjunto de cores que passará
então a ser utilizado para cada imagem;
Desta forma uma imagem será composta por uma tabela de cores que descreve quais das
16 milhões de cores estão em uso atualmente, e pela imagem propriamente dita que faz
apenas uma referência a tabela de cores selecionada (usando menos de 24 bits para
armazenar um pixel);
Existem tabelas de palette de diferentes tamanhos, sendo as mais comuns de 16, 64 e
256 cores, ocupando 4, 6 ou 8 bits para cada pixel;
Uma tabela de palette de 256 cores permite portanto que sejam selecionadas 256 cores
do total de 16 milhões que passarão a ser exibidas na tela, e neste caso não podemos
nunca ter um número superior a 256 cores diferentes sendo exibidas simultaneamente na
tela;
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Tabela de Palette
É interessante salientar que ao alterarmos a tabela
de palette de cores de uma imagem, o desenho ("as
formas") desta imagem permanece, mas todos os
pontos que estavam desenhados na cor
anteriormente especificada passarão a ser
desenhados na nova cor alterada na tabela de
palette;
A técnica de alteração da tabela de palette é muito
utilizada para se criar um tipo de "falsa animação",
onde é feita apenas a modificação da tabela de
cores do desenho criando uma impressão de
movimento de cores;
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Profundidade de Cor
Os primeiros scanners que surgiram somente distinguiam cores em tons de
cinza;
Quando uma imagem é escaneada, o aparelho o faz pixel a pixel;
Para cada um desses pixels, o scanner atribui uma determinada
quantidade de bits;
Quanto maior for o valor de cada pixel, maior será a qualidade da imagem
digitalizada;
Os scanners "pioneiros" somente atribuíam um bit por pixel, o que somente
permitia trabalhar com preto e branco;
A maioria dos scanners atuais usam pelo menos 24 bits para representar
as cores possíveis de um pixel;
O número de bits usados para representar as cores de um pixel é chamado
de profundidade de cor;
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Tamanho de uma imagem
Ao ser digitalizada a imagem assume um tamanho adimensional,
em pixels;
Mas, pode-se conhecer uma medida de qualidade da
amostragem, conhecendo-se a razão entre o número de pixels
obtido e o tamanho da imagem real;
Resolução??? 800X600 ou 1200DPI ???
Em geral, é medida em pontos por polegada ou DPI (dots per
inch), mas pode ser também em pontos por centímetro ou DPC,
ou ainda em qualquer outra unidade equivalente;
Relação: número de pixels = resolução x tamanho real
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Tamanho de uma Imagem
1 polegada = 2,54 cm
Nº de pixels no sentido horizontal
PL = largura x resolução / 2,54
Nº de pixels no sentido vertical
PV = altura x resolução / 2,54
Número Total de Pixels
Nº de pixels = PL X PV
Tamanho ocupado na memória
Tamanho = Número Total de Pixels X Profundidade de Cor
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Armazenamento de Imagens
Um item muito importante a ser abordado é o armazenamento
de imagens;
Há uma necessidade de se criar padrões de armazenamento de
imagens de forma que possamos realizar o intercâmbio de
imagens entre diferentes sistemas;
Outro fator importante é a codificação das imagens, uma vez
que estas normalmente ocupam muito espaço de memória e
disco e necessitam do emprego de alguma forma de
compressão de dados para o seu armazenamento;
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Armazenamento de Imagens
Formatos de Arquivos de Imagens
Existem diferentes formatos de arquivos para o armazenamento
de imagens, uma vez que temos várias classes de diferentes de
representações de imagens;
O armazenamento da imagem envolve basicamente três
elementos principais:
forma como a imagem está representada;
o tipo de compactação empregado;
cabeçalho contendo as informações a cerca desta imagem
(resolução, nº de cores, classe da imagem, palette,
compactação, etc);
Um mesmo tipo de arquivo pode permitir o armazenamento de
diferentes classes de imagens e também permitir a utilização de
vários métodos de compactação;
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Formatos de Arquivos de Imagens
Alguns dos formatos de arquivos de imagens largamente
utilizados na atualidade são:
BMP: Bitmap usado no PaintBrush, CorelDraw, (Windows);
PCX: PiCture eXchange;
GIF: Graphics Interchange Format;
TGA: Truevision Targa Graphic;
TIFF: Tag Image File Format;
Outros: PBM, IFF, HP PCL, PIC, JPG,...
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Compressão de Imagens
Uma imagem pode ocupar muito espaço em memória ou disco, por
isso é bastante comum na computação o emprego de técnicas de
compactação de dados;
As técnicas de compactação de dados, de uma forma geral, buscam se
aproveitar de uma possível repetição de informações para reduzir o
tamanho do arquivo através de sua recodificação de forma otimizada;
Existem duas categorias de compressão de imagens
Sem Perda (lossless) – é possível reconstruir exatamente a imagem
original antes de ter sido efetuada a compressão (às vezes tratado como
compactação de imagens)
Com Perda (lossy) – no processo de compressão são perdidas
características das imagens, o que permite obter graus de compressão mais
elevados
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Compressão de Imagens
Os métodos de compactação de imagens mais
utilizados são:
RLE: Run-Length Encoding. Compacta repetições
seguidas de pixels iguais; (Sem Perda)
LZW: Lempel-Ziv-Welch. Algoritmo com alto grau de
compactação; (Sem Perda)
JPEG: Joint Photographic Experts Group; (Com Perda)
