Aquisição de imagem

Numa perspetiva matemática, a imagem pode ser vista como uma representação matricial17 com dimensão finita, composta por um dado número de linhas e colunas, sendo os seus elementos constituintes associados aos píxeis que compõem o sensor de imagem. Cada píxel da imagem possui um nível de quantização, L, dado por

n

L=2 , (3.8)

em que n corresponde ao número de bits por píxel, definindo o que se designa por profundidade da imagem. Deste modo, cada píxel está associado a um número digital

17

Em alternativa às imagens digitais matriciais (também designadas por imagens raster), existem imagens digitais do tipo vetorial compostas por elementos geométricos bem definidos (curvas, elipses, polígonos, carateres de texto, entre outros) que permitem o redimensionamento da imagem sem perda de qualidade, sendo possível a sua conversão para imagem matricial para efeito de visualização ou impressão.

compreendido entre 0 e 2n-1 (inclusive), requerendo n bits para armazenamento em memória determinando, deste modo, a dimensão computacional da imagem.

Esta escala de número digital exprime a intensidade radiométrica associada a cada píxel da imagem, justificando a designação de bitmap atribuída à imagem por constituir um mapeamento de bits onde, em regra, o canto superior esquerdo da imagem constitui a origem do referencial associado ao número de linha e de coluna de cada píxel. O número digital máximo, a profundidade ou o número de bits definem a

resolução radiométrica da imagem que, deste modo, exprime a capacidade de

distinção da diferença de intensidade radiométrica nos objetos visualizados, constituindo um elemento que carateriza a qualidade da imagem inicial (sem processamento), procurando-se adotar um valor que estabeleça um equilíbrio entre um contraste satisfatório do objeto de interesse (no caso em estudo, os alvos do referencial de medição) em relação ao meio envolvente visualizado e uma dimensão computacional da imagem reduzida. O Quadro 3.5 ilustra a relação computacional entre a dimensão da imagem original e a respetiva profundidade, tendo em conta o número de píxeis do sensor de imagem.

Quadro 3.5: Dimensão computacional de imagem original. Número de píxeis na imagem

(106)

Profundidade da imagem (Mbytes)

8 bits 10 bits 12 bits

0,3 0,3 0,4 0,5 0,5 0,5 0,6 0,8 0,9 0,9 1,1 1,4 1,2 1,2 1,5 1,8 1,5 1,5 1,9 2,3 1,9 1,9 2,4 2,9 2,5 2,5 3,1 3,8 3,4 3,4 4,3 5,1 4,9 4,9 6,1 7,4

Para além da resolução radiométrica, o número total de píxeis é também um

elemento de caraterização de dimensão computacional da imagem, frequentemente utilizado de forma incorreta para expressar o nível de detalhe dimensional dos objetos visualizados. Este tipo de resolução é, em regra, expresso por dois números inteiros positivos correspondendo, respetivamente, ao número de linhas e colunas de píxeis do sensor de imagem. Pode também ser expresso, de forma alternativa, pelo número total de píxeis decorrente do produto entre números de linhas e de colunas e posterior

divisão por 106 (para expressão comum da dimensão da imagem em megapíxeis). No Quadro 3.6 é possível encontrar alguns valores típicos deste elemento de caraterização da imagem digital para dois sensores recorrentes.

Quadro 3.6: Número de píxeis em alguns sensores de imagem digital Dimensão do píxel (µm) Resolução (linhas/mm) Sensor do tipo ½’’ Número de píxeis (106) Sensor do tipo 2/3’’ Número de píxeis (106) 10 50 0,3 0,6 7,5 67 0,5 1,0 6,0 83 0,9 1,6 5,0 100 1,2 2,3 4,5 111 1,5 2,9 4,0 125 1,9 3,6 3,5 143 2,5 4,7 3,0 167 3,4 6,5 2,5 200 4,9 9,3

A resolução radiométrica e o número de píxeis determinam a dimensão computacional da imagem original que, como se observa nos Quadros 3.5 e 3.6, pode atingir valores bastante elevados. Numa perspetiva histórica, surgiram ao longo do tempo diversos formatos de imagem digital visando a redução da sua dimensão computacional mediante o recurso a algoritmos de compressão dedicados, apresentando-se no Quadro 3.7 os formatos mais comuns de câmaras e respetivas caraterísticas e áreas de aplicação.

Quadro 3.7: Alguns formatos de imagem digital disponíveis em câmaras.

Designação do

formato Extensão Principais caraterísticas Área de aplicação Bitmap .bmp Imagens com elevada dimensão, não sendo aplicado

nenhum algoritmo de compressão

Programas do sistema operativo Microsoft Windows Joint Photographic Experts Group .jpeg

Imagens com dimensão bastante reduzida em resultado de aplicação de algoritmo de compressão com perda de qualidade de imagem. N.º elevado de cores distintas.

Multimédia e internet

Tagged Image File

Format .tiff

Formato que permite imagens com profundidade radiométrica de 24 bits ou 32 bits (true color).

Impressão industrial e fotografia

Graphics Interchange

Format .gif

Formato de imagem que suporta animações, permitindo

256 cores por imagem. Internet

Portable Network

Graphics .png

Formato livre (sem algoritmos patenteados) que substituiu o formato gif em 1996, possuindo capacidade

de compressão sem perda de qualidade de imagem.

Internet

Atendendo ao elevado grau de rigor dimensional e geométrico exigido para as imagens dos alvos do sistema de medição, é recomendável a utilização do formato BMP ou PNG, de modo a evitar uma significativa perda de qualidade nas imagens decorrente do processo de compressão de dados. Por este motivo, as imagens digitais adquiridas apresentam uma dimensão computacional bastante elevada, sendo

necessário assegurar que o sistema de medição possua uma adequada capacidade de transferência de dados. No Quadro 3.8 são mencionadas as soluções mais comuns de transferência de dados em câmaras [Edmund (2014)].

Quadro 3.8: Soluções para transferência digital em câmaras.

Designação FireWire 1394.a FireWire 1394.b Camera Link® _{USB 2.0 / USB 3.0 GigE}

Taxa de

transferência 400 Mbit·s

-1 _{800 Mbit·s}-1 _{até 3,6 Gbit·s}-1 _{480 Mbit·s}-1 _{/ 5 Gbit·s}-1 _{1 Gbit·s}-1 Comprimento

máx. de cabo 4,5 m 100 m 10 m 5 m 100 m

Número de

câmaras até 63 1 até 127 Ilimitado

Tipo de

conetor 6 pinos / 6 pinos 9 pinos / 9 pinos 26 pinos USB

RJ45, CAT5 ou CAT6

Placa de

aquisição Opcional Sim Opcional Não

Alimentação

elétrica Opcional Sim Opcional Sim

Como se pode verificar no Quadro anterior, as taxas mais elevadas de transferência de dados estão associadas às tecnologias USB 3.0, Camera Link® e GigE, recomendando-se a sua utilização preferencial face às restantes opções.

Por sua vez, a resolução espacial da imagem carateriza o nível de detalhe

dimensional de uma imagem expressando, de forma métrica, a capacidade de distinção entre dois objetos próximos na imagem e a sua quantificação depende da distância de observação, da dimensão do píxel e da distância focal do sistema óptico, conforme indicado na expressão 3.6 (secção 3.3.4) . Este elemento é bastante utilizado nos contextos da Fotogrametria Aérea e da Deteção Remota para expressar a qualidade das imagens obtidas por satélites de observação espacial onde, recentemente, se registou uma significativa evolução tecnológica dos sistemas ópticos e consequente melhoria da resolução espacial de imagens da superfície terrestre18. Por vezes, nesse contexto, este elemento apresenta a designação de GSD – Ground

Sample Distance, quando se pretende exprimir a dimensão espacial que o píxel do

sensor apresenta ao nível da superfície observada. Neste âmbito importa diferenciar a resolução espacial da resolução geométrica da imagem, que exprime a dimensão do

píxel no dispositivo de visualização (por exemplo, num ecrã), sendo habitualmente expressa em dpi – dots per inch.

18

Refere-se, como exemplo ilustrativo, a evolução da resolução espacial de imagem pancromática de 15 m no satélite Landsat-7 (1999) para 0,5 m no satélite World-View 2 (2009).

No contexto da observação dimensional de infraestruturas dinâmicas tem particular importância a frequência de aquisição de imagem, visto expressar o

número de imagens obtidas para um mesmo objeto visualizado durante um determinado intervalo de tempo. Com efeito, este elemento delimita a capacidade de análise estrutural dinâmica da obra observada na abordagem óptica proposta. Note-se que a determinação das frequências dos principais modos de vibração da infraestrutura deve respeitar o Teorema da Amostragem na definição da frequência de amostragem (neste caso, de aquisição de imagem), evitando erros de aliasing.

Dependendo do tipo de câmara digital utilizada, a frequência de aquisição varia entre 15 a 30 imagens por segundo (ou, segundo a designação anglo-saxónica, fps – frames per second) para câmaras usuais e entre 100 e 1000 imagens por segundo para câmaras de elevada velocidade. Novamente, é necessário assegurar um equilíbrio entre a frequência de aquisição (que, em regra, se pretende a mais elevada possível para evitar erros de aliasing que comprometam a análise estrutural dinâmica) e a capacidade de transferência de dados da câmara (uma frequência de aquisição demasiado elevada poderá degradar a integridade temporal do processo de transferência de dados decorrente da elevada dimensão computacional das sequências de imagens obtidas).

Por último, menciona-se a resolução espetral da imagem, a qual está

associada à largura de banda no espetro electromagnético em que o sensor de imagem apresenta uma resposta não-nula considerando-se que quanto maior a resolução espetral da imagem, menor será a largura de banda do sensor. No âmbito da abordagem de medição óptica adotada importa garantir a compatibilidade espetral entre as larguras de banda do sensor de imagem (elemento recetor) e dos alvos ativos (elementos emissores) que compõem o referencial de medição.