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Introdução ao Processamento e Síntese de imagens. Prof. Júlio Kiyoshi Hasegawa - 2015

Introdução ao Processamento e Síntese de imagens.

Fonte: Traina, A. J. M. & Oliveira , M. C. F. (2004)


Definição

A Computação Gráfica é a área da ciência da

computação que estuda a geração, manipulação

e interpretação de modelos e imagens de

objetos utilizando computador. Tais modelos

vêm de uma variedade de disciplinas, como

física, matemática, engenharia, arquitetura, etc.


Sub-áreas

• Síntese de Imagens: “área que se preocupa com a produção de representações visuais a partir das especificações geométrica e visual de seus componentes. É freqüentemente confundida com a própria Computação Gráfica. As imagens produzidas por esta sub-área são geradas a partir de dados mantidos nos chamados Display-Files”.

• Processamento de Imagens: “envolve as técnicas de transformação de Imagens, em que tanto a imagem original quanto a imagem resultado apresentam-se sob uma representação visual (geralmente matricial). Estas transformações visam melhorar as características visuais da imagem (aumentar contraste, foco, ou mesmo diminuir ruídos e/ou distorções). As imagens produzidas/utilizadas por esta sub-área são armazenadas/recuperadas dos chamados Raster-Files”.

• Análise de Imagens: “área que procura obter a especificação dos componentes de uma imagem a partir de sua representação visual. Ou seja a partir da informação pictórica da imagem (a própria imagem!) produz uma informação não pictórica da imagem (por exemplo, as primitivas geométricas elementares que a compõem)”. Link notas do Galo


Sub-áreas

Fonte: Tommaselli – Notas de aulas Computação Gráfica. Mostrar – povray, Google SketchUp, cortona


Aplicações: Interfaces: janelas gráficas, menus dinâmicos, ícones ... Traçado interativo de gráficos: aplicativos voltados para usuários em ciência, tecnologia e negócios gerando gráficos que ajudam na tomada de decisões. Automação de escritórios e editoração eletrônica: criação de documentos que combinam texto, tabelas e gráficos. Projeto e desenho auxiliado por computador: CAD, projetar componentes, peças e sistemas de dispositivos mecânicos, elétricos... Simulação e animação para visualização científica: interpretar as quantidades prodigiosas de dados produzidas por programas computacionais. Controle de processos: sistemas de controle de tráfego aéreo e espacial e outros. Visualização Médica: Arte: produzir efeitos artísticos, como a extração de texturas, padrões e estruturas a partir de fotos digitalizadas. Entretenimento: filmes Cartografia: SIG, CAD,....... (slide – cg_carto)


Computação Gráfica e Síntese de Imagens

A Computação Gráfica trata da síntese de imagens de objetos reais ou imaginários a partir de modelos computacionais. Síntese de Imagens parte da descrição de objetos tais como segmentos de reta, polígonos, poliedros, esferas, etc.; e produz uma imagem que atende a certas especificações e que pode, em última instância, ser visualizada em algum dispositivo (terminal de vídeo, plotter, impressora, filme fotográfico...). As imagens em questão constituem uma representação visual de objetos bi- ou tridimensionais descritos através de especificações abstratas.


Representações Gráficas

Gráficos Vetoriais: Gráficos Matriciais • Representação por coleção

de objetos geométricos • Amostragem em grades

retangulares � pontos o Imagens digitais

• Retas � Matrizes de pixels • Curvas � Cada pixel representa uma

cor • Planos o Dados volumétricos • Polígonos � Imagens médicas

� Cada pixel representa densidade ou intensidade de algum campo


Conversão entre representações

Representações Vetoriais (intro_ModelagemGeometrica_complem)

Rasterização “Scan conversion”

Reconhecimento de padrões

Representações Matriciais


Dispositivo de Visualização • Impressoras matriciais;

� Nesse padrão, a cabeça de impressão possui pequenas agulhas que empurram a fita de tinta contra o papel.

Fonte: http://www.infowester.com/impressoras.php


Dispositivo de Visualização

• Impressoras a jato de tinta - processo subtrativo; o O esquema de cores mais usado nas impressoras é o CMYK, ciano

(Cyan), magenta (Magenta), amar elo (Yellow) e preto (blacK).

Fonte: http://www.infowester.com/impressoras.php

• projetando um feixe de luz (lanterna) que passa

por um filtro verde a luz projetada será verde.

• impressora - devido ao problema de cores e por

economia tem um cartucho (preto).


Dispositivo de Visualização • Impressoras a laser

o um feixe de raio laser cria uma imagem eletrostática de uma página no tambor, aplica-se o TONER no tambor fotosensivel, que adere apenas às zonas sensibilizadas, o tambor passa sobre a folha de papel - o pó é transferido para sua superfície, passa por um aquecedor chamado de FUSOR, o qual queima o Toner.

Fonte: http://www.infowester.com/impressoras2.php


Dispositivo de Visualização • Dispositivos de Vídeo Varredura

o Monitores CRT - Tubo de Raios Catódicos (Cathode Ray Tube) - A tela deste tubo é composta por camadas de fósforo, que é

atingida por elétrons através de "disparos" feitos por um canhão localizado no início do tubo.

Fonte:Traina, A. J. M. & Oliveira , M. C. F. (2004)


Memória de imagem é transferida para a tela pelo controlador de vídeo (conversor D/A)

Varredura de pelo menos 15x por seg. RGB – 3 canhões e 3 tipos de fósforos.


Dispositivo de Visualização – Monitores RGB Monitores - processo aditivo de cores

http://www.ufrgs.br/engcart/PDASR/formcor.

Monitor constituído de pequenas células compostas de partes vermelhas, verdes e azuis (cores primárias) • combinando aditivamente - .

o vermelho + verde => amarelo (Y - Yellow)

o verde + azul => ciano (C) o vermelho +azul => magenta (M) o W - branco (White)


Dispositivo de Visualização

• Monitores LCD - telas de cristal líquido (Liquid Crystal Display)

Fonte: APOSTILA DE TREINAMENTO TELEVISORES LCD – Semp Toshiba


LÂMPADA FLUORESCENTE (BACKLIGHT)- Fonte de iluminação do tipo

fluorescente localizada na parte traseira do painel que permite a exibição das imagens.

VIDRO DIFUSOR - Como a luz emitida concentra-se na região próxima da lâmpada, um

vidro difusor é colocado na frente das mesmas, para uniformizar e distribuir igualmente a luz

através de todos os pontos da tela.

PLACA POLARIZADORA TRAZEIRA - É a Primeira placa polarizadora onde os feixes

de luz são polarizados verticalmente e ajustados as camadas de cristal líquido.

PLACA COM MATRIZ DE TRANSISTORES TFT - É um arranjo de milhares de

transistores em forma de matriz de linhas e colunas, de tal forma que cada transistor se adéqüe

perfeitamente a cada umas das milhares de moléculas de LCD, característica dos atuais painéis

LCDs, que empregam a tecnologia TFT (Twisted Film Transistor), também chamada matriz ativa.


PLACA DE CRÍSTAL LÍQUIDO - Esta placa é constituída por milhares de células

arranjadas em forma de uma matriz de linhas e colunas. Cada célula individualmente deixará

passar mais ou menos luz, conforme a corrente recebida.

COM FILTRO COLORIDOS RGB - É um painel formado por uma grade de células, com

as mesmas dimensões das células LCD, porém composta por filtros coloridos nas cores básicas

RGB, é este componente que permite que o painel de LCD mostre as imagens coloridas. Cada

conjunto de 3 células com seus respectivos filtros representam um pixel da imagem a ser

mostrada.

PLACA POLARIZADORA FRONTAL - É a segunda placa polarizadora, onde os feixes

de luz são polarizados horizontalmente.


O LCD é um dispositivo digital, que se baseia na propriedade do cristal líquido, de desviar a trajetória da luz transmitida pelo mesmo. O desenho abaixo esquematiza como isso acontece: Fonte: APOSTILA DE TREINAMENTO TELEVISORES LCD –

Semp Toshiba


Os pixels do exemplo 1 são ligados. Com nenhuma tensão aplicada, as moléculas de LCD torcem para se encaixarem na película de alinhamento do Filtro Polarizador, fazendo com que o Feixe de Luz que atravessou a primeira placa polarizadora que está na vertical se encaixe perfeitamente e atravesse a segunda placa polarizadora, que se encontra na horizontal. Os pixels do exemplo 2 são desligados. Com tensão aplicada, as moléculas de LCD se alinham com o campo elétrico, o feixe de luz atravessa a primeira placa polarizadora que está na vertical, mas não atravessa a segunda placa polarizadora que se encontra na horizontal.


Resolução Gráfica Virtualmente todos os dispositivos de I/O gráficos usam uma malha retangular de posições endereçáveis, denominada de “retângulo de visualização”. A “resolução gráfica” de um dispositivo é o número de posições (ou pontos, ou pixels) horizontais e verticais que ele pode distinguir. Existem 4 parâmetros que definem a resolução:

1. ndh - o número de posições endereçáveis horizontalmente;

2. ndv - o número de posições endereçáveis verticalmente; 3. width - a largura do retângulo de visualização em mm; 4. height - a altura do retângulo de visualização em mm.

A partir desses 4 parâmetros, vários números podem ser calculados:


Resolução Gráfica 1. resolução horizontal: horiz_res= ndh/width 2. tamanho ponto horizontal: horiz_dot_size= width/ndh 3. resolução vertical: vert_res= ndv/height 4. tamanho ponto vertical: vert_dot_size= height/ndv 5. total pontos endereçáveis: total_nr_dots= ndh*ndv 6. resolução de área: area_res=total_nr_dots/(width*height) 7. razão de aspecto gráfica:aspect_ratio=

vert_dot_size/horiz_dot_size 8. razão de aspecto física: physical_aspect_ratio= height/width

• horiz_res, vert_res e area_res definem resoluções físicas, • ndh, ndv e total_nr_dots definem resoluções gráficas


Resolução Gráfica - exemplos Dados: Monitor LCD 19” – 1440x900 pixels ndh x ndv

width = 412mm height = 259mm calcular:

resolução horizontal: horiz_res= ndh/width tamanho ponto horizontal: horiz_dot_size= width/ndh resolução vertical: vert_res= ndv/height tamanho ponto vertical: vert_dot_size= height/ndv total pontos endereçáveis: total_nr_dots= ndh*ndv resolução de área: area_res=total_nr_dots/(width*height) razão de aspecto gráfica:aspect_ratio= vert_dot_size/horiz_dot_size razão de aspecto física: physical_aspect_ratio= height/width Exercício: Monitor CRT 22” – 1680x1050 pixels ndh x ndv

width = 475mm height = 300mm


Sistemas de Coordenadas



• os dispositivos de visualização gráfica matriciais consistem de uma matriz de pixels endereçáveis, um gráfico é formado "acendendo" ou "apagando" um pixel.

• Os pixels são endereçados por dois números inteiros que dão suas coordenadas horizontal e vertical, dcx, e dcy (dispositivo)

0 ≤ dcx ≤ ndhm1 ≡ ndh - 1 0 ≤ dcy ≤ ndvm1 ≡ ndv - 1

• Coordenadas normalizadas do dispositivo (NDC - normalized

device coordinates)

0 ≤ ndcx ≤ 1 0 ≤ ndcy ≤ 1


Sistemas de Coordenadas • NDC (0,0) ⇒corresponde à origem (0,0) do dispositivo, e • NDC (1,1) refere-se ao pixel no canto inferior direito, que

corresponde ao pixel (ndhm1, ndvm1) do dispositivo. o A vantagem da utilização de NDCs - independe dos

dispositivos gráficos. o dados gráficos (NDCs) precisam ser transformados para o

sistema de coordenadas do dispositivo no momento de visualização.

• O mapeamento de NDCs (reais) para coordenadas do dispositivo (inteiros) é "linear", por exemplo:

dcx = Int(ndcx * ndhm1 + 0.5) dcy = Int(ndcy * ndvm1 + 0.5)



• Sistema de coordenadas físico - (pcx, pcy) – (polegadas ou mm) o Onde:

� pcx é a distância física ao longo do eixo x a partir do extremo esquerdo do retângulo de visualização, e

� pcy é a distância física ao longo do eixo y a partir do extremo inferior.

� A transformação de coordenadas físicas para coordenadas do dispositivo é dada por:

dcx = Int(ndhm1 * pcx / width + 0.5) dcy = Int(ndvm1 * pcy / height + 0.5)

obs: retângulo de visualização (janela de visualização): menor polígono regular (4 lados) que contém os dados a serem visualizados.


Sistemas de Coordenadas do mundo

� Sistema de coordenadas do mundo, ou sistema de coordenadas do usuário, que consiste de coordenadas cartesianas (x,y), num intervalo qualquer definido pelo usuário:

xmin ≤ x ≤ xmax ymin ≤ y ≤ ymax

� xmin, ymin, xmax e ymax, definem uma área

retangular no espaço bidimensional, denominada de janela de visualização.


Transformação de coordenadas (1)

mundo ⇒normalizada ⇒dispositivo

o A transformação de coordenadas do usuário (x,y) para

NDCs (ndcx,ndcy), denominada transformação de visualização, é dada por:

minmax

min

minmax

min

yy

yyndcy

xx

xxndcx

−

−=

−

−=

e

heightndcypcywidthndcxpcx ** ==


Exercício.

Calcular as coordenadas normalizadas do poligono definido pelos pontos abaixo:

460047.79 7550428.47 462100.23 7550450.55 462076.78 7547258.45 460072.38 7547201.77 460047.79 7550428.47

Considerando as dimensões uma janela de 500x400 pixels para a visualização, calcular as coordenadas de tela do polígono:



mundo ⇒ dispositivo O objeto é visualizado ocupando todo o espaço do dispositivo, definido pela maior extensão (x ou y) a ser representado:

Escala na direção x: Escala na direção y:

Definição da escala de representação E:

Escolher a menor das {EW, Eh} ⇒ E

Definição de um ponto no dispositivo de visualização

i = (int)[ (xi - xmin)*E +0,5]; obs1: mantém a forma do objeto j = (int)[ (ymax - yi)*E + 0,5]; obs2: adaptado para sistema de tela



mundo ⇒normalizada ⇒dispositivo

minmaxminmax yyyxxx −=∆−=∆

Se ∆x > ∆y ⇒ 1=∆

∆= fxex

yfy

Senão 1=∆

∆= fyey

xfx

fyy

ndcyfxx

xxndcx ×

∆

−=×

∆

−=

yminymin

dcx = Int(ndcx * ndhm1 + 0.5) obs1: adaptado para sistema de tela

dcy = Int(ndcy * ndvm1 + 0.5) obs2: deforma o objeto.


Exercício 2: Calcular as coordenadas de tela do poligono definido pelos pontos abaixo, utilizando os dois procedimentos apresentados: 457970.1550 7554112.7877 458029.7430 7554226.8430 458145.6800 7554165.7140 458136.7010 7554146.5180 458176.4350 7554125.7400 458130.1290 7554033.1380 457970.1550 7554112.7877 Plotar os pontos em um papel quadriculado, considerando as dimensões do papel como a janela de visualização. Ligar os pontos com uma régua e pintar os pixels que são cruzados pela linha. Obs: considerar a origem (0,0) no canto superior esquerdo – como na tela do PC.

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