ea978 sistemas de informações gráficas 1º semestre de...
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EA978Sistemas de Informações Gráficas
1º Semestre de 2001
Prof. José Mario De Martinomartino@dca.fee.unicamp.br
FEEC - Bloco A - Sala 317
www.dca.fee.unicamp.br /~martino/cursos/ea978/ea978.html
EA978 Sistemas de Informações Gráficas - Prof. J. Mario De Martino 2____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________Organização da Disciplina
� Objetivo
Apresentar e discutir conceitos associados àgeração, processamento e armazenamento deimagens digitais, assim como detalhes técnicosde implementação de sistemas evolvendo taisconceitos.
� Ementa� Introdução: Visão Geral� Luz e Percepção Visual� Dispositivos de aquisição de imagens� Reprodução de cores e tons de cinza� Imagens e Formatos gráficos (gif e jpeg)� Rasterização de linhas e polígonos� Processamento de imagens: operações de
combinação; windowing; deteção de bordas,entre outras.
� Síntese de imagens por computador:modelagem geométrica, transformações 3D,projeção, recorte (clipping); eliminação desuperfícies escondidas e modelos detonalização.
EA978 Sistemas de Informações Gráficas - Prof. J. Mario De Martino 3____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________Organização da Disciplina
� Bibliografia
� Procedural Elements for Computer Graphics
David F. Rogers
McGraw-Hill , 1985
� Computer Graphics Principles and Practise
J. Foley, A. van Dam, S. Feiner, J. Hughes
Addison-Wesley, 1990
� Illumination and Color in Computer GeneratedImagery
Roy Hall
Springer Verlag, 1989
� Processamento de Imagens Digitais
Rafael C. Gonzalez, Richard Woods
Edgard Blücher Ltda, 2000.
� Computação Gráfica: Imagem
Jonas Gomes, Luiz Velho
IMPA/SBM - Série de Computação e Matemática
1994
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____________________________________________________________________________Organização da Disciplina
� Critério Avaliação
� 2 Provas: P1 e P2
� Aprovação sem exame
M= 0,5 P1 + 0,5 P2 ≥5,0
� Aprovação com exame
ME = 0,6 M + 0,4 E
� Datas Impor tantes
� Prova 1: 24/abril
� Prova 2: 28/junho
� Exame: 12/julho
EA978 Sistemas de Informações Gráficas - Prof. J. Mario De Martino 5____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________Introdução
� Sistemas de Informações Gráficas
� Sistemas Computacionais voltados à síntese,análise, processamento e armazenamento deimagens.
� Exemplos de Aplicações
� CAD (Computer Aided Design)� Desktop Publishing� Inspeção Visual Automática - C.Q.� Visualização Científica� Propaganda� Entretenimento: animações, efeitos especiais,
jogos, etc.
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____________________________________________________________________________Introdução
� Sistemas de Informações Gráficas
Modeloe Informações Relacionadas à
Imagem
Síntese
Aquisição
Análise
Processamentode Imagem
Apresentação
Interpretação
Imagem Digital
MundoExterior
MundoExterior
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____________________________________________________________________________Introdução
Sistemas de Informações Gráficas
Apresentação: Transformação da imagemdigital em representação visual passível de serapresentada a observador humano.
Aquisição: Conversão da informação luminosa(energia luminosa) existente no mundo real emimagem digital. Ocorre em equipamentos decaptura, tais como, câmeras e scanners.
Processamento de Imagem: Transformação deuma imagem digital em outra imagem digital.Por exemplo: filtrar ruído, realçar bordas,aumentar contraste, alterar as cores, etc.
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____________________________________________________________________________Introdução
� Sistemas de Informações Gráficas
� Síntese: Processo de gerar imagem digital apartir de um modelo que a descreve.
Por exemplo:� Cor: (0, 0, 0) - preto (r, g, b)� Geometria: (0,0,0)(1,0,0) (1,1,0)(0,1,0)
� Análise: Extração de informação da imagem.Segmentação da imagem em regiões/objetos.(analogia: identificar e isolar as letras e aspalavras de um texto).
� Interpretação: Extração e associação designificado aos elementos da imagem.(analogia: entender o significado do texto)
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
� Luz
� Física Clássica: Onda Eletromagnética (explicafenômenos da reflexão, refração, difração,interferência, polarização).
� Física Quântica: Característica corpuscular.Transporte de energia em pacote com valoresdiscretos (fótons - energia = hf ; h cte dePlanck; f freqüência).
� Física Moderna: dualidade onda/corpúsculo.
� Neste curso prepondera o tratamento da FísicaClássica:
Luz é energia visível transportada por ondaeletromagnética (energia radiante visível).
Visível: capaz de estimular o sistema visualhumano, produzindo sensação visualperceptível.
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
� Luz e o Espectro Eletromagnético
� Faixa Visível (aprox.)
380 nm a 780 nm
4 x1014 a 8 x 1014 Hz
104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 1026
1013 1011 109 107 105 103 10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 10-11
Comprimento de Onda [nm]
Freqüência [Hz]
Visível
UltravioletaInfravermelho
Raios XMicroondas
Rádio Raios γ
Raios Cósmicos
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
� O Olho Humano
� Córnea: extensão transparente do tecido brancoe opaco que reveste o globo ocular. Suasuperfície externa é mantida limpa e em boascondições ópticas por fina camada de águasalgada que é reposta de tempos em tempospelo piscar das pálpebras.
� Í r is: diafragma que controla a abertura dapupila.
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
� O Olho Humano
� Pupila: orifício da íris através do qual a luzpassa para atingir o interior do olho. A pupilade um olho saudável é preta uma vez que a luzao entrar no olho é totalmente absorvida emsua totalidade não sendo refletido de volta.Músculos envolvem a íris controlam a aberturada pupila em função da intensidade luminosa.
� Cristalino: tecido transparente e flexível queatua com lente do sistema visual. A espessura e,portanto, as características ópticas do cristalinoé controlado por músculos radiais e circularesque o envolvem.
� Retina: é uma estrutura complexa formada decélulas fotoreceptoras e tecidos nervosos. Ascélulas fotoreceptoras ao serem estimuladaspela luz geram impulsos nervosos de naturezaeletro-química que são conduzidos pelostecidos nervosos até o nervo óptico e deste parao cérebro. Existem dois tipos de célulasfotoreceptoras: cones e bastonetes.
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
� O Olho Humano
� Bastonetes: célula fotoreceptora responsávelpela visão noturna ou escotópica.
� Ligação ao nervo óptico em grupos implicandoem maior sensibil idade à radiação luminosa(soma de estimulo de diversos bastonetes)
� Geram apenas sensação acromática (branco, tonsde cinza e preto).
� A fotosensibilidade dos bastonetes estáassociada à absorção da energia radiante porpigmento fotosensível denominado Rodopsina.
� Durante a absorção da luz, a rodopsina setransforma sendo consumida.
� A reposição da rodopsina acontece por umprocesso natural de regeneração relativamentelento: uma vez que a tenha sido totalmenteconsumida, a reposição exige aproximadamentemeia hora sem exposição à luz.
� Em uma situação de iluminação diurna,caracterizada por uma longa exposição a umenergia radiante relativamente intensa, tem-se oconsumo total da rodopsina sem a oportunidadede reposição, tornando nula a contribuição dosbastonetes na percepção visual diurna.
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
� O Olho Humano
� Cones: célula fotoreceptora responsável pelavisão diurna ou fotópica.
� Ligados ao nervo óptico individualmente (menorsensibilidade à luz que os bastonetes).
� Responsáveis pela sensação cromática(permitem a distinção entre, por exemplo,amarelo e vermelho).
� 3 tipos de cones, cada um absorvendo a energialuminosa em faixas distintas do espectro visível:1) faixa de comprimento de onda pequeno(violeta-azul; 2) faixa intermediária (verde-amarelo); 3) faixa de comprimento de ondagrande (amarelo-vermelho).
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
� O Olho Humano
� Distribuição dos Cones e Bastonetes na retina.
Densidade de Cones e Bastonetes
0
50000
100000
150000
200000
70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70
Ângulo perimétrico
Con
es o
u B
asto
nete
s po
r m
m2
NarizOuvido
BastonetesCones
Ponto Cego
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
� O Olho Humano
� Os cones e bastonetes se distribuem de maneirasimétrica ao redor da região centra da retinadenominada fóvea (fovea centralis).
� A Fóvea é caracterizada por uma altaconcentração de cones e praticamente nenhumbastonete (fóvea possui 1 mm2 em adultos -aprox. 2°).
� Até aprox. 5° os cones são abundantes,misturados a poucos bastonetes. A partir desteponto a densidade dos cones cai drasticamente ea dos bastonetes aumenta significativamente.
� A densidade dos bastonetes atingi um máximoem torno de 20°, diminuindo a partir desteponto lentamente.
� No ponto onde o nervo óptico chega á retinatemos uma pequena região sem fotoreceptores -o denominado ponto cego.
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
Percepção de cores
! Processo complexo que envolve aspropriedades físicas da luz, sua transduçãopelos fotoreceptores do olho em estímulosnervosos e a interpretação destes pelo cérebro(fenômenos físicos, fisiológicos e psicológicos).
! É a luz advinda de um objeto, seja por reflexão,transmissão e/ou emissão que estimula osistema visual humano permitindo que o objetoseja percebido visualmente.
! A cor percebida de um objeto depende não sódas características da superfície do objeto, mastambém das características da iluminação, deobjetos a sua volta e do sistema visual doobservador.
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
" Percepção Acromática
# Uma composição espectral aproximadamenteconstante (cada componente espectral commesma potência) é percebida com uma luzacromática.
Distribuição Espectral de Potência
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
Comprimento de Onda [nm]
Den
sida
de d
e P
otên
cia
U[W
/nm
]
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
$ Percepção Acromática
% Uma fonte de luz (emissor de luz) acromática épercebida como branca.
% Objetos acromáticos (não emissores de luz)refletem igualmente as componentes espectraisda luz incidente. Objetos acromáticosiluminados por luz acromática são percebidoscom branco, preto ou algum tom intermediáriode cinza (branco refletem mais do que 80%;preto refletem menos do que 3%).
% Luz acromática não possui uma corpredominante (cor é o que percebemos comovermelho, verde , amarelo, etc …).
% O atributo que varia entre duas percepçãodistintas de uma luz acromática (dois tons decinza) é a luminosidade (brightness/lightness),ou seja, a quantidade de energia da luz.
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
& Percepção Cromática
' A sensação visual da luz cromática é mais ricado que a da luz acromática. Além daluminosidade, luz possui matiz (hue) esaturação (saturation).
' Matiz é o que associamos usualmente aoconceito de cor (vermelho, verde, etc…).
' Saturação caracteriza o grau de diluição damatiz em branco. O vermelho é uma corsaturada, o rosa é uma cor menos saturada.
' Matiz, saturação e luminosidade (hue,saturation, brightness/lightness) são conceitosfortemente associado à nossa percepção decores.
' Matiz, saturação e luminosidade podem serassociados as seguintes caracteríticas físicas:compr imento de onda dominante, pureza eluminância, respectivamente.
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
( Percepção Cromática
) Compr imento de onda dominante
) Pureza
Pw - potência do branco
Pd - potência da dominante
) Luminância: medida do fluxo de energia..
d
w
P
PPureza −=1
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
* Percepção Cromática
+ (Matiz, Saturação, Luminosidade) X(Compr imento de onda, Pureza ,Luminância)
, Exemplo: Verde saturado
, Exemplo: Verde pouco saturado
Distribuição Espectral
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
Comprimento de Onda [nm]
Den
sida
de d
e P
otên
cia
P [W
/nm
]
Distribuição Espectral
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780Comprimento de Onda [nm]
Den
sida
de d
e P
otên
cia
P[W
/nm
]
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
- Instalação para experimentos de igualação decores
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
. Visão Monocromática (somente bastonetes)
Absorção Espectral da Rodopsina
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
380 430 480 530 580 630
Comprimento de Onda
Fato
r de
Abs
orçã
o
Condição 1
Estímulo de comprimento λ = 500 nm Estímulo de comprimento λ = 575 nm
Potência Incidente Potência Absorvida Potência Incidente Potência Absorvida
100 W 10 W 100 W 1,5 W
Condição 2
Estímulo de comprimento λ = 500 nm Estímulo de comprimento λ = 575 nm
Potência Incidente Potência Absorvida Potência Incidente Potência Absorvida
100 W 10 W 666,67 W 10 W
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
/ Visão Monocromática (somente bastonetes)
0 Regulando a potência os dois estímulosproduzirão a mesma sensação.
0 Dada uma luz monocromática com determinadocomprimento de onda, sempre é semprepossível produzir a mesma sensação visualdesta luz regulando a potência de outra luzmonocromática com um comprimento de ondaarbitrário (com uma luz de potência regulávelconsigo produzir a sensação visual de qualqueroutra luz)
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
1 Visão Dicromática (apenas dois tipos de cones)
Absorção de dois pigmentos hipotéticos com sobreposição
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
Comprimento de Onda
Fato
r de
Abs
orçã
o
A
B
λ 1 λ 2
Condição 1
Estímulo de comprimento λ1 Estímulo de comprimento λ2
PotênciaIncidente
Absorção de A Absorção de B PotênciaIncidente
Absorção de A Absorção de B
100 W 77 W 10 W 100 W 41 W 80 W
Condição 2
Estímulo de comprimento λ1 Estímulo de comprimento λ2
PotênciaIncidente
Absorção de A Absorção de B PotênciaIncidente
Absorção de A Absorção de B
100 W 77 W 10 W 187,80 W 77 W 150,24 W
Condição 3
Estímulo de comprimento λ1 Estímulo de comprimento λ2
PotênciaIncidente
Absorção de A Absorção de B PotênciaIncidente
Absorção de A Absorção de B
100 W 77 W 10 W 12,5 W 5,125 10 W
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
2 Visão Dicromática (apenas dois tipos de cones)
Absorção de dois pigmentos hipotéticos com sobreposição
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
Comprimento de Onda
Fato
r de
Abs
orçã
o
A
B
λ 1 λ2 λ 3
Condição 1
Estímulo λ1 Estímulo composto λ2 + λ3
Comprimentode Onda
PotênciaIncidente
Absorçãode A
Absorçãode B
Comprimentode Onda
PotênciaIncidente
Absorçãode A
Absorçãode B
λ1 100 W 96 W 50 W λ1 - - -
λ2 - - - λ2 100 W 77 W 10 W
λ3 - - - λ3 100 W 41 W 80 W
Total 96 W 50 W Total 118 W 90 W
Condição 2
Estímulo λ1 Estímulo composto λ2 + λ3
Comprimentode Onda
PotênciaIncidente
Absorçãode A
Absorçãode B
Comprimentode Onda
PotênciaIncidente
Absorçãode A
Absorçãode B
λ1 100 W 96 W 50 W λ1 - - -
λ2 - - - λ2 97,91 W 75,39 W 9,79 W
λ3 - - - λ3 50,26 W 20,61 W 40,21 W
Total 96 W 50 W Total 96 W 50 W
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
3 Visão Dicromática (apenas dois tipos de cones)
Condição 1
Estímulo λ3 Estímulo composto λ1 + λ2
Comprimento deOnda
PotênciaIncidente
Absorçãode A
Absorçãode B
Comprimento deOnda
PotênciaIncidente
Absorçãode A
Absorçãode B
λ1 - - - λ1 100 W 96 W 50 W
λ2 - - - λ2 100 W 77 W 10 W
λ3 100 W 41 W 80 W λ3 - - -
Total 41 W 80 W Total 118 W 90 W
Condição 2
Estímulo λ3 Estímulo composto λ1 + λ2
Comprimento deOnda
PotênciaIncidente
Absorçãode A
Absorçãode B
Comprimento deOnda
PotênciaIncidente
Absorçãode A
Absorçãode B
λ1 - - - λ1 198,96 W 191 W 99,48 W
λ2 - - - λ2 – 194,81 W – 150 W – 19,48 W
λ3 100 W 41 W 80 W λ3 - - -
Total 41 W 80 W Total 41 W 80 W
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
4 Visão Dicromática (apenas dois tipos de cones)
5 É possível produzir a sensação visual de umestímulo de determinado comprimento de ondapela composição de outras dois estímulos decomprimento de onda diferentes.
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
6 Visão Tr icromática (3 tipos de cones)
7 É possível produzir a sensação visual de umestímulo de determinado comprimento de ondapela composição de outros três estímulos decomprimento de onda diferentes.
Absorção Espectral dos Pigmentos dos Cones
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
Comprimento de Onda
Fato
r de
Abs
orçã
o
AB
C
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
8 Visão Tr icromática - Leis de Grassmann
9 Com três estímulos de cores diferentes eindependentes é possível produzir qualqueroutra cor (supondo que se possa subtrair cores).
9 Em uma mistura de 3 cores, se um das cores foralterada de forma contínua e gradual, oresultado também se altera de foram continua egradual.
9 Estímulos da mesma cor produzem efeitosidênticos em misturas independentemente dacomposição espectral
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
: Visão Tr icromática - Corolár ios Leis deGrassmann
; Se um estímulo a tem mesma cor que estímulob e um estímulo c tem mesma cor que umestímulo d, então a soma de a com c produz amesma cor da soma de b com d. (se a = b e c =d, então a + c = b +d)
; Se um estímulo a tem mesma cor que estímulob e uma mistura c tem mesma cor que umamistura d, então a subtração de a da mistura cproduz a mesma cor da subtração de b damistura d. (se a = b e c = d, então c - a = d - b)
; Se uma unidade de um estímulo a tem a mesmacor que uma unidade de um estímulo b, entãoqualquer quantidade de unidades de um dosestímulos tem a mesma cor que a mesmaquantidade de unidades do outro estímulo.
; Comportamento linear:
BGRC BGR ++=
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
< Manipulação de Cores através de álgebra lineare representação vetor ial.
= Mistura aditiva de C1 com C2
BGRC 1111 BGR ++=
BGRC 2222 BGR ++=
BGRCC )()()( 21212121 BBGGRR +++++=+
Distribuição Espectral
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
Comprimento de Onda [nm]
Den
sida
de d
e P
otên
cia
P[W
/nm
]
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
> Manipulação de Cores através de álgebra lineare representação vetor ial.
? Mistura aditiva de cores monocromáticasC = C1+ C2 …+ Cn
BGRC ∑∑∑===
++=n
ii
n
ii
n
ii BGR
111
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____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
@ Visão Tr icromática - Funções de igualação decores (color matching funtions)
A Estímulos primários:
R = 700 nm; G = 546,1 nm; B = 435,8 nm
Funções de Igualação de Cores
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
Comprimento de Onda [nm]
Val
or d
o es
tímul
o
b(λ)
g(λ)
r(λ)
EA978 Sistemas de Informações Gráficas - Prof. J. Mario De Martino 36____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________Luz e Percepção Visual
B Visão Tr icromática - Funções de Igualação decores
C Para estímulo com uma composição espectralarbitrária tem-se um processo de integração
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