Reconhecimento de Padrões e Tratamento de Imagens Digitais - Guia Completo

RECONHECIMENTO DE PADRÕES Clicéres Mack Dal Bianco Tratamento de imagens digitais Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados Explicar a construção de uma imagem computacional Descrever as etapas de um sistema de processamento de imagens Identificar os componentes de um sistema de processamento de imagens Introdução A imagem computacional pode ser originária de um dispositivo como uma câmera digital que captura um momento de uma cena real contí nuo e realiza a transformação para imagem digital por meio da discre tização Quando discretizamos uma imagem os dados são organizados em uma matriz bidimensional Os sistemas de processamento de imagens precisam aprender por meio de descritores características a identificar quais são os objetos que compõem a imagem Este capítulo foi divido em três seções para possibilitar a apresentação de alguns pontos importantes sobre o processamento de imagens Na primeira seção você vai acompanhar o processo de construção de uma imagem computacional do momento de captura ao armazenamento em computador Você vai ver também como os sistemas de cores RBG e HSV são usados para representar imagens Na segunda seção serão descritas as principais etapas de um sistema de processamento de imagens desde a aquisição até a descrição dos objetos presentes em uma imagem Na terceira seção por fim serão apresentados os componentes de hardware e software que envolvem os sistemas computacionais 1 Construção de uma imagem computacional De acordo Gonzalez e Woods 2010 a imagem computacional é defi nida como matriz A imagem pode ser defi nida como uma função bidimensional f x y em que x e y são coordenadas espaciais plano e a amplitude de f em qualquer par de coordenadas x y é chamada de intensidade ou nível de cinza da imagem nesse ponto A imagem digital é composta de um número finito de elementos cada um com localização e valor específicos Esses elementos são chamados de elementos pictóricos elementos de imagem pels e pixels Pixel é o termo mais utilizado para representar os elementos de uma imagem digital Uma imagem pode ser considerada uma distribuição de energia luminosa em posição espacial Na Figura 1 foi ilustrada uma situação de iluminação no caso solar e a distribuição de energia luminosa sobre o objeto Podese observar que a iluminação distribui energia sobre o objeto Parte dessa energia luminosa é absorvida pelo objeto A parte é transmitida T e parte é refletida R sendo capturada pela câmera Conforme Azevedo e Conci 2003 a lei da energia pode ser expressa conforme a Equação 1 R T A 1 Figura 1 Captura e formação de imagem no visor da câmera Fonte Azevedo e Conci 2003 p 52 Tratamento de imagens digitais 2 Ainda na Figura 1 há a imagem formada na câmera que segundo Conci Azevedo e Leta 2008 pode ser expressa por uma função de cada fxy ixyrxy onde ixy é função da iluminação e rxy é função da refl exão do objeto A função fxy descreve a energia luminosa da imagem na coordenada espacial xy Essa função é convertida em sinal elétrico pelo dispositivo de captura e transmitida para um computador De posse dessas informações tornase possível desenvolver algoritmos de processamento de imagens análise de imagens visão computacional e todas as outras áreas de computação gráfi ca que usam imagens digitais como dado de entrada AZEVEDO CONCI 2003 A imagem é formada basicamente por dois fatores O primeiro é a quan tidade de luz existente no ambiente onde o objeto é capturado O segundo referese à reflexão dessa luz pelos objetos colocados na cena O termo ixy indica iluminação no ponto xy Considerase a função f como o produto entre duas funções i e r referemse respectivamente à característica do ambiente e à do objeto GONZALEZ WOODS 2010 O dispositivo de aquisição de imagens mais utilizado atualmente é a câ mera CCD chargecoupled device que consiste em uma matriz de células semicondutoras fotossensíveis que atuam como capacitores armazenando carga elétrica proporcional à energia luminosa incidente Para capturar uma imagem colorida por meio de uma câmera é necessário que o CCD tenha um conjunto de filtros encarregados de decompor a imagem colorida em componentes R red G green e B blue Após a energia luminosa sensi bilizar um dispositivo de captação a imagem passará a ser processada pelo computador Assim para que os computadores possam manipulála uma imagem deve ser formatada Para ser processada pelo computador a imagem é digitalizada convertida de contínua real para uma representação discreta digital discretizada Em outras palavras a forma de representar o mundo contínuo no computador é discretizandoo Desse modo a imagem pode ter uso computacional podendo depois ser armazenada na forma de arquivo CONCI AZEVEDO LETA 2008 O Quadro 1 demonstra as tapas da discretização à codificação e viceversa 3 Tratamento de imagens digitais Fonte Adaptado de Azevedo e Conci 2003 Processos Conceitos Discretização Processo de conversão da imagem na forma contínua em uma representação discreta Normalmente esse processo também é chamado de digitalização se a representação for números inteiros e positivos Codificação Significa a modificação de características de um sinal para tornálo mais apropriado para uma aplicação específica como para transmissão ou armazenamento de dados Gera um conjunto de dados facilitando sua transmissão e armazenagem Reconstrução Processo inverso da discretização em que é possível obter apenas uma aproximação da imagem contínua Decodificação Processo oposto à codificação em que acessam informações codificadas na forma de uma representação discreta Quando uma imagem discretizada é igual a codificada dizse que não ocorrem perdas Quadro 1 Etapas da discretização à codificação e vice versa Uma imagem em escala de cinza ou monocromática pode ser representada em uma matriz bidimensional Já as imagens coloridas ou multibanda neces sitam de matriz três dimensões Não existe um conjunto de cores finito que produza todas as cores mas sabese que grande parte delas pode ser produzida a partir de três cores primárias vermelho verde e azul conhecidas como cores primárias RGB No caso de imagens RGB cada matriz armazena a intensidade de cada canal e a composição das três cores forma a imagem que é vista no monitor Sistemas de cores O sistema de cor é um modelo que explica as propriedades ou o comporta mento das cores em determinado contexto Usamse modelos para descrever característica de cores Neste capítulo serão apresentados o RGB e o HSV No sistema de cor RGB cada cor aparece em seus componentes primários de vermelho verde e azul Esse modelo se baseia em um sistema de coordenadas cartesianas O subespaço de cores de interesse é o cubo apresentado na Figura 2 Os valores RGB primários estão em três vértices As cores secundárias ciano Tratamento de imagens digitais 4 magenta e amarelo estão em outros três vértices O preto está na origem O branco por fim está no vértice mais distante da origem Figura 2 Espaço de cores RGB representado pelo cubo Fonte Gonzalez e Woods 2010 p 265 Ciano Branco Verde Amarelo Vermelho 100 001 010 Preto Magenta Azul B G R Escala de cinza Observe que a escala de cinza pontos de valores RGB iguais estendese do preto até o branco ao longo do segmento de reta que une esses dois pontos As diferentes cores nesse modelo são pontos no cubo ou dentro dele e são definidas por vetores que se estendem a partir da origem Esse sistema de cores é teoricamente adequado para implementações em hardware Porém o RGB não é muito adequado para descrever cores em termos práticos para a interpretação humana Por exemplo não nos referimos à cor de um carro dando a porcentagem de cada uma das primárias que compõe a cor Além disso não pensamos em imagens coloridas como compostas de três imagens primárias que se combinam para formar uma única imagem Quando vemos um objeto em cores nós o descrevemos em termos de matiz saturação e brilho O sistema de cor HSI hue saturation intensity matiz saturação intensidade que corresponde estreitamente à forma como os seres humanos descrevem e interpretam as cores Pense nos matizes como sendo as cores que você pode ver em um disco de cores Em termos técnicos matiz baseiase no 5 Tratamento de imagens digitais comprimento de onda de luz refletida de um objeto ou transmitida por ele A saturação também chamada de croma é a quantidade de cinza em uma cor Quanto mais alta a saturação mais baixo é o conteúdo e mais intensa é a cor O brilho é uma medida de intensidade da luz em uma cor fonte cores O modelo HSI também possui a vantagem de separar as informações de cor e de escala de cinza da imagem sendo mais adequado para muitas técnicas de processamento de imagens em níveis de cinza Espaço HSI é representado por um eixo de intensidade vertical e o conjunto de pontos de cor localizados em planos perpendiculares a esse eixo Nesse plano você pode observar que as cores primárias são separadas por 120 As cores secundárias estão a 60 das primárias o que significa que o ângulo entre as secundárias também é de 120 Figura 3a O matiz do ponto é determinado por um ângulo a partir de algum ponto de referência Normalmente mas nem sempre um ângulo de 0 a partir do eixo vermelho indica matiz 0 e o matiz aumenta no sentido antihorário a partir desse ponto Por sua vez a saturação distância a partir do eixo vertical é o comprimento do vetor a partir da origem até o ponto Observe que a origem é definida pela interseção dos planos de cor com o eixo de intensidade vertical Figura 3b Os componentes importantes do espaço de cores HSI são o eixo de intensidade vertical o comprimento do vetor até um ponto de cor e o ângulo desse vetor em relação ao eixo vermelho Figura 3 Espaço de cores HSV Fonte Gonzalez e Woods 2010 p 265 Verde Amarelo Verde Amarelo Vermelho Ciano Branco Azul Magenta a b Vermelho Ciano H S Azul Magenta As imagens reais possuem um número ilimitado de cores ou tons No pro cessamento de imagens computacional é necessário limitar os níveis de cores ou tons possíveis de serem atribuídos a cada pixel da imagem gradação tonal Tratamento de imagens digitais 6 Os sistemas de processamento de imagens são utilizados para o reconhe cimento de padrões A próxima seção apresenta as principais etapas desses sistemas 2 Etapas de um sistema de processamento de imagens O fl uxograma da Figura 4 apresenta as principais etapas de um sistema de processamento de imagens Com ele é possível ter uma ideia dos processos que podem ser aplicados às imagens como diferentes propósitos Figura 4 Principais etapas de um sistema de processamento de imagens Fonte Pedrini e Schwartz 2007 p 4 Domínio do problema Aquisição Préprocessamento Segmentação Base de conhecimento Resultado Representação e descrição A aquisição de imagens é o primeiro processo que pode ser tão simples quanto receber uma imagem que já esteja em formato digital ou realizar o processo de captura por um dispositivo e convertêla em uma representação adequada ao processo subsequente Em geral o estágio de aquisição envolve o redimensionamento de imagens 7 Tratamento de imagens digitais O préprocessamento diz respeito ao processamento para remover algum ruído da imagem A Figura 5a apresenta uma imagem com o ruído conhecido como sal e pimenta salt and pepper e a Figura 5b apresenta a imagem sem ruído que foi removido com filtro de mediana Também podese manipular a imagem para que o resultado seja mais adequado por meio de técnicas de realce PEDRINI SCHWARTZ 2007 As técnicas de realces são variadas e direcionadas de acordo com a especificidade Os métodos úteis para realce de imagens radiográficas podem não ser úteis para imagens de satélite por exemplo Figura 5 a Ruído sal e pimenta e b resultado após aplicação de filtro para remover o ruído Fonte Adaptada de Gonzalez e Woods 2010 p 209 A segmentação envolve os procedimentos para dividir uma imagem em suas partes ou objetos constituintes Em geral a segmentação autônoma é uma das tarefas mais difíceis do processamento digital de imagens Um procedimento de segmentação de imagens bemsucedido aumenta as chances de sucesso na solução de problemas que requerem que os objetos sejam individualmente identificados Por outro lado algoritmos de segmentação fracos ou incon sistentes quase sempre asseguram falha no processamento Normalmente quanto mais precisa for a segmentação maiores serão as chances de sucesso no reconhecimento dos objetos A etapa da segmentação segundo Pedrini e Schwartz 2007 envolve técnicas para identificação de descontinuidade início e fim de uma borda e similaridade de regiões A Figura 6a apresenta a imagem fornecida como entrada para segmentar as estruturas de dente dentina canal e pino e a Figura 6b o resultado da segmentação as dentinas são verdes os canais são as partes vermelhas e os pinos estão apresentados com a cor azul Tratamento de imagens digitais 8 Figura 6 a Estruturas de dentes em imagens de MicroCT e b Resultado da segmentação Fonte Pinho 2020 documento online Um método também deve ser especificado para descrever os dados de modo que as características de interesse sejam enfatizadas O processo de descrição também chamado de seleção de características lida com a extração de atributos que resultam em alguma informação quan titativa de interesse ou que possam ser utilizados para diferenciar uma classe de objetos de outra Por sua vez o reconhecimento é o processo que atribui um rótulo por exemplo veículo a um objeto com base em seus descritores O conhecimento sobre o domínio do problema está codificado em um sistema de processamento de imagens na forma de uma base de conhecimento banco de dados Esse conhecimento pode ser tão a simples quanto o detalhamento de regiões de uma imagem em que se sabe que a informação de interesse pode ser localizada limitando dessa forma a busca que precisa ser conduzida na procura daquela informação b complexa como uma lista interrelacionada de todos os principais defeitos possíveis em um problema de inspeção de materiais ou um banco de imagens contendo imagens de satélite de alta resolução de uma região em conexão com aplicações de detecção de mudanças Além de orientar a operação de cada etapa de processamento a base de conhecimento pode controlar a interação entre as etapas Você deve ter percebido que os dispositivos desempenham um papel impor tante nos sistemas de processamento de imagens tais como câmeras e sensores 9 Tratamento de imagens digitais para captura de imagens e dispositivos de armazenamento Na próxima seção você vai acompanhar detalhes dos dispositivos diretamente relacionados aos sistemas de processamento de imagens 3 Componentes de um sistema de processamento de imagens O crescente avanço tecnológico e a demanda de determinadas áreas de aplica ção incentivaram os dispositivos a evoluírem signifi cativamente nas últimas décadas Os parâmetros de funcionalidade e desempenho dos dispositivos são dependentes em grande parte das áreas que os utilizam No caso de processamento de imagens os dispositivos podem ser usados nas etapas de aquisição armazenamento processamento transmissão e exibição de imagens conforme apresenta a Figura 7 Figura 7 Componentes de um sistema de processamento de imagens Fonte Pedrini e Schwartz 2007 p 5 Rede de computadores Monitores Impressoras Processador Processamento Exibição Aquisição Tomógrafos Câmeras Digitalizadores Fitas magnéticas Discos magnéticos Discos ópticos Bibliotecas Módulos Pacotes Armazenamento Programas Na etapa de aquisição dispositivos sensíveis a uma certa banda do espectro eletromagnético como raio X ou raio infravermelho produzem um sinal elétrico de saída proporcional ao nível de energia detectado Esse sinal elétrico Tratamento de imagens digitais 10 é convertido em informação digital tornando possível sua interpretação por meio de computadores Dentre os diversos tipos de dispositivos existentes segundo Gonzalez e Woods 2010 os mais comuns são câmeras de vídeo tomógrafos médicos digitalizadores scanners e satélites Os dispositivos de aquisição podem apre sentar características diferentes em termos de resolução espacial velocidade de operação precisão e custo Imagens e vídeos requerem alta capacidade de armazenamento Veja os exemplos a seguir 1 Uma imagem colorida de 1024 1024 pixels cada pixel representado por 24 bits requer 3 MB para seu armazenamento sem compressão 2 Um vídeo com duração de 1 minuto formado por imagens de 512 512 pixels exibidas a uma taxa de 30 imagens por segundo cada pixel representado por 24 bits requer aproximadamente 14 GB para seu armazenamento Um modo de prover o armazenamento temporário é a memória principal do computador Outra opção é o uso de placas gráficas especializadas frame buffers que armazenam uma ou mais imagens permitindo alta velocidade de acesso por exemplo 30 imagenssegundo A capacidade de armazenamento de uma placa gráfica é limitada pelo seu tamanho físico e pela densidade dos circuitos de memória utilizados Discos magnéticos são outra forma de armazenamento podendo atingir dezenas de gigabytes de armazenamento O armazenamento de imagens também pode ser caracterizado por grandes volumes de informações mas sem a necessidade de acesso frequente Os cartões SSD também são utilizados como meios de armazenamento nessas situações As imagens digitais e os vídeos também podem ser armazenados na nuvem cloud ou em storages O arquivamento cloud é oferecido gratuitamente por algumas empresas mas com pouco espaço de armazenamento Também é oferecida a opção de expandir o espaço adquirindo planos mensais Alguns sites são ligados a provedores de email como o Google Drive Google e apli cações de escritório como o One Drive Microsoft Entretanto existem vários outros sites como o Dropbox e o Mega que são exclusivamente dedicados ao armazenamento cloud Além disso técnicas de compressão de imagens podem reduzir significativamente a quantidade de informações a ser armazenada A transmissão de imagens digitais entre sistemas de computadores locais ou remotos pode ser realizada por meio de protocolos de comunicação existentes nas redes de computadores disponíveis A transmissão de imagens a longas 11 Tratamento de imagens digitais distâncias pode ser um desafio em virtude da grande quantidade de dados contidos em uma imagem especialmente quando os canais de comunicação possuem baixa velocidade e banda passante estreita Porém com advento do ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line e da fibra ótica é possível que sejam transferidas imagens em tempo reduzido Para a exibição de imagens além dos monitores de vídeo há diversas formas em papel A reprodução fotográfica possui alta qualidade As impressoras térmicas coloridas apresentamse como uma opção baseandose na deposição de cera colorida sobre um papel especial para produzir a impressão Outros tipos incluem as impressoras a laser para exibir imagens em papel A unidade de processamento pode variar conforme o nível de desempenho requerido pela aplicação Determinadas tarefas podem demandar alto poder de processamento como o reconhecimento de objetos em tempo real Entretanto segundo Pedrini e Schwartz 2007 muitos sistemas de processamento de ima gens podem ser atualmente executados em microcomputadores convencionais Os programas para processamento de imagens consistem em rotinas ou módulos específicos para realizar uma determinada tarefa As bibliotecas como OpenGL Open Graphics Library podem ser integradas em códigos desenvolvidos por usuários ou em pacotes sofisticados de processamento de imagens Neste capítulo você acompanhou a construção de uma imagem digital desde a captura até suas formas de representação Além das etapas de pro cessamento de imagens você pode ver que na prática algumas etapas são mais dispendiosas que outras por exemplo a segmentação pode ser muito mais trabalhosa que a fase de préprocessamento Você estudou também os principais componentes em relação a hardware e software que envolvem o processamento de imagens Este capítulo lhe forneceu as bases para o tratamento de imagens Se por exemplo você deseja corrigir as cores de uma imagem serão necessários ajustes de brilho ou de contraste fase de préprocessamento ou ainda a conversão de espaço de cor que possibilitará que mais padrões sejam identificados na imagem Outro exemplo é o acabamento de uma imagem usada em fotografia Para realizar esse acabamento usamos softwares com ferramentas capazes de reconhecer os diferentes tons de pele de uma face por exemplo e podem ser removidas as imperfeições da pele Tratamento de imagens digitais 12 AZEVEDO E CONCI A Computação gráfica teoria e prática Rio de Janeiro Elsevier 2003 CONCI A AZEVEDO E LETA F R Computação gráfica Rio de Janeiro Elsevier 2008 v 2 GONZALEZ R C WOODS R E Processamento digital de imagens 3 ed São Paulo Pearson 2010 PEDRINI H SCHWARTZ W R Análise de imagens digitais princípios algoritmos e apli cações São Paulo Cengage Learning 2007 PINHO M S Pósgraduação em Ciência da Computação computação gráfica Porto Alegre PUCRS 2020 Disponível em httpswwwinfpucrsbrpinhoCGPPGCC TrabalhosT320201T320201html Acesso em 1 set 2020 Leitura recomendada INFORTREND BRASIL Armazenamento de imagens S l Infortrend Brasil c2016 Dis ponível em httpwwwinfortrendbrasilcombrarmazenamentodeimagens 2018 Acesso em 1 set 2020 Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados e seu fun cionamento foi comprovado no momento da publicação do material No entanto a rede é extremamente dinâmica suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo Assim os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade precisão ou integralidade das informações referidas em tais links 13 Tratamento de imagens digitais Conteúdo SAGAH SOLUÇÕES EDUCACIONAIS INTEGRADAS