Processamento digital de imagens

Agostinho Brito

Departamento de Engenharia da Computação e AutomaçãoUniversidade Federal do Rio Grande do Norte

30 de julho de 2015

Processamento de imagens coloridas

Motivações: cor ajuda reconhecimento de objetos; olho humano é muito maissensível à informação de cor que aos tons de cinza.

Algoritmos apresentados podem ser utilizados ou adaptados para trabalhar commodelos que suportem cor.

Full-color: sensores permitem a captura de vários canais de cor.

Pseudo-color: sistema atribui a um nível de cinza uma cor específica.

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Uma experiência simples com um prisma pode demonstrar que a luz branca éobtida pela combinação de luzes de cores diferentes.

Existem três quantidades básicas que são utilizadas para descrever a qualidadede uma fonte de luz cromática:

Radiância: quantidade de energia que flui da fonte de luz (medida em Watts).Luminância: quantidade de energia que um observador percebe (medida em lúmens).Raios infra-vermelhos podem possuir alta radiância, mas baixa luminância.Brilho: Noção acromática da intensidade da luz.

No olho humano, os bastonetes percebem intensidade. Os cones, por sua vez,percebem cor.Ocorrem nas seguintes proporções:

65% são sensíveis à luz vermelha.33% são sensíveis à luz verde.2% são sensíveis à luz azul.

Por esta característica do olho humano, as cores são vistas como combinaçõesdas cores primárias R(ed), G(reen) e B(lue).

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Em 1931, a CIE (Comission Internationale de l’Eclairage) designou os seguintescomprimentos de ondas para as três cores primárias: blue = 435.8nm,green = 546.1nm e red = 700nm.

Entretanto, em 1965, as seguintes curvas experimentais foram obtidas, mostrandoque os padrões do CIE correspondem apenas a aproximações para os dadosexperimentais.

400 450 500 550 600 650 700 nm

Abs

orçã

o(u

nida

des

arbi

trária

s)

Comprimento de onda

445nm 535nm 575nm

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A mistura de cores primárias produz cores secundárias (Cyan, Magenta e Yellow).Para mistura de pigmentos, as cores primárias são as secundárias para misturade luz, e vice-versa.

Para pigmentos, uma cor primária é aquela que absorve um cor primária da luz etransmite as outras duas.

Aditivo Subtrativo

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Características da corBrilho: noção acromática de intensidade.

Matiz (Hue): representa o comprimento de onda dominante da luz percebida peloobservador.Saturação: define a pureza da cor, ou seja, a quantidade de luz branca misturadacom uma determinada matiz.

As cores puras do espectro são completamente saturadas.Cores como rosa (vermelho e branco) e lavanda (violeta e branco) são menossaturadas.

Matiz + saturação = cromaticidade.

Teoria dos tristímulos: as quantidades de vermelho, verde ou azul necessáriaspara formar qualquer cor particular são chamadas tristímulos, denotadas por X , Ye Z . A cor é representada pelos seus coeficientes tricromáticos x , y e z.

x =X

X + Y + Zy =

YX + Y + Z

z =Z

X + Y + Z

Note que:x + y + z = 1

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Diagrama de cromaticidade CIE

Mostra a composição decores como função de x(vermelho) e y (verde).

Lembrar que z = 1− (x + y).

As posições das várias coresdo espectro são mostradasneste diagrama.

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Diagrama de cromaticidade CIE

A escolha de cores para umdeterminado dispositivo éfeita escolhendo-se umtriângulo de cromaticidade,especificando-se as coresprimárias x e y dos vérticesdo triângulo.

A região irregular mostra agama de cores aproximadaque pode ser representadapor um dispositivo deimpressão.

B

G

R

x

y

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Modelos de corOs modelos de cor visam facilitar a especificação de cores em algum padrão,utilizando um sistemas de coordenadas. Cada cor é definida por um ponto nestesistema.

Os modelos de cor são orientados a hardware ou a aplicações que visammanipulação de cores.

Os modelos mais utilizados na prática são RGB, CMY, CMYK e HSI.

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Modelo de cor RGBSistema de coordenadas cartesiano. Os eixos correspondem às componentesprimárias da luz R(ed), G(reen) e B(lue).

R

B

(1,0,0)

(0,1,0)

(0,0,1)

Black

White

Gray

Red

Blue Cyan

Magenta

Yellow

GGreen

Espaço de cores Cubo de cor

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Modelo de cor CMY/CMYKSistema de coordenadas cartesiano.

Complementar ao RGB.

Os eixos correspondem às componentes primárias da luz R(ed), G(reen) e B(lue). CMY

=

111

− R

GB

Geralmente não é possível produzir um preto puro com as combinações depigmentos de cor. Solução: utilizar pigmento preto (K).

K = min(C,M,Y )

C = C − K

M = M − K

Y = Y − K

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Modelo de cor HSIAdequado para seleção e interpretação humana de cores, desacopla ainformação de intensidade da informação de cor.Relação conceitual entre RGB e HSI.

SH

Red

YellowGreen

Cyan

Blue Magenta

SH

Red

YellowGreen

Cyan

Blue Magenta

H

S

MagentaBlue Red

Green

YellowCyan

Cyan

Blue

Black

GreenRed

YellowMagenta

White

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Modelo de cor HSIRepresentação com planos de cor circulares.

H ∈ [0o, 360o], S ∈ [0, 1] e I ∈ [0, 1].

I=0.75

HS

I

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Conversão RGB→ HSIAssumindo que os valores de R,G e B são normalizados na faixa [0, 1], aconversão do modelo de cor RGB para o modelo de cor HSI é dada pelasseguintes equações:

θ = arccos

{12 [(R −G) + (R − B)]

[(R −G) + (R − B)(G − B)]1/2

}

H =

{θ se B ≤ G360o − θ se B > G

S = 1− 3R + G + B

[min(R,G,B)]

I =R + G + B

3

Problema: quando R = G = B qualquer valor de H pode ser assumido. Solução:se possível, verificar vizinhança do ponto para estimar um valor adequado.

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Conversão HSI→ RGBAssumindo valores para H ∈ [0o, 360o] e S, I ∈ [0, 1], a conversão do modelo decor HSI para o modelo de cor RGB é dada pelas seguintes equações:

Para 0o ≤ H < 120o

B = I(1− S)

R = I[1 +

S cos(H)

cos(60o − H)

]G = 3I − (R + B)

Para 120o ≤ H < 240o

H = H − 120o

R = I(1− S)

G = I[1 +

S cos(H)

cos(60o − H)

]B = 3I − (R + G)

Para 240o ≤ H < 360o

H = H − 240o

G = I(1− S)

B = I[1 +

S cos(H)

cos(60o − H)

]R = 3I − (G + B)

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Exemplo de decomposição HSI

Matiz Saturação Intensidade

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Processamento de cores falsas (pseudocolor)Uma aplicação simples e prática pode ser feita com o uso das equações domodelo HSI: colorização de imagens monocromáticas. Especialmente útil emimagens médicas.Fazer S = 1, I = 0.5 e H variar entre 0o e 300o. Para cada tom de cinza daimagem monocromática, escolher um valor de H proporcional e obter os valoresde R, G e B correspondentes para montar tabela de cores.Exemplo: imagem 16 bits colorizada com HSI.

16 bits→ cinza 16 bits→ RGB

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Transformações em imagens coloridasO processamento pode ser feito de duas formas:

Em cada uma das componentes R, G e B, de forma dependente ou independente.Transformando o modelo de cores da imagem e processando seus novos canais.As mesmas operações aplicáveis às imagens em tons de cinza são válidas para asimagens coloridas.