5MM-Imagens

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5 - Imagens

Multimídia

Prof. Laurence Rodrigues do

Amaral

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Prof. Laurence Rodrigues do Amaral UFG/Jataí

Pixels e resolução

espacial

• Resolução espacial da visão é o

parâmetro que mede quantos pontos

diferentes o olho pode distinguir em uma

imagem

• Pixel (picture element) – é cada um destes

pontos

• O campo visual do ser humano

corresponde a uma matriz de

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Pixels e resolução

espacial

• A resolução dos monitores de televisão e

de computadores são bem menores

– TV tradicional (NTSC ou PAL-M): 512 x 480 – HDTV: 1920 x 1080 pixels

– Computadores

• Primeiros VGA: 640 x 480

• Atualmente: de 800 x 600 a 1920 x 1024 • Existem padrões de altíssima resolução

– QXGA: de 2048 x 1152 a 3840 a 2400 – HXGA: de 4096 x 3072 a 7680 a 4800

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Modelos de cores

• A quantidade de bits requerida por um pixel depende da

representação utilizada para as cores, além de outras propriedades • A visão humana enxerga a luz de comprimento de onda situado entre 400 e 700 nanômetros

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Modelos de cores

• O processamento digital de imagens exige a construção de sistemas rigorosos de

especificação, chamados modelos de cores (MC)

• Os MCs mais utilizados são baseados na

decomposição das cores na mistura equivalente de cores básicas

• Os modelos mais usuais são perfeitamente

equivalentes entre si, e a conversão entre eles pode ser realizada através de cálculos simples

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Sistema aditivo

• Um dos modelos de cores mais utilizados

é baseado na existência de três picos de

sensibilidade

– Vermelho – Verde

– Azul

• Vermelho e azul marcam os extremos do

espectro e o verde o meio

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Sistema aditivo

• Vermelho, verde e azul formam as primárias aditivas, usadas no sistema RGB (red-green-blue)

• Usa-se a propriedade perceptual de que quase todas as luzes podem ser representadas

utilizando a soma ponderada das luzes vermelha, verde e azul

• Dispositivos que operam por emissão de luzes funcionam de acordo com o sistema RBG

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Sistema aditivo

• As coordenadas de cada ponto representam, em uma escala de [0..1], as quantidades de cada luz de cor básica

• Ex: magenta (1,0,1) • Preto é representado

pela origem (0,0,0) e o branco pelo (1,1,1)

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Sistema aditivo

Original

Verde

Vermelho

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Sistema subtrativo

• A soma da luz de uma determinada cor

com a luz de sua cor complementar

produz o branco

• As complementares das cores primárias

são as cores secundárias

– Ciano (0,1,1) – ¬vermelho (1,0,0) – Magenta (1,0,1) – ¬verde (0,1,0) – Amarelo (1,1,0) – ¬azul (0,0,1)

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Sistema subtrativo

• As cores secundárias são chamadas de

primárias subtrativas

• O sistema subtrativo é chamado de

sistema CMY (cyan-magenta-yellow)

• Os pigmentos básicos absorvem apenas

uma cor cada um

– Pigmento ciano absorve o vermelho – Pigmento magenta absorve o verde – Pigmento amarelo absorve o azul

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Sistema subtrativo

• O branco reflete todas as cores e o preto

absorve todas as cores

• O modelo CMY é o modelo mais natural

para dispositivos de cópia

– Na prática usa-se uma variante, que é o sistema CMYK

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Sistema HLS

• RGB e CMY são baseados em técnicas físicas de reprodução de cor, seja por emissão (RGB) ou por absorção (CMY)

• Não é fácil intuir, dada uma cor qualquer, a quantidade de cada cor primária necessária para representá-la

• Sistemas quantitativos são aqueles baseados nas propriedades mais importantes levando em consideração a percepção humana

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Sistema HLS

• Cores possuem três

características, que

formam a base do

sistema HLS

– Hue (matiz) – Luminance (luminância) – Saturation (saturação)

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Sistema HLS

• Intensidade ou luminância

– Mede a amplitude da vibração luminosa (energia)

– Preto refere-se a intensidade nula e o branco é intensidade máxima

– Sistema ditos monocromáticos são aqueles que trabalham apenas com a informação de luminância

• TV preto e branco e monitores antigos

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Sistema HLS

• Matiz (hue)

– Mede a qualidade que distingue o azul do verde, do vermelho, etc

– Para cores espectrais, o matiz mede a

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Sistema HLS

• Saturação

– Mede o grau de pureza em relação à contaminação por outras cores

– A mistura perfeita é o branco que possui saturação zero

– A grosso modo, para as outras cores, a saturação pode ser entendida como a quantidade de branco existente

– Tons muito saturados são “brilhantes” e tons pouco saturados são “pastel”

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Sistema HLS

• A altura dentro do

cone representa a

luminância

– Vértice representa o preto – Base representa as cores de luminância máxima

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Sistema HLS

• A saturação e o matiz são representados por

coordenadas polares

– A saturação é representada pela distância do ponto em relação ao eixo do cone – Matiz é representada pelo

ângulo em relação ao vermelho

– Cores saturadas

• Periferia do cone

– Pastel

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Sistema HLS

Luminância Saturação Matiz Ex: word

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Sistema HLS

• Decomposição nos canais H, L e S

– H (matiz) é bem escura, pois os tons de vermelho são bem próximos de zero – S (saturação) é escuro

nas partes brancas (fundo e brilho) e claro nas partes de cor mais saturada

(vermelho forte)

– L (luminância) é uma

versão em preto e branco da imagem

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Sistema CIE

• RGB e CMY são orientados para

dispositivos que funcionam por emissão e

absorção de luz

• HLS é orientado para o usuário humano

• CIE foi definido pela International

Commission on Illumination

– Sigla em francês para “Commission Internationale d’Eclairage”

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Sistema CIE

• É baseado em três cores

imaginárias e invisíveis, chamadas X, Y e Z

• São definidas de modo que qualquer cor visível possa ser

expressa como uma combinação linear dessas cores básicas

– Soma ponderada com coeficientes positivos

• O espaço das cores é

representado por um sólido de aparência complexa

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Codificação das Cores

• Quantização das cores

– Em sistemas baseados em cores primárias, é preciso prever a possibilidade de imagens

formadas por pontos que se distinguem

apenas pela luminância, quaisquer que sejam o matiz e a saturação

• Ex: Predominância de matizes próximas – cena de floresta, onde predominam cores verdes de

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Codificação das Cores

• Quantização das cores

– É utilizado 8 bits para a codificação de cada primária

– Correspondendo à sensibilidade do olho humano, que pode distinguir 256 níveis diferentes de luminância

– Para um sistema de três primárias (R,G,B)

• Preciso de 24 bits por pixel

• Podem produzir 16 milhões de cores

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Codificação das Cores

• A representação do pixel,

retirada da memória da

imagem, vai para um

registrador

• Cada cor controla um dos

canhões de elétrons do

monitor, através de um

conversor

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Codificação das Cores

• Esses conversores,

localizados no adaptador

gráfico, são o estágio em

que a representação

digital usada no

computador se

transforma em tensões

elétricas analógicas, que

controlam os feixes dos

canhões

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Codificação das Cores

• Capacidade humana de distinção visual é

da ordem de centenas de milhares de

cores

• Há redundância de cores em sistemas 24

bits

– 224 _{possíveis combinações – 16.777.216}

– Uma alternativa mais barata é utilizar 5 bits por cor (R,G,B), suportando 215 _{– 32.768}

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Codificação das Cores

• Paletas e dithering

– Caso a capacidade de reprodução de cores do sistema seja menor do que a dos sistemas de cor verdadeira

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Codificação das Cores

- Paleta

• O conteúdo do pixel não é

enviado diretamente ao

dispositivo gráfico

• É enviado um índice para

uma tabela armazenada

em uma memória especial

• Dessa tabela, é retirado o

valor que irá alimentar os

dispositivos

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Codificação das Cores

- Paleta

• Com o uso da paleta ou

tabela de cores (pallete

or color look-up table)

pode-se reduzir a

profundidade (tamanho

em bits) do pixel

• Usando menos memória

para o armazenamento

de imagens

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Codificação das Cores

- Paleta

• O número total de cores de um sistema

continuará sendo determinado pela resolução dos conversores digitais-analógicos

• Entretanto o número de cores exibíveis será determinado pela profundidade do pixel

• Modos gráficos com pixels de 8 bits eram

usados nos antigos padrões VGA e SuperVGA, sistemas capazes de reproduzir apenas 256

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Codificação das Cores

• As imagens produzidas em sistemas de

pixels de 8 bits normalmente não são

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Codificação das Cores

• Podemos trocar a resolução espacial por resolução de cores, representando-se cada ponto da imagem por um grupo de pixels vizinhos - Dithering

• Dithering é semelhante à representação utilizada nos textos impressos

• Aproveita-se a limitação de resolução espacial do olho humano, que tende a misturar as cores de pontos muito próximos

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Codificação das Cores

• Codificação da transparência

– Sistemas de 15 bits são acomodados em pixels de 16 bits

– O bit extra é usado para codificar a transparência da imagem

• Cada pixel será transparente ou opaco

– Em sistemas 24 bits, utilizando pixels de 32 bits, sobra um canal alfa de 8 bits

• Que permite especificar 256 gradações de transparência

• Combinação de imagens, muito utilizado em processamento de vídeo: títulos de alta qualidade, misturas de imagens com computação gráfica e efeitos de transição entre imagens

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Dispositivos gráficos

• Dispositivos de saída gráfica

– Tipos de dispositivos

• São aqueles que fornecem ao usuário humano a apresentação das imagens geradas pelo

computador

• Compreendem os dispositivos interativos e os dispositivos de cópia permanente (hard copy)

• Principais dispositivos interativos são os monitores baseados em raios catódicos (utiliza feixes de

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Dispositivos gráficos

• Dispositivos de saída gráfica

– Dispositivos interativos

• Monitores de cristal líquido (LCD)

– Funcionam por reflexão ou transmissão de uma fonte de luz através de pequenas células formadas por cristais líquidos cuja opacidade é controlada pelo adaptador gráfico

• Monitores eletroluminescentes (LED)

– Pixels são formados por diodos semicondutores que emitem luz sob aplicação de corrente elétrica

• Monitores de plasma

– Pixels são formados por pequenas células com gás que emitem luz quando ionizado (ou seja, quando se torna um

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Dispositivos gráficos

• Dispositivos de saída gráfica

– Dispositivos de cópia permanente

• Permitem o armazenamento de imagens fora do sistema de computação, registradas em papel ou outro meio físico

• Exemplos

– Traçadores de gráficos (plotters) – Impressoras

– Registradores de filme – Gravadores de vídeo

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Processamento

da Imagem

• Formatos de imagens

– Os formatos de imagens sempre partem da representação destas como um arranjo

retangular de pixels, chamado mapas de pixels

– O trabalho com imagens em multimídia

requer uma escolha cuidadosa de um formato adequado para os arquivos de imagens

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Processamento

da Imagem

• Formatos de imagens

– Características dos arquivos importantes

• Número de cores suportadas – alguns formatos chegam a até 256 cores, enquanto formatos de cor verdadeira chegam a 16 milhões

• Resoluções – começam no padrão VGA (320 x 320), podendo chegar à milhares de linhas

• Popularidade – busca-se formatos com grande difusão

• Grau de compressão – em muitos formatos o mapa de pixel sofre algum tipo de compressão, reduzindo significativamente o tamanho dos

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Processamento

da Imagem

• Formatos de imagens

– Principais formatos • PCX • GIF • BMP • TIFF • JPEG • PNG

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Processamento

da Imagem

• Principais formatos

– PCX

• Usado por aplicativos gráficos mais antigos, principalmente do DOS

– GIF

• Usado para distribuição comercial de imagens com compressão sem perdas

• Suporta animação

• Tem o limite de 256 cores • Usa a compressão LZW

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Processamento

da Imagem

• Principais formatos

– BMP

• Padrão fundamental do Windows • Não usa compressão

• Arquivos muito grandes

– TIFF

• Padrão independente de fabricante para imagens de alta resolução espacial e em cores

• Possui diversas variantes

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Processamento

da Imagem

• Principais formatos – JPEG

• Usado inicialmente para imagens fotográficas e usado na maioria das câmeras digitais

• Tornou-se um dos formatos mais difundidos • Pode usar compressão, com ou sem perdas

– PNG

• Padronizado como uma alternativa não patenteada ao formato GIF

• Trabalha com cor verdadeira

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Operações sobre imagens

• Podem-se distinguir dois grandes grupos

de operações de processamento digital de

imagens

– Processamento no domínio espacial

• As operações são feitas sobre os pixels isolados de cada imagem

– Processamento no domínio da frequência

• As operações requerem uma análise global de áreas contíguas da imagem

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Operações sobre imagens

Espacial vs. Frequância

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Operações sobre imagens

Espacial vs. Frequância

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Operações sobre imagens

• Processamento no domínio espacial

– Armazenamento e recuperação de imagens

– Recorte, cópia e colagem de áreas de imagens – Conversão de formatos

– Conversão de modelos de cor e separação de cores – Combinação de imagens (composição)

– Retoque de imagens – Pintura sobre imagens

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Operações sobre imagens

• Processamento no domínio da frequência

– Mudança de escala e rotação de imagens

– Transformação e distorção de imagens (ótica digital)

– Filtragem, suavização e realce de imagens – Compressão de imagens

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Compressão de Imagens

• Imagens de alta resolução e cor

verdadeira podem ocupar grandes

espaços

• Pode-se conseguir grande redução no

tamanho dos arquivos através de técnicas

de compressão de imagens

– Compressão sem perdas – Compressão com perdas

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Compressão de Imagens

• Sem perdas

– Mantêm toda a informação contida na imagem original

– A compressão é conseguida através da técnica de codificação

• Varia-se a quantidade de bits usada para

representar determinados padrões de informação conforme a frequência deste padrão no material a comprimir

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Compressão de Imagens

• Sem perdas

– Técnicas genéricas de compressão sem perdas são utilizadas em compressão de arquivos e também em dispositivos de

comunicação de dados, tais como os modens – Mais tradicionais

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Compressão de Imagens

• Sem perdas

– ZIP - Mais comum, evoluiu do formato ARC – TAR e Gzip - Utilizados em sistemas

baseados em UNIX

– ISO - Usado em imagens de CD e DVDs – ARJ – Era muito utilizado no SO, MS-DOS – CAB – Usado em instaladores de programas – RAR – Concorrente do ZIP

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Compressão de Imagens

• Sem perdas

– Combina técnicas genéricas a técnicas que se aproveitam de características específicas das imagens

– Antes de serem utilizadas na informática,

técnicas de compressão de imagens já eram utilizadas em fax, para possibilitar a

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Compressão de Imagens

- Sem perdas

• Codificação em tiras

– Rule-length enconding (RLE)

– Técnica específica para imagens

– A compressão é baseada na coerência das linhas

– Para cada tira, só é necessário guardar o valor da cor e o comprimento da tira

– É eficiente em imagens com grandes blocos pintados com a mesma cor

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Compressão de Imagens

- Sem perdas

• LZW – Lempel-Ziv-Welsh

– Toma partido da coerência entre linhas para identificar padrões repetidos

– É aplicada no formato GIF

– Formato tem grande difusão na web – É limitado a 256 cores

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Compressão de Imagens

- Sem perdas

• LZW – Lempel-Ziv-Welsh

– Foi estendido no formato GIF89a

• Possibilidade de definir uma cor transparente • Entrelaçamento

– Permite o envio das tiras da imagem em ordem intercalada

• Animação

– Através de arquivos que contém múltiplas imagens parciais, que podem ser trocadas rapidamente por um navegador, criando-se um efeito animado

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Compressão de Imagens

- Sem perdas

• LZW – Lempel-Ziv-Welsh

– Nos anos 1990, a Unisys tinha a patente e

começou a cobrar royalties dos produtores de software que processam o formato GIF

– A reação negativa do público levou ao desenvolvimento do formato PNG

– Atualmente as patentes da Unisys expiraram, e o uso do GIF voltou a ser livre

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Compressão de Imagens

- Sem perdas

• DEFLATE

– É utilizado no formato PNG

– Combina codificação de Huffman

• Usa sequência de bits mais longas para representar símbolos mais frequentes

– Com o algoritmo LZ77

• Derivado, como o LZW, dos artigos originais de Lempel e Ziv

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Compressão de Imagens

- Sem perdas

• DEFLATE

– Usado nos formatos ZIP e GZIP – O formato PNG suporta

• Sistemas de cor verdadeira e de paleta

• Múltiplos níveis de transparência, utilizando o canal alfa

• Correção do gama

– Suporte para exibição da imagem às características do monitor

• Entrelaçamento mais avançado que o aplicado no formato GIF

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Comparativo –

ZIP vs. LZX

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Compressão de Imagens

• Com perda

– São usadas em casos em que a perda de alguma informação é tolerável, por

corresponder a detalhes que a visão humana não percebe ou que é dificilmente percebida – Parâmetro: Taxa de perda

• É fixado durante a compressão

• Quanto maior a perda admitida, maior compressão se consegue

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Compressão de Imagens

• Com perda

– Algoritmo central de compressão com perdas faz a transformação da imagem para uma forma de

espectro

– Cada quadro a ser comprimido é dividido em blocos – Para cada bloco, os valores dos pixels são

submetidos a uma transformação matemática que traduz o bloco na forma de um espectro

bidimensional, ou seja, uma matriz de distribuição de energia

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Compressão de Imagens

• Com perda

– A codificação JPEG emerge atualmente como a técnica mais importante de compressão,

principalmente de imagens com gradações suaves de intensidade

– O padrão JPEG define os arquivos *.JPG, que tendem a se tornar o padrão dominante para distribuição de imagens fotográficas na internet

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Compressão de Imagens

- Com perda

• Passos da compressão JPEG

1. Obtenção do espectro bidimensional da imagem, baseado na transformada discreta dos cossenos (DCT)

2. Truncamento dos componentes do espectro, eliminando-se os dígitos menos significativos e desprezando-se os coeficientes próximos de zero 3. Codificação entrópica dos componentes,

semelhante a técnicas usada pelos compressores de arquivos tradicionais

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Compressão de Imagens

- Com perda

• JPEG

– É um padrão complexo, com suporte a

diversos tipos de algoritmos de compressão – Existe uma versão sem perdas do JPEG,

usada em aplicações em que mesmo perdas mínimas não são toleráveis, como em

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Imagens

• Processamento Digital de Imagens

– PDI\1.doc – PDI\2.doc – PDI\3.doc