Espacodecores

Capítulo 6\nProcessamento de imagens coloridas\nApenas após anos de preparação é que o jovem artista deveria tocar a cor — não a cor utilizada de forma descritiva, mas como uma forma de expressão pessoal.\nHenri Matisse\nPor muito tempo eu me limitei a uma cor — como uma forma de disciplina.\nPablo Picasso\n\nApresentação\nA utilização da cor no processamento de imagens é motivada por dois fatores principais. Para começar, a cor é um poderoso descritor que muitas vezes simplifica a identificação do objeto e sua extração de uma cena. Em segundo lugar, os seres humanos são capazes de discernir milhares de tons e intensidades de cor, em comparação com apenas duas dúzias de tons de cinza. Esse segundo fator é particularmente importante na análise manual (isto é, realizada por seres humanos) de imagens.\nO processamento de imagens coloridas é dividido em duas áreas principais: processamento de imagens coloridas e pseudocores. Na primeira categoria, as imagens em questão normalmente são adquiridas com um sensor de cores reais, como uma TV em cores ou um digitalizador colorido. Na segunda categoria, o problema consiste na reconstrução de uma cor a uma intensidade monocromática específica, ou a uma faixa de intensidades. Até recentemente, a maior parte do processamento digital de imagens coloridas era realizada no nível das pseudocores. Contudo, na última década, sensores coloridos e hardwares para o processamento de imagens coloridas foram disponibilizados a preços razoáveis. O resultado disso são técnicas de processamento de imagens em cores reais atualmente utilizadas em uma ampla variedade de aplicações, incluindo a indústria gráfica, visualização e a Internet.\nFicará claro, nas discussões a seguir, que alguns métodos de processamento empregados em imagens em escala de cinza que analisamos nos capítulos anteriores são diretamente aplicáveis a imagens coloridas. Outros métodos requerem reformulação para serem compatíveis com as propriedades dos espaços de cores desenvolvidos neste capítulo. As técnicas que descrevemos aqui são apenas introdutórias e ilustram a variedade de métodos disponíveis para o processamento de imagens coloridas.\n\n6.1 Fundamentos das cores\nApesar do processo seguido pelo cérebro humano na percepção e interpretação das cores constituir-se em um fenômeno fisiológico ainda não plenamente compreendido, a natureza física da cor pode ser formalmente expressa com base em resultados experimentais e teóricos.\nSe a luz for acromática (sem cores), seu único atributo será sua intensidade, ou quantidade. A luz acromática é aquela que se vê em um aparelho de televisão preto e branco, e tem sido um componente implícito na nossa discussão sobre processamento de imagens até agora. Como definimos no Capítulo 2, e utilizamos várias vezes desde então, o termo nível de cinza se refere a uma medida escalare de intensidade que varia do preto, passando pelos cinza, até o branco.\nA luz cromática engloba o espectro de energia eletromagnética de aproximadamente 400 a 700 nm. Três valores básicos são utilizados para descrever a qualidade de uma fonte de luz cromática: radiação, luminância e brilho. A radiação é a quantidade total de energia que flui da fonte de luz normalmente e é medida em watts (W). A luminância, medida em lumens (lm), mede a quantidade de energia que um observador percebe de uma fonte de luz. Por exemplo, a luz emitida de uma fonte operando na região do infravermelho distante poderia ter uma energia significativa (radiação), mas um observador dificilmente a perceberia; sua luminância seria quase zero. Por fim, o brilho é um descritor subjetivo, praticamente impossível de ser medido. Ele incorpora a noção acromática de intensidade e é um dos principais fatores na descrição da sensação de cores.\nComo observamos na Seção 2.1.1, os seres humanos, como todos os cones do olho humano (6 a 7 milhões) podem ser divididos em três principais categorias de sensoriamento, aproximadamente correspondentes ao vermelho, ao verde e ao azul. Dentro todos os cones existentes no sistema visual humano, 65% são sensíveis à luz vermelha, 33% são sensíveis à luz verde e aproximadamente 2% deles são sensíveis ao azul (mas os cones azuis são os mais sensíveis). Na Figura 6.3, são apresentadas curvas experimentais médias detalhando a absorção da luz pelos cones vermelho, verde e azul do olho humano. Em virtude dessas características de absorção do olho humano, as cores são vistas como combinações das chamadas cores primárias: vermelho (R, de red), verde (G, de green) e azul. Figura 6.1\nEspectro de cores visto pela passagem de luz branca através de um prisma. (Imagem original: cortesia da General Electric Co., Lamp Business Division.)\n\nBasicamente, as cores percebidas pelos humanos e outros animais em um objeto são determinadas pela natureza da luz refletida pelo objeto. Como ilustrado na Figura 6.2, a luz visível é composta de uma banda de freqüências relativamente estreita no espectro de energia eletromagnética. Um corpo que reflete a luz de forma balanceada em todos os comprimentos de onda visíveis é percebido como branco pelo observador. No entanto, um corpo cujo feixe de reflexão em uma faixa limitada do espectro visível exibe alguns tons de cores. Por exemplo, objetos verdes refletem a luz com comprimentos de onda primariamente no intervalo de 500 a 570 nm enquanto absorvem a maior parte da energia dos outros comprimentos de onda.\nA caracterização da luz é fundamental para a ciência das cores. Se a luz for acromática (sem cores), seu único atributo será sua intensidade, ou quantidade. A luz acromática é aquela que se vê em um aparelho de televisão preto e branco, e tem sido um componente implícito na nossa discussão sobre processamento de imagens até agora. Como definimos no Capítulo 2, e utilizamos várias vezes desde então, o termo nível de cinza se refere a uma medida escalare de intensidade que varia do preto, passando pelos cinza, até o branco. Figura 6.2\nComprimentos de onda englobando a faixa visível do espectro eletromagnético. (Imagem original: cortesia da General Electric Co., Lamp Business Division.)\n\nFigura 6.3\nAbsorção da luz pelos cones vermelho, verde e azul no olho humano como uma função do comprimento de onda.\n(B, de blue). Para fins de padronização, a CIE (Comissão Internacional de l'Eclairage — Comissão Internacional de Iluminação) determinou em 1931 os seguintes valores específicos para comprimentos de onda das três cores primárias: azul = 435,8 nm, verde = 546,1 nm e vermelho = 700 nm. Esse padrão foi definido antes de as curvas experimentais apresentadas na Figura 6.3 terem sido descobertas em 1965. Dessa forma, os padrões da CIE correspondem, aproximadamente, aos dados experimentais. Observamos, nas figuras 6.2 e 6.3, que nenhuma cor pode ser chamada isoladamente de vermelho, verde ou azul. Além disso, é importante ter em mente que três comprimentos de onda específicos para as cores primárias para fins de padronização não significa que esses três componentes RGB fixos, atuando sozinhos, possam gerar todo o espectro de cores. A utilização da palavra primário tem sido amplamente mal-interpretada, levando a crer que os três padrões primários, quando misturados em diversas proporções de intensidade, podem produzir todas as cores visíveis. Como veremos em breve, essa interpretação não é correta, a não ser que o comprimento de onda também possa ser variado, como em que deixaremos de ter como padrão três cores primárias fi. uma cor que subtrai ou absorve uma cor primária de luz e reflete ou emite as outras duas. Dessa forma, as cores primárias de pigments são o magenta, o ciano e o amarelo, e as cores secundárias são o vermelho, o verde e o azul. Essas cores são representadas na Figura 6.4 (b). Uma mistura aditiva das três cores primárias de pigmentos, ou uma secundária com sua primária oposta, produziu o preto.\n\nA recepção da televisão de cores é um exemplo da natureza aditiva das cores da luz. O interior de um, tubo de raios catódicos (CRT, de cathode ray tube) de uma tela de TV colorida é composto de um grande arranjo de padrões triangulares de pontos de material fluorescente sensíveis aos elétrons. Quando excitado, cada ponto do padrão triangular produz luz em uma das cores primárias. A intensidade dos pontos de material fluorescente que emite o vermelho é modulada por um canhão de elétrons dentro do tubo, que gera pulsos correspondentes à “energia vermelha” capturada pela cena de TV. Os pontos verdes e azuis do padrão triangular só modulam das mesmas formas. O efeito, visto no receptor de televisão, é que as três primárias de cada padrão triangular de pontos de material fluorescente são “acionadas” e recibidas pela conexão dos olhos sensíveis às cores como uma imagem colorida. Trinta mil linhas de imagens sucessivas por segundo em todas as três cores completam a ilusão da exibição de imagem continua na tela.\n\nOs monitores CRT estão sendo substituídos por tecnologias digitais de \"tela plana\", como monitores de cristal líquido (LCDs, de liquid crystal display) e monitores de plasma. As cores são fundamentalmente diferentes dos tubos de raios catódicos, essas e outras tecnologias similares utilizam o mesmo princípio no sentido em que todas requerem três subpixels (vermelho, verde e azul) para gerar um único pixel colorido. Os LCDs utilizam propriedades de luz polarizada para bloquear ou 'passar' a luz através da tela de LCD e, no caso da tecnologia de monitor de matriz ativa, transistores de película fina (TFTs, de thin film transistor) são utilizados para emitir os sinais adequados para lidar com cada pixel na tela. Filtrros de luz são utilizados para produzir as três cores primárias de luz em cada ponto triangular de pixels. Nas unidades de plasma, os pixels são minúsculas células que cobertas com material fluorescente para produzir uma das três cores primárias. As células individuais são tratadas de modo análogo aos LCDs. A capacidade de coordenação desse padrão triangular individual de pixels constituiu os fundamentos dos monitores digitais. As características geralmente utilizadas para distinguir uma cor da outra são brilho, matiz e saturação. Como já afirmamos nesta seção, o brilho aborda a noção aritmética da intensidade. Matiz é o atributo associado ao comprimento de onda dominante em uma mistura de ondas de luz. Assim, o matiz representa a cor dominante percebida por um observador. Dessa forma, quando dizemos que um objeto é vermelho, laranja ou amarelo, estamos nos referindo ao seu matiz. A saturação se refere à pureza relativa ou à quantidade de luz branca na mistura da um matiz. As cores puras do espectro são totalmente saturadas. Cores como o rosa (vermelho e branco) e o lilás (violeta e branco) são menos saturadas, com o grau de saturação sendo inversamente proporcional à quantidade de luz branca adicionada.\n\nO matiz e a saturação juntos são chamados de cromaticidade e, dessa forma, uma cor pode ser caracterizada por seu brilho e sua cromaticidade. As quantidades de vermelho, verde e azul necessárias para formar qualquer cor em particular são chamadas de valores de tristímulo e expressas como X, Y e Z, respectivamente. Uma cor é, então, especificada por seus coeficientes tricromáticos, definidos como:\n\nx = \\frac{X}{X + Y + Z} (6.1-1)\ne = \\frac{Y}{X + Y + Z}\ne = \\frac{Z}{X + Y + Z} (6.1-3)\n\nObservamos, a partir dessas equações, que:\n\nx + y + z = 1.\n\nPara qualquer combinação de onda de luz não espectro visível, os valores de tristímulo necessários para produzir a cor correspondente a esse comprimento de onda podem ser obtidos diretamente das curvas ou tabelas que foram compiladas a partir de abrangentes resultados experimentais [Poynton (1996); veja também referências de Walsh (1958) e Kiver (1965)]. A extensão desse procedimento às três cores é direta. Para definir a escala de cores que pode ser obtida a partir das três cores fixas no diagrama de cromaticidade, simplesmente traçamos segmentos de reta conectando cada uma das três cores de cor. O resultado é um triângulo, e qualquer ponto na fronteira ou dentro do triângulo pode ser produzido a partir de combinações das três cores iniciais. Um triângulo com vértices em quase três cores fixas não pode delimitar toda a região de cores da Figura 6.5. Essa observação está graficamente de acordo com a afirmação feita anteriormente de que nem todas as cores podem ser obtidas a partir de apenas três cores primárias fixas.\n\nO triângulo da Figura 6.6 mostra uma faixa típica de cores (chamada de gama de cores) reproduzida por monitores RGB. A gama de cores reproduzidas pelos dispositivos de impressão colorida de alta qualidade. A fronteira da gama de cores de impressão é irregular porque a impressão colorida é a combinação de uma mistura aditiva e subtrativa de cores, um processo muito mais difícil de controlar do que a exibição de cores em um monitor, que se baseia na adição de três primárias de luz controláveis. os modelos orientados para hardware mais utilizados na prática são o modelo RGB (red, green, blue — vermelho, verde, azul) para monitores coloridos e uma ampla classe de câmeras de vídeo em cores; o modelo CMY (cyan, magenta, yellow — ciano, magenta, amarelo) e o modelo CMYK (cyan, magenta, yellow, black — ciano, magenta, amarelo, preto) para a impressão colorida; e o modelo HSI (hue, saturation, intensity — matiz, saturação, intensidade), que corresponde extremamente à forma como seres humanos percebem e interpretam as 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 das técnicas de processamento de imagens em níveis de cinza apresentadas neste livro. Existem inúmeros modelos de cores em uso atualmente, em virtude da ciência das cores constituir um campo amplo que engloba várias áreas de aplicação. É tentador não deter-se, aqui, em alguns desses modelos simplesmente por serem interessantes e informativos. No entanto, nos restringindo ao nosso objetivo, os modelos discutidos neste capítulo são os principais modelos para o processamento de imagens. Depois de dominar o material aqui apresentado, você não terá dificuldades em compreender outros modelos de cores utilizados atualmente. ter um subconjunto de cores com mais chance de serem reproduzidos com fidelidade, de forma razoavelmente independente dos recursos de hardware do sistema de exibição. O subconjunto de cores é chamado de conjunto de cores RGB seguros em todos os sistemas. Em aplicações na Internet, elas são chamadas de cores seguras para web ou cores seguras do navegador. Assumindo que 256 cores é o número mínimo de cores que podem ser reproduzidas com fidelidade por qualquer sistema no qual um resultado desejado provavelmente seria obtido, é útil ter uma notação padronizada para nos referir a essas cores. Sabe-se que 40 dessas 256 cores são processadas de forma diferente por vários sistemas operacionais, deixando apenas 216 cores comuns a maior número de sistemas. Essas 216 cores se tornam o padrão de fato para as cores seguras, especialmente em aplicações na Internet. Elas são utilizadas sempre que se deseja que as cores vistas pela maioria das pessoas tenham a mesma aparência. Lembre-se que os números hexadecimais 0, 1, 2, ..., 9, A, B, C, D, E, F correspondem aos números decimais 0, 1, 2, ..., 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15. Lembre-se também que (0) = (0000), e (F) = (1111). Assim, por exemplo, (FF) = (255) = (11111111), e vemos que o agrupamento de dois números hexadecimais forma um byte de 8 bits. Como são necessários três números para formar uma cor RGB, cada cor é formada a partir de três dos números hexadecimais de dois dígitos da Tabela 6.1. Por exemplo, o vermelho mais puro é FFFF00, os valores (R) = 255 (B) = 0 e (G) = 0 representam vermelho. 268\nProcessamento digital de imagens\n\ndo arranjo superior esquerdo tem valor FFFFFF (branco), o segundo quadrado à sua direita tem valor FFFFFC, o terceiro quadrado tem valor FFFF9, sem por diante para a primeira linha. A segunda linha do mesmo arranjo junta valores FFFFFC, FFCCCF, FC9C9, e assim por diante. O quadrado final desse arranjo tem valor F00000 (o vermelho mais intenso possível), o segundo arranjo à direita do que acabamos de analisar compreende como o valor CCFFFF é processado da mesma forma, bem como os quadrados. O quadrado final (inferior direito) do último arranjo tem valor 000000 (preto). É importante notar que nem todos os dezesseis valores possíveis são incluídos nas 216 cores seguras. A Figura 6.10(b) mostra os códigos hexadecimais para todos os dezesseis possíveis em um sistema RGB de 256 cores. Alguns desses valores não estão inclusos no conjunto de cores seguras, mas são apropriadamente representados (em termos de suas intensidades relativas) pela maioria dos sistemas de exibição. Os cinco do grupo de cores seguras (KKKKKK)j, para j = 3, 6, 9, C, e R, são mostrados exibidos na Figura 6.10(b).\n\nA maioria dos dispositivos que depositam pigmentos coloridos sobre o papel, como impressoras e copidores, nas cores claras, requer dados de entrada CMY que realmente uma conversão de RGB a CMY. Essa conversão é realizada utilizando a operação simples\n\nC = 1 - R\nM = 1 - G\nY = 1 - B\n(6.2-1)\n\nna qual, novamente, assumimos que todos os valores de cores tinham sido normalizados para o intervalo [0, 1]. A Equação 6.2-1 demonstra que a luz refletida de uma superfície coberta com ciano puro não contém vermelho (isto é, C = 1 - R na equação). De forma similar, o magenta puro não reflete o verde, e o amarelo puro não reflet e o azul. A Equação 6.2-1 permite que valores RGB podem ser facilmente obtidos a partir de um conjunto de valores CMY subtraídos os valores CMY individualmente. 1. Como explicado anteriormente, em processamento de imagem esse modelo de cores é utilizado em conexão com a geração de saídas impressas; assim, a operação inversa de CMY para RGB geralmente não é de interesse prática.\n\nDe acordo com a Figura 6.4, quantidades iguais de pigmentos primários, ciano, magenta e amarelo, devem produzir o preto. Na prática, a combinação dessas cores para a impressão produz um tipo de aparência tri- -dura. Dessa forma, para produzir o verdadeiro preto (que é o que é predominante na impressão), uma quarta cor, o preto, é adicionada, gerando o modelo de cores CMYK. Assim, quando os profissionais da indústria gráfica falam de \"impressão a quatro cores\", eles estão se referindo às três cores do modelo de cores CMY mais o preto.\n\n6.2.3 O modelo HSI de cores\n\nComo vimos, a criação de cores nos modelos RGB e CMY e a conversão de um modelo ao outro representam um processo direto. Como observado anteriormente, esses sistemas de cores são teoricamente adequados para implementações em hardware. Além disso, o sistema RGB se adapta muito bem ao fato de que o olho humano ser bastante perceptivo às cores primárias vermelho, verde e azul. Infelizmente, o RGB, o CMY e outros modelos similares de cores não são muito adequados para descrever cores em termos práticos para a interpretação humana. Por exemplo, não nos referimos a cor de um carmim da porcentagem de cada uma das primárias que compõem a cor. Além disso, não pensamos em imagens coloridas como compostas de três imagens primárias que se combinam para formar uma única imagem.