Processamento e Análise de Imagem_cor_1

Departamento de Fsica

1. Processamento e Anlise de ImagemPedro Vieira([email protected])

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Mtodos de Imagem Mdica

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IntroduoA imagem mdica usa regularmente o mais complexo processamento de imagem existente normal que a informao para a imagem mdica seja obtida de formas muito indirectas, sendo a imagem apenas uma representao A imagem especialmente importante por os humanos serem essencialmente seres visuais O processamento de imagem muitas vezes aplicado de forma a colocar em evidncia uma Realidade20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 2

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Nveis de ProcessamentoO processamento de imagem pode ser dividido em trs nveis:Baixo Nvel Reduo de rudo, manipulao de contraste e brilho, obter estatsticas simples da imagem (processamento primrio) Nvel Intermdio Segmentao e medidas complexas Alto Nvel Anlise de imagem tais como a identificao automtica de estruturas e obteno de estatsticas complexas20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 3

Nveis de Processamento

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A Percepo Visual HumanaDois de fotoreceptors disponveis:Bastonetes (Rods): 75 Rods) a 150 milhes, muito sensveis luz mas no cor. Pouco detalhe Cones: Cones: 6 a 7 milhes, sensveis cor mas de baixa sensibilidade. Alta resoluo20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 5

Rodes & ConesCones concentrados na zona da fvea Rods concentrados fora da fvea (viso perifrica) No disco ptico onde o nervo ptico entra no olho, existe um ponto cego20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 6

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Sensibilidade EspectralOs rodes tem uma sensibilidade mais alta, excepto nos cdo de onda elevados A representao dos cones combina as 3 componentes espectrais a que so sensveis

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Resposta Espectral dos ConesA combinao de sensores vermelhos, verdes e azuis permite a viso a cores Apesar de existir uma sobreposio dos vrias espectros, a descriminao em cor possvel20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 8

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Resposta EspacialA resoluo espacial dos cones na fvea muito superior a qualquer outra rea da retina Os cones permitem essa resoluo espacial superior

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Imagem do Fundus1 2

1. 2. 3. 4.

Fovea Mcula Disco ptico Vasos Sanguneos

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Estrutura Neuronal

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Luminncia e BrilhoA Luminncia de um objecto uma medida absoluta e representa a intensidade da radiao (luminosa) emitida por esse objecto O Brilho a percepo que se tem da intensidade de radiao emitida pelo objecto. portanto uma medida subjectiva

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Luminncia e Brilho - ExemploA zona central de todos os quadrados possui a mesma Luminncia No entanto a nossa percepo de brilho no a mesma

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Luminncia e Brilho - ExemploBandas claras aparentam ter mais brilho prximo de bandas escuras Bandas escuras aparentam ter menos brilho quanto prximas de bandas claras

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Iluses pticas

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Iluses pticas

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Aquisio de ImagensCamera Digitiser

PC

Disk

As imagens so divididas em intervalos regulares (digitalizadas) a partir dos sinais analgicos originais20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 17

Aquisio de Imagens

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A imagem digital

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A imagem digitalX

Y

I2 I1 I1 I2

I2 I1

I2 I2 I3

I2 I3 I3 I2

I2

I2

2D pixel, como na figura. Em 3D - voxel20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 20

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Cmaras CCD

Monochrome

Colour20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 21

Varrimento

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Tomografia

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Processo de Aquisio

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Processo de AquisioEm medicina os objectos so tipicamente 3D Muito do processamento acontece em representaes 2D u(x,y) Objecto u(x,y) Original v(m,n) Objecto v(m,n) observado20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 25

Parmetros Bsicos que se Podem Controlar numa AquisioNmero dos nveis de intensidade Resoluo espacial Representao da cor

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Nveis de Intensidade (1)A intensidade do sinais de entrada quantificado de forma a se gerar o equivalente digital O nmero de nveis de intensidade dado por 2n em n o nmero de bits por pixel23 = 8 nveis 24 = 16 nveis 28 = 256 nveis 216 = 65536 nveis20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 27

Nveis de Intensidade (2)

32 levels20112011-2012

16 levels

8 levels

4 levels


Medicina Nuclear.

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Nveis de Intensidade (3)200 levels 50 levels

12 levels

6 levels

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Imagem MRI.

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Nveis de Intensidade (4)

170 levels

20 levels

80 levels

8 levels

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Imagem da retina

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Nveis de Intensidade na Imagem MdicaNormalmente o nmero de bits guardados por pixel revelam sensibilidade da tcnica a variao dos nveis de intensidade Valores tpicos:Cmara de vdeo (no mdica) MRI Medicina nuclear Raio X e TAC 8 bits 12 bits 16 bits 12 bits

Estes valores variam com o fabricante20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 31

Representao dos Nveis de Intensidade16 bits so guardados em 2 bytes (8 bits cada) A ordem desses bytes varia com os sistemas operativosWindows little-endian byte menos significativo littleprimeiro Unix big-endian byte mais significativo primeiro big-

Formatos de imagem medica modernos, como o DICOM, possuem informao de como a informao est guardada20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 32

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Resoluo Espacial (1)

N

2N

As imagens digitalizadas so constitudas por pixels, mas as reais so contnuas. Quantos pixels se devem utilizar?20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 33


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Resoluo Espacial (3)Signal sampled at 10 x frequency Signal sampled at 5 x frequency

Signal sampled at 1.5 x frequencyDistance

Uma imagem nunca pode ser amostrada a menos de 2x a frequncia mais baixa que se quer observar (Teorema de Nyquist)20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 35

Resoluo Espacial (4)256 x 256 pixels 128 x 128 pixels

64 x 64 pixels

32 x 32 pixels

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256 x 256

128 x 128

64 x 64

MRINota: A limitao da resoluo espacial surge sempre que se amplie (zoom) a imagem20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 37


200 x 300 pixels20112011-2012

100 x 150 pixels

50 x 75 pixels

25 x 37 pixels38

Medicina Nuclear


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Resoluo Espacial (7)256 x 256 pixels 128 x 128 pixels

64 x 64 pixels

32 x 32 pixels

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Resoluo Espacial (8)Nunca se deve adquirir imagens com mais resoluo do que o estritamente necessrio. Se se aumentar a resoluo de 2x:Espao de memria aumenta 4x (8x se 3D) Pixels (voxels) correspondentes a uma rea (volume menor implica um diminuio da relao sinal-rudo) sinalQuanto maior a imagem maior o tempo de processamento20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 40

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Efeito MoirA resoluo espacial de uma imagem nunca pode ser infinita num sistema digital A limitao da representao de frequncias elevadas faz surgir os padres de Moir

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CorO mundo a cores O olho humano consegue descriminar milhares de cores e apenas dezenas de tons de cinzento Cor ajuda na segmentao, identificao e classificao das tarefas, quer quando feitas automaticamente quer manualmente

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Cor Espectro Visvel

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Cor Sensibilidade do Olho Humano

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Cor - Representao

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Cor Diagrama CromticoX Vermelho Y Verde Z Azul

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Cor - Diagrama CromticoMonitor CRT

Impressora

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Cor - Representao

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Hue e SaturationHue Representa a cor dominante Saturation Representa a pureza da cor

R 255 G0 B0

R 181 G 75 B 75

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Cor

Imagem a cores20112011-2012

Imagem monocromticaMtodos de Imagem Mdica 50

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Cor em Imagem MdicaPreto e Branco Binria Escala de cinzento Brilho proporcional ao valor. Tipicamente 256 escalas. Cor Falsa pixel de valor N vai corresponder uma determinada cor numa tabela previamente definida. A imagem original pode ser monocromtica Cor Verdadeira. 3 matrizes. uma para cada cor Verdadeira. primordial: vermelho (R), verde (G), azul (B) RGB.20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 51

Cor VerdadeiraTem como objectivo a representao o mais correcta possvel da realidade Os dispositivos de aquisio so normalmente cmaras fotogrficas ou de vdeo, digitais ou analgicas A cor normalmente representada pelos modelos:RGB - Red (R), Green (G) e Blue (B) CMY Cyan (C), Magenta (M) e Yellow (Y)20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 52

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Armazenamento da CorTipicamente 3 imagens monocromticas6 bits Red, 5 bits Green, 5 bits Blue (16 bits) 216 = 65535 cores Red, Green, 8 bits por cor 2 (3*8) = 16777216 cores 10 bits por cor 2 (3*10) = 1073741824 cores

Espao ocupado por uma imagem (S)S = X*Y*C (X,Y Resoluo; C Bytes de Cor)

Se a imagem de 1024x1024 (1M) pixeis16 bits 2097152 bytes ~2.0 Mbytes 24 bits 3145728 bytes ~3.1 Mbytes 30 bits 3932160 bytes ~3.9 Mbytes

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Cor VerdadeiraImagem oftalmolgica Imagem histolgica

Imagem Endoscpia

Imagem de queimadura

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Cor FalsaEvidencia informao disponvel nas imagens a preto e branco, atribuindo uma cor a cada nvel de cinzento Melhora a interpretao da imagemObjecto especficos mais visveis til para adicionar informao sobre a imagem

Piora a interpretao da imagemIntroduz contornos artificiais Pode reduzir o contraste Aproximadamente 4% dos homens e 0.8% das mulheres possuem alguma forma de deficincia na viso a cores20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 55

Cor Falsa

Imagem de SPECT20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 56

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Cor Falsa

Ultrasom em modo-B + Doppler20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 57

Cor Falsa

Marcao de Bactrias20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 58

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Processamento de IntensidadePertencem classe mais simples de processamento:Um nico pixel processado e tem como resultado um nico pixel

Permite ajustar com a imagem usa os nveis de intensidade disponveis para a sua representao De uma forma geral:

B[x, y ] = f ( A[x, y ])A[x,y] A[x,y] Imagem original; B[x,y] imagem processada B[x,y]20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 59

Imagem NegativaB[x,y] = -A[x,y]+255 B[x,y] A[x,y]+255

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Ajuste de BrilhoBrilho Brilho20112011-2012

Valor do Pixel Mtodos de Imagem Mdica

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Ajuste de BrilhoNo ajuste de brilho, a inclinao da funo de transferncia mantm-se mantmFuno aplicada:

B[x, y ] = A[x, y ] + C(+C aumenta o brilho, -C diminui o brilho)

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Ajuste de ContrasteBrilho Brilho20112011-2012

Valor do Pixel Mtodos de Imagem Mdica

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Ajuste de ContrasteNo ajuste de contraste, a inclinao da funo de transferncia no se mantm Funo aplicada:

B[x, y ] = A[x, y ] C(C > 1 aumenta o contraste, C 1)=0.4

O nvel mximo e mnimo de intensidade representada no se altera=1.520112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 67

Correco GamaGama < 1: Contraste aumenta nas rea escuras e diminui nas claras Gama > 1: Contraste aumenta nas rea claras e diminui nas escuras No processamento de imagem normalmente usausase gamas entre [0.3, 3]20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 68

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HistogramasO histograma de uma imagem uma representao grfica do nmero de pixels com uma determinada intensidade A rea do grfico corresponde ao nmero total de pixels O histograma pode ser normalizado dividindo-se pelo dividindonmero de pixels. (Funo de densidade de probabilidade)

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Histogramas 2D possvel construir histogramas (densidades de probabilidade) que relacionem mais que uma varivel Pode por exemplo relacionar:a componente vermelha vs azul de uma imagem a cores A componente T1 e T2 de uma imagem de MRI

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HistogramasPor anlise da distribuio dos pixels no histograma pode-se retirar concluses imediatas podesobre algumas caractersticas da imagem:Maior probabilidade dos pixels corresponderem a valores de intensidade elevados imagem brilhante Maior probabilidade dos pixels corresponderem a valores de intensidade baixos imagem escura Maior probabilidade dos pixels corresponderem a a um numero limitados de nveis de intensidade imagem com baixo contraste

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Histogramas

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Histograma

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Histograma CumulativoDa integrao do histograma obtm-se o obtmhistograma cumulativo Se o histograma cumulativo for normalizado obtm-se uma probabilidade obtmde densidade cumulativa f(g) A funo f(g) representa a probabilidade de um pixel ter o valor g ou menos O histograma cumulativo sempre uma funo no negativa e crescente20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 74

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Histograma - EqualizaoA equalizao do histograma consiste transformar o histograma cumulativo original em um que seja uma recta Esta transformao maximiza o contraste da imagem Normalmente no possvel solues perfeitasCumulative Pixels5000 20000 15000 10000 2000 1000 0 0 1 2 3 4 5 6 7 5000 0 5000 20000 15000 10000 2000 1000

No of Pixels

4000 3000

4000 3000

5000 00 1 2 3 4 5 6 7

0 Pixel ValueMtodos de Imagem Mdica

Pixel Value20112011-2012

Histograma - Equalizao

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Cumulative Pixels75 76

No of Pixels

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Histograma Equalizao AdaptativaEqualizao do histograma global pode ter distribuies de probabilidades muito assimtricas, por exemplo reas de fundo muito grandes A alternativa e realizar a equalizao do histograma em reas locais e adaptar essa equalizao medida que se move ao longo da imagem Para fazer isto escolhe-se uma regio de m x n escolhepixels e equaliza-se essa regio equaliza20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 80

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Histograma Equalizao AdaptativaO tamanho da regio considerada um factor importante neste tipo de filtro Tende a por evidncia as altas frequncias espaciais da imagem

Original20112011-2012

Equalizao globalMtodos de Imagem Mdica

31x31 equalizao adaptativa

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Equalizao do Histograma Consideraes FinaisA equalizao dos histogramas assume que todos os nveis de luminncia so avaliados de igual forma, o que no verdade no caso dos observadores humanos Muitas vezes desejvel fazer a equalizao seja feita em termos de brilho e no luminncia Muitas vezes usa-se um modelo logartmico de usarepresentao da luminncia o que leva a uma funo de densidade de probabilidade hiperblica. No entanto, existem outros modelos utilizados muitas vezes dependente do problema em causa20112011-2012 Mtodos de Imagem Mdica 82

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