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MO443A - Processamento de Imagens Digitais
Capıtulo 2
Carla Negri LintzmayerMaycon Sambinelli
13 de marco de 2012
Elementos da Percepcao Visual
A estrutura do olho humano
Formacao da Imagem no Olho
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
A Luz e o Espectro Eletromagnetico
Sensores e Aquisicao de Imagens
Aquisicao de Imagens Utilizando um Unico Sensor
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Por Varredura DeLinha
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Matriciais
Um Modelo Simples de Formacao de Imagem
Amostragem e Quantizacao de Imagens
Os Conceitos Basicos da Amostragem e da Quantizacao
Representacao de Imagens Digitais
Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 2
Elementos da Percepcao Visual
A estrutura do olho humano
Formacao da Imagem no Olho
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
A Luz e o Espectro Eletromagnetico
Sensores e Aquisicao de Imagens
Aquisicao de Imagens Utilizando um Unico Sensor
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Por Varredura DeLinha
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Matriciais
Um Modelo Simples de Formacao de Imagem
Amostragem e Quantizacao de Imagens
Os Conceitos Basicos da Amostragem e da Quantizacao
Representacao de Imagens Digitais
Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 3
Por que estudar a visao humana?
Porque “a intuicao e a analise humana desempenham um papelcentral na escolha de uma tecnica em detrimento de outra, e aescolha, muitas vezes, se baseia em criterios visuais subjetivos.”
Carla e Maycon Capıtulo 2 4
Elementos da Percepcao Visual
A estrutura do olho humano
Formacao da Imagem no Olho
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
A Luz e o Espectro Eletromagnetico
Sensores e Aquisicao de Imagens
Aquisicao de Imagens Utilizando um Unico Sensor
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Por Varredura DeLinha
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Matriciais
Um Modelo Simples de Formacao de Imagem
Amostragem e Quantizacao de Imagens
Os Conceitos Basicos da Amostragem e da Quantizacao
Representacao de Imagens Digitais
Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 5
A estrutura do olho humano
Diametro medio ≈ 20mm;
Carla e Maycon Capıtulo 2 6
A estrutura do olho humano
Cristalino: Composto de camadas concentricas de celulasfibrosas; Pigmentacao ligeiramente amarelada; Absorveconsideravelmente luz infravermelha e ultravioleta.
Carla e Maycon Capıtulo 2 7
A estrutura do olho humano
Membranas:Cornea Tecido resistente e transparente;Esclera Prolongamento da Cornea; opaca;Coroide Contem rede de vasos sanguıneos: principal fonte de nutricao;
seu revestimento pigmentado reduz a quantidade de luzindesejada que entra no olho.
Carla e Maycon Capıtulo 2 8
A estrutura do olho humano
Membranas:Coroide se divide em:
Corpo ciliar Tecido composto pelo musculo ciliar eprocessos ciliares;
Iris Controla a quantidade de luz que entra noolho; a pupila varia de 2 a 8 mm de diametro
Carla e Maycon Capıtulo 2 9
A estrutura do olho humano
Membranas:
Retina Quando o olho esta adequadamente focalizado, a luz de umobjeto externo forma uma imagem na Retina. A visao depadroes e obtida pela distribuicao de duas classes de receptoresdiscretos de luz ao longo de sua superficie: Cones e Bastonetes
Carla e Maycon Capıtulo 2 10
A estrutura do olho humano
Membranas:Retina Receptores:
Cones 6 a 7 milhoes localizados principalmente naFovea e muito sensıveis a cor. A visao pelosCones e chamada de Visao Fotopica ou visaode luz clara.
Carla e Maycon Capıtulo 2 11
A estrutura do olho humano
Membranas:Retina Receptores:
Bastonetes 75 a 150 milhoes distribuıdos na superfıcieda Retina. Servem para dar uma imagemgeral do campo de visao. A visao pelosbastonetes e chamada de Visao Escotopicaou de luz escura.Carla e Maycon Capıtulo 2 12
A estrutura do olho humano
Membranas:
Retina A ausencia de receptores na saıda do nervo otico resulta nochamado Ponto cego.
Carla e Maycon Capıtulo 2 13
A estrutura do olho humano
Carla e Maycon Capıtulo 2 14
A estrutura do olho humano
Com excecao do ponto cego a distribuicao de receptores eradialmente simetrica em torno da fovea.
Carla e Maycon Capıtulo 2 15
Elementos da Percepcao Visual
A estrutura do olho humano
Formacao da Imagem no Olho
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
A Luz e o Espectro Eletromagnetico
Sensores e Aquisicao de Imagens
Aquisicao de Imagens Utilizando um Unico Sensor
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Por Varredura DeLinha
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Matriciais
Um Modelo Simples de Formacao de Imagem
Amostragem e Quantizacao de Imagens
Os Conceitos Basicos da Amostragem e da Quantizacao
Representacao de Imagens Digitais
Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 16
Camera vs Olho
Carla e Maycon Capıtulo 2 17
Formacao da Imagem no Olho
15
100=
h
17⇒ h = 2, 55mm
Carla e Maycon Capıtulo 2 18
Elementos da Percepcao Visual
A estrutura do olho humano
Formacao da Imagem no Olho
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
A Luz e o Espectro Eletromagnetico
Sensores e Aquisicao de Imagens
Aquisicao de Imagens Utilizando um Unico Sensor
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Por Varredura DeLinha
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Matriciais
Um Modelo Simples de Formacao de Imagem
Amostragem e Quantizacao de Imagens
Os Conceitos Basicos da Amostragem e da Quantizacao
Representacao de Imagens Digitais
Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 19
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
A escala de nıveis de intensidade luminosa aos quais o sistemavisual humano pode se adaptar e da ordem de 1010;
O brilho subjetivo (o brilho percebıvel) e uma funcaologarıtmica da intensidade de luz incidente no olho;
A escala total de nıveis distintos de intensidade que podem sersimultaneamente discriminados pelo olho e bastante pequenaquando comparada a escala total de adaptacao ao brilho;
A habilidade do olho para discriminar mudancas de intensidadeda luz em qualquer nıvel de adaptacao ao brilho (o nıvel atualde sensibilidade) tambem e interessante. (experimento)
Carla e Maycon Capıtulo 2 20
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
Dois fenomenos demonstram que o brilho percebido nao e umasimples funcao da intensidade:
O primeiro se baseia no fato de o sistema visual tender asubestimar ou superestimar os contornos entre regioes dediferentes intensidades.
Carla e Maycon Capıtulo 2 21
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
Dois fenomenos demonstram que o brilho percebido nao e umasimples funcao da intensidade:
O segundo esta relacionado ao fato de o brilho percebido deuma regiao nao depender simplesmente de sua intensidade(chamado de contraste simultaneo).
Carla e Maycon Capıtulo 2 22
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
Carla e Maycon Capıtulo 2 23
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
Carla e Maycon Capıtulo 2 24
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
Outros exemplos de fenomenos da percepcao humana sao asilusoes de otica, nas quais o olho preenche lacunas de informacaoou percebe propriedades geometricas de objetos de maneiraequivocada.
Carla e Maycon Capıtulo 2 25
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
Carla e Maycon Capıtulo 2 26
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
Carla e Maycon Capıtulo 2 27
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
Carla e Maycon Capıtulo 2 28
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
Carla e Maycon Capıtulo 2 29
Elementos da Percepcao Visual
A estrutura do olho humano
Formacao da Imagem no Olho
Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
A Luz e o Espectro Eletromagnetico
Sensores e Aquisicao de Imagens
Aquisicao de Imagens Utilizando um Unico Sensor
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Por Varredura DeLinha
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Matriciais
Um Modelo Simples de Formacao de Imagem
Amostragem e Quantizacao de Imagens
Os Conceitos Basicos da Amostragem e da Quantizacao
Representacao de Imagens Digitais
Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 30
Espectro Eletromagnetico
1966 Isaac Newton descobriu que quando um feixe de luz solar passaatraves de um prisma de vidro, o feixe de luz emergente consiste em umespectro contınuo de cores, que varia do violeta ao vermelho, de formanao abrupta.
Carla e Maycon Capıtulo 2 31
Percepcao de Cores
As cores percebidas em um objeto dependem da natureza daluz refletida pelo objeto;
A luz sem cor e chamada luz monocromatica (acromatica);
A intensidade da luz monocromatica e percebida comovariacoes de preto a tons de cinza ate chegar ao branco(escala de cinza);
O termo nıvel de cinza e utilizado para denotar a intensidademonocromatica;
Carla e Maycon Capıtulo 2 32
Luz Cromatica
Alem da frequencia, tres medidas basicas sao utilizadas paradescrever a qualidade de uma fonte de luz cromatica:
Radiancia: Quantidade total de energia emitida, medida emWatts (W);
Luminancia: Quantidade de energia que um observadorpercebe, medida em lumens (lm);
Brilho: Descritor subjetivo da percepcao da luz.
Carla e Maycon Capıtulo 2 33
Criando Imagens em Uma Banda do EspectroEletromagnetico
Em principio, se pudessemos desenvolver um sensor quedetecte energia irradiada por uma banda do EM, e possıvelcriar imagens de eventos nessa banda;
Mas o comprimento de onde de uma onda eletromagneticaque e necessario para “ver” um objeto deve ser do mesmotamanho ou menor que o objeto.
Carla e Maycon Capıtulo 2 34
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A estrutura do olho humano
Formacao da Imagem no Olho
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Sensores e Aquisicao de Imagens
Aquisicao de Imagens Utilizando um Unico Sensor
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Por Varredura DeLinha
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Matriciais
Um Modelo Simples de Formacao de Imagem
Amostragem e Quantizacao de Imagens
Os Conceitos Basicos da Amostragem e da Quantizacao
Representacao de Imagens Digitais
Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 35
Sensores de Aquisicao de Imagens
“Dependendo da natureza da fonte, a energia da iluminacao erefletida dos objetos ou transmitida atraves deles”
Carla e Maycon Capıtulo 2 36
Principais Modalidades
Para transformar a energia de iluminacao em imagens digitais
A energia que entra e transformada em tensao pelacombinacao da energia eletrica de entrada e do material dosensor, sensıvel a um tipo especıfico de energia
A forma de onda da tensao de saıda e a resposta do(s)sensor(es), e uma quantidade digital e obtida de cada sensorpor meio da digitalizacao de sua resposta
Carla e Maycon Capıtulo 2 37
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A estrutura do olho humano
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Adaptacao ao Brilho e Discriminacao
A Luz e o Espectro Eletromagnetico
Sensores e Aquisicao de Imagens
Aquisicao de Imagens Utilizando um Unico Sensor
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Por Varredura DeLinha
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Matriciais
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Amostragem e Quantizacao de Imagens
Os Conceitos Basicos da Amostragem e da Quantizacao
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Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 38
Principais Modalidades de Sensores
1 Aquisicao de imagens utilizando um unico sensor
Figura: Fotodiodo
Carla e Maycon Capıtulo 2 39
Principais Modalidades de Sensores
Acessıvel mas lento
Carla e Maycon Capıtulo 2 40
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A Luz e o Espectro Eletromagnetico
Sensores e Aquisicao de Imagens
Aquisicao de Imagens Utilizando um Unico Sensor
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Por Varredura DeLinha
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Matriciais
Um Modelo Simples de Formacao de Imagem
Amostragem e Quantizacao de Imagens
Os Conceitos Basicos da Amostragem e da Quantizacao
Representacao de Imagens Digitais
Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 41
Principais Modalidades de Sensores
2 Aquisicao de Imagens utilizando sensor por varredura de linha
Carla e Maycon Capıtulo 2 42
Principais Modalidades de Sensores
Carla e Maycon Capıtulo 2 43
Principais Modalidades de Sensores
Carla e Maycon Capıtulo 2 44
Principais Modalidades de Sensores
Necessita de processamento computacional para formar asfatias e para juntar as fatias em um volume 3D
Carla e Maycon Capıtulo 2 45
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Sensores e Aquisicao de Imagens
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Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Por Varredura DeLinha
Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Matriciais
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Amostragem e Quantizacao de Imagens
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Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 46
Principais Modalidades de Sensores
3 Aquisicao de Imagens utilizando sensores matriciais
Carla e Maycon Capıtulo 2 47
Principais Modalidades de Sensores
Carla e Maycon Capıtulo 2 48
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Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 49
Um Modelo Simples de Formacao de Imagem
Quando uma imagem e gerada a partir de um processo fısico,seus valores de intensidade sao proporcionais a energiairradiada por uma fonte real. Assim
0 < f(x, y) <∞
f(x, y) pode ser caracterizado por 2 componentes:1 A quantidade de iluminacao da fonte que incide na cena que
esta vista: Iluminacao → i(x, y)→ 0 < i(x, y) <∞2 A quantidade de iluminacao refletida pelos objetos na cena:
Refletancia → r(x, y)→ 0 < r(x, y) < 1
f(x, y) = i(x, y) · r(x, y)
Carla e Maycon Capıtulo 2 50
Um Modelo Simples de Formacao de Imagem
A intensidade ou nıvel de cinza de uma imagemmonocromatica em quaisquer coordenadas (x0, y0) e expressopor
l = f(x0, y0)
Onde Lmin ≤ l ≤ Lmax, Lmin = imin · rmin eLmax = imax · rmax
[Lmin, Lmax] ou [0, L− 1] e chamado escala de cinza, ondel = 0 e preto e l = L− 1 e branco.
Carla e Maycon Capıtulo 2 51
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Sensores e Aquisicao de Imagens
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Amostragem e Quantizacao de Imagens
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Representacao de Imagens Digitais
Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 52
Amostragem e Quantizacao de Imagens
Para criar uma imagem digital, precisamos converter os dadoscontınuos, que foram captados pelos sensores, para o formatodigital. Isso envolve dois processos:
Amostragem e a digitalizacao dos valores de coordenada;Quantizacao e a digitalizacao dos valores de amplitude.
Carla e Maycon Capıtulo 2 53
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Sensores e Aquisicao de Imagens
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Amostragem e Quantizacao de Imagens
Os Conceitos Basicos da Amostragem e da Quantizacao
Representacao de Imagens Digitais
Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 54
Amostragem e Quantizacao
Carla e Maycon Capıtulo 2 55
Amostragem e Quantizacao
Na pratica, o metodo de amostragem e determinado pelo arranjodos sensores utilizados para gerar a imagem; a quantizacao esimilar para todos:
Por um unico sensor: combinado com movimentos mecanicos,a amostragem e feita selecionando-se o numero deincrementos mecanicos individuais;
Por sensor de varredura de linha: a amostragem e limitada nadirecao da imagem pelo numero de sensores da linha;
Por matriz de sensores: nao ha movimento e o numero desensores na matriz determina os limites da amostragem emambas as direcoes.
Carla e Maycon Capıtulo 2 56
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Sensores e Aquisicao de Imagens
Aquisicao de Imagens Utilizando um Unico Sensor
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Aquisicao de Imagens Utilizando Sensores Matriciais
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Representacao de Imagens Digitais
Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 57
Representacao de Imagens Digitais
Figura: Tres formas basicas de representar f(x, y).
Carla e Maycon Capıtulo 2 58
Representacao de Imagens Digitais
Escrevemos a representacao quantitativa de uma imagemdigital por uma matriz numerica M ×N :
f(x, y) =
f(0, 0) f(0, 1) · · · f(0, N − 1)f(1, 0) f(1, 1) · · · f(1, N − 1)
......
. . ....
f(M − 1, 0) f(M − 1, 1) · · · f(M − 1, N − 1)
Vale tambem a notacao matricial:
A =
a0,0 a0,1 · · · a0,N−1
a1,0 a1,1 · · · a1,N−1...
.... . .
...aM−1,0 aM−1,1 · · · aM−1,N−1
Carla e Maycon Capıtulo 2 59
Representacao de Imagens Digitais
A origem de uma imagem digital esta na parte superioresquerda, com o eixo x positivo se estendendo para baixo e oeixo y positivo se estendendo para a direita;
Essa representacao e uma convencao baseada no fato demuitos dispositivos de visualizacao de imagem varrerem aimagem a partir do canto superior esquerdo.
Carla e Maycon Capıtulo 2 60
Representacao de Imagens Digitais
M,N ∈ Z;
M > 0 e N > 0;
L = 2k, k ∈ Z;
Numero de bits para armazenar uma imagem digitalizada:
b = M ×N × k
Carla e Maycon Capıtulo 2 61
Representacao de Imagens Digitais
Saturacao e o valor mais alto alem do qual todos os nıveis de intensidadesao cortados;
Ruıdo mascara o menor nıvel real de intensidade detectavel;
Contraste e a diferenca entre os nıveis superior e inferior de intensidadepresentes em uma imagem.
Carla e Maycon Capıtulo 2 62
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Amostragem e Quantizacao de Imagens
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Representacao de Imagens Digitais
Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 63
Resolucao Espacial
Resolucao Espacial e a medida do menor detalhe discernıvel emuma imagem. Pode ser expressa por pares de linhapor unidade de distancia ou pixels por unidade dedistancia, por exemplo.
Carla e Maycon Capıtulo 2 64
Resolucao Espacial
Reducao de 1250 dpi para 300, 150 e 72 dpi.Carla e Maycon Capıtulo 2 65
Resolucao de Intensidade
Resolucao de Intensidade refere-se a menor variacao discernıvel denıvel de intensidade na imagem. Por exemplo, umaimagem cuja intensidade e quantizada em 256 nıveistem 8 bits de resolucao de intensidade.
Carla e Maycon Capıtulo 2 66
Resolucao Espacial
Reducao de 256 nıveis de cinza (8 bits) para 128, 64, 32, 16, 8, 4 e2 nıveis (1 bit).
Carla e Maycon Capıtulo 2 67
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Sensores e Aquisicao de Imagens
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Representacao de Imagens Digitais
Resolucao Espacial e de Intensidade
Interpolacao de Imagens
Carla e Maycon Capıtulo 2 68
Interpolacao de Imagens
A interpolacao e aplicada nessa secao no redimensionamentode imagem (reducao e ampliacao), que sao basicamentemetodos de reamostragem de imagens;
A interpolacao e o processo que utiliza dados conhecidos paraestimar valores de intensidade em pontos desconhecidos.
Carla e Maycon Capıtulo 2 69
Interpolacao de Imagens
Interpolacao por vizinho mais proximo explicada no exemplo anterior;* produz artefatos indesejaveis como distorcao nas bordas retas
Interpolacao bilinear usa 4 vizinhos mais proximos:
v(x, y) = ax+ by + cxy + d
* proporciona resultados muito melhores que a anterior, com
pequeno aumento de custo computacional
Interpolacao bicubica usa 16 vizinhos mais proximos:
v(x, y) =
3∑i=0
3∑j=0
aijxiyj
* e melhor em preservar detalhes finos do que a bilinear
E possıvel utilizar mais vizinhos com tecnicas mais complexas, que podem gerar
resultados melhores, mas o custo computacional raramente se justifica para o
processamento digital de imagens de uso geral.Carla e Maycon Capıtulo 2 70
MO443A - Processamento de Imagens Digitais
Capıtulo 2
Carla Negri LintzmayerMaycon Sambinelli
13 de marco de 2012
Carla e Maycon Capıtulo 2 71