Análisis de imágenes digitales

Transcripción

1 Análisis de imágenes digitales FUNDAMENTOS DE LA IMAGEN DIGITAL Tipos de gráficos y formatos de imagen

2 TIPOS DE GRÁFICOS Los diferentes tipos de gráficos permiten el libre intercambio de información entre diferentes aplicaciones y plataformas. Es conveniente conocer el tipo de gráfico de acuerdo a la aplicación de la imagen: Tipos de gráficos Mapa de bits Vectoriales Modelos 3D 2

3 TIPOS DE GRÁFICOS Gráfico de mapa de bits: matriz numérica que representa una imagen dentro de una retícula (raster) de píxeles. Está caracterizado por su altura, anchura y profundidad del color. Anchura (píxeles) Altura (píxeles) 3

4 TIPOS DE GRÁFICOS Formato RAW TIFF JPG ó JPEG GIF PNG Descripción Datos en crudo tomados directamente del sensor de la cámara digital. Es un negativo digital. Contiene la mayor catidad de información de la exposición (sin procesamiento). Tagged Image File Format archivo de compresión sin pérdida. Es el mejor formato para archivar imágenes de alta calidad. Joint Photography Experts Group archivo creado específicamente por fotógrafos y contiene millones de colores. Compresión de datos con pérdida. Útil para uso web y correo electrónico. Graphics Iterchange Format archivo preferido para gráficos ya que mantiene la calidad de los bordes y las líneas. Limitado a 256 colores. Pueden ser estáticos o animados. Portable Network Graphics alternativa de código abierto del GIF. Provee mayor compresión sin pérdida que el GIF. Útil para almacenar imágenes en etapas intermedias de edición. 4

5 TIPOS DE GRÁFICOS Salida CCD (datos RGB) Separación en canales RGB Compensación de RGB y ajustes Imagen RGB (RAW) Conversión Brillo Contraste Color Pros: la imagen RAW presenta mayor brillo y detalles finos de los objetos. Cons: los archivos RAW suelen ser muy grandes y generalmente el formato RAW es único para cada cámara. 5

6 TIPOS DE GRÁFICOS Gráfico vectorial: es una imagen formada por objetos geométricos independientes que poseen atributos matemáticos como forma, posición, color. Manipular el tamaño de la imagen sin sufrir pérdida de calidad. Un ejemplo clásico son las curvas splines; por tanto, es independiente de la resolución. Fuente como curva spline 6

7 TIPOS DE GRÁFICOS Mapa de bits Gráfico vectorial 7

8 TIPOS DE GRÁFICOS Mapa de bits Gráfico vectorial 8

9 TIPOS DE GRÁFICOS Los gráficos 3D se originan mediante cálculos matemáticos sobre entidades geométricas tridimensionales producidas en una computadora y cuyo propósito es conseguir una proyección visual en dos dimensiones para ser mostrada en una pantalla o impresa en papel. Modelar: crear y representar la geometría de objetos en un mundo virtual 3D. Creación de gráficos 3D Renderizar: generar imágenes 2D a partir de un modelo 3D utilizando efectos fotorealísticos. Animar: describir el movimiento de los objetos en la escena. 9

10 TIPOS DE GRÁFICOS Modelado 3D es el proceso de representar matemáticamente o geométricamente cualquier superficie tridimensional de un objeto a través de un software. Un modelo 3D representa un objeto 3D usando una colección de puntos en un espacio 3D, conectados por varias entidades geométricas como triángulos, líneas, superficies curveadas, etc. El planeta Tierra se puede modelar como un elipsoide de la forma: 10 ( x x 0 ) 2 ( ) 2 ( ) 2 + y y 0 + z z 0 = r x r y r z donde r x y r y representan el radio ecuatorial (6,378 km) y r z denota el radio polar (6,357 km).

11 TIPOS DE GRÁFICOS El renderizado es el proceso de generar una imagen 2D a partir de un modelo 3D. Para generar una vista 2D del modelo 3D se utilizan efectos fotorrealísticos para dar la sensación de profundidad como: color, iluminación, sombreado, superficie de texturas, reflexiones, transparencias, etc. Modelo 3D alámbrico Superficie de textura Iluminación 11

12 TIPOS DE GRÁFICOS La animación consiste en controlar el movimiento de los objetos mediante la simulación de las leyes de la física, biomécanica, efectos especiales, etc. La animación puede ser automática o interactiva 12

13 MAPA DE BITS PROFUNDIDAD DEL COLOR Los algoritmos de análisis de imágenes están enfocados al tratamiento de mapa de bits, los cuales poseen dos características importantes: profundidad del color y compresión. Profundidad del color (bpp): es la cantidad de bits necesarios para representar el color de un píxel. Una profundidad de n bits implica que cada píxel puede tener 2 n posibles valores. bpp Colores disponibles =2 colores (monocromo) blanco y negro =4 colores (CGA, Color Graphics Adapter) =16 colores (VGA, Video Graphics Array) =256 colores (SVGA, Super VGA) =65,536 colores (HiColor) =16,777,216 colores (Color verdadero). 13

14 MAPA DE BITS PROFUNDIDAD DEL COLOR 8-bits (256 colores) Píxel 24-bits (Color verdadero) Píxel Cada píxel está representado por 8-bits de memoria Cada píxel está representado por tres grupos de 8-bits 256 colores (Lookup table) Azul Verde Rojo Componentes RGB 14

15 MAPA DE BITS PROFUNDIDAD DEL COLOR 1-bit (2 colores) 2-bits (4 colores) 4-bits (16 colores) 8-bits (256 colores) 24-bits (Color verdadero) 15

16 MAPA DE BITS PROFUNDIDAD DEL COLOR El color indizado es una técnica que permite almacenar imágenes digitales de forma económica y se puede considerar como un tipo de cuantización digital. La información del color no se codifica directamente en el píxel de la imagen, sino que se encuentra almacenado en otro espacio llamado paleta de colores, que es un arreglo de elementos de color. De esta manera, cada elemento de la imagen contiene un índice que apunta a una posición en la paleta de colores. Por tanto, a esta técnica también se le denomina pseudocolor o color indirecto. 16

17 MAPA DE BITS PROFUNDIDAD DEL COLOR La paleta almacena un número limitado de colores de tamaño 2 n, donde n es la profundidad del color. Ejemplo: imagen de 2-bits con color indizado. Matriz de índices Imagen a color Paleta

18 MAPA DE BITS PROFUNDIDAD DEL COLOR Representación gráfica del color indizado. Píxeles en el buffer de la imagen P Píxeles en pantalla Los 8-bits asociados a cada píxel en el buffer se usan como apuntador (P) al conjunto de tablas lookup RGB. R G B Tablas lookup 18

19 MAPA DE BITS PROFUNDIDAD DEL COLOR Ejemplo: imágenes con color indizado; a la derecha de cada imagen su respectiva paleta de colores. 2-bits (4 colores) 4-bits (16 colores) 8-bits (256 colores) 19

20 MAPA DE BITS COMPRESIÓN Compresión: reducir la redundancia de los datos de la imagen para almacenarlos o transmitirlos de forma eficiente. Tipos de compresión Sin pérdida (lossless): mientras que una imagen sin compresión codifica el valor de cada píxel de la imagen, Lossless codifica áreas que contienen píxeles con el mismo valor (imágenes médicas, dibujos técnicos, comics, etc.). Formatos: PNG, GIF. Con pérdida (lossy): descarta información que es imperceptible para el ojo humano (fotografías). Formatos: JPG. 20

21 MAPA DE BITS COMPRESIÓN Imagen original Compresión loosy Coeficientes DCT Dominio de frecuencias Filtrado DCT IDCT Dominio espacial 21 Dominio espacial

22 MAPA DE BITS COMPRESIÓN Imagen original sin comprimir KB 84% de pérdida de información 9.37 KB 92% de pérdida de información 4.82 KB 98% de pérdida de información 1.14 KB 22

23 FORMATOS DE ALMACENAMIENTO Comparación de formatos de almacenamiento. Formato apple PC Rast Vect 1-bit 2-bits 4-bits 8-bits 16-bits 24-bits Compr BMP TIFF PICT PSD PNG JPEG TARGA PCX Metafile CGM EPS 23

24 FORMATO BMP Archivos BMP: formato para almacenamiento de gráficos de mapa de bits usado como estándar por Windows y OS/2. Está compuesto por 4 partes principales: encabezado, información del mapa de bits, paleta de colores y mapa de bits. El archivo BMP contiene toda la información de la imagen en un vector columna, donde cada elemento representa un byte. 24

25 FORMATO BMP Estructura del archivo BMP para imágenes de 8-bits. Estructura del encabezado Offset Bytes Nombre Valor Propósito 1 2 bftype Tipo de archivo [ B M ] = [66 77]. 3 4 bfsize * Tamaño del archivo en bytes. 7 2 bfreserved 0 Reservado. 9 2 bfreserved 0 Reservado bfoffbits 1078 ó 998 Especifica el offset desde el inicio del archivo hasta donde comienza el mapa de bits está definido para imágenes en escala de grises y 998 para imágenes a color. * bfsize n + 4 n Ancho 32 Altura 25

26 FORMATO BMP Estructura del archivo BMP para imágenes de 8-bits. Información del mapa de bits Offset Bytes Nombre Valor Propósito 15 4 bisize 40 Tamaño en bytes de esta estructura biwidth int Ancho en píxeles de la imagen biheight int Altura en píxeles de la imagen 27 2 biplanes 1 Número de planos del mapa de bits bibitcount 8 Profundidad del color (bits por píxel) bicompression 0 Tipo de compresión (0 = sin compresión) bisizeimage 0 Tamaño en bytes del mapa de bits bixppm 0 Resolución horizontal en píxeles por metro biyppm 0 Resolución vertical en píxeles por metro biclrused 256 ó 236 Número de colores usados en el mapa de bits. 256 para imágenes en grises y 236 para imágenes en colores biclrimportant 0 Colores importantes del mapa de bits. 26

27 FORMATO BMP La paleta de colores define los valores RGB de cada píxel. Comienza en el offset 55 y termina en el valor definido por bfoffbits. Arreglo de la paleta de colores Inicio Bytes Nombre Propósito 1 1 rgbblue Valor del azul. 2 1 rgbgreen Valor del verde. 3 1 rgbred Valor del rojo. 4 1 rgbreserved Reservado, siempre tiene que ser cero. ColorMap = b g r 0 b g r 0 T 27

28 FORMATO BMP Los datos del mapa de bits comienzan en bfoffbits+1 hasta el final del archivo. La imagen se lee/salva a partir del primer píxel del último renglón. Píxeles almacenados en el archivo Píxeles mostrados en pantalla 28

29 FORMATO BMP El ancho de la imagen (i.e., valor de biwidth) debe ser múltiplo de 4. Si esta condición no se cumple, se realiza un padding con ceros para ajustarlo a múltiplo de 4 antes de salvar la imagen y se debe eliminar dicho padding en la lectura de la imagen. 6 bytes que representan una fila del mapa de bits bytes con padding para almacenamiento padding 29

30 FORMATO BMP Cuando biclrused = 236, es decir, es una imagen a colores, se realiza el mapeo del color mediante el índice del píxel en el mapa de bits (i.e., color indizado). Paleta de colores R G B Mapa de bits Imagen a color

31 FORMATO BMP Cuando biclrused = 256, es decir, es una imagen en escala de grises, no es necesario realizar el mapeo del color, ya que el índice del píxel indica su nivel de gris Paleta de colores R G B Mapa de bits Imagen en escala de grises 31

32 FORMATO BMP Algoritmo para leer un archivo BMP de 8-bits. Cadena string con nombre del archivo Abrir archivo BMP Determina si hay padding 1 Mensaje de error no Existe? Leer el mapa de bits si Leer archivo BMP Color RGB o Gris? Gris no BMP & 8-bits? si Leer la paleta de colores Paleta+Mapa = Imagen de salida Mapa = Imagen de salida Determinar dimensiones de la imagen 1 FIN 32

33 FORMATO BMP IMPLEMENTACIÓN El archivo BMP se abre y se lee con fopen y fread, respectivamente. Este procedimiento carga en alguna variable x el vector columna que contiene el archivo BMP. Información relevante extraída a partir del archivo BMP Offset Bytes Nombre Valor Propósito 1 2 bftype Tipo de archivo [ B M ] = [66 77] bfoffbits 1078 ó 998 Especifica el offset desde el inicio del archivo hasta donde comienza el mapa de bits está definido para imágenes en escala de grises y 998 para imágenes a color bibitcount 8 Profundidad del color (bits por píxel) biwidth int Ancho en píxeles de la imagen biheight int Altura en píxeles de la imagen 47 4 biclrused 256 ó bfoffbits ColorMap int Paleta de colores bfoffbits+1 - BitMap int Mapa de bits Número de colores usados en el mapa de bits. 256 para imágenes en grises y 236 para imágenes en colores. 33

34 FORMATO BMP IMPLEMENTACIÓN Suponiendo que se lee un archivo que contiene una imagen a color, y sea x el vector columna con los datos leídos a partir del archivo BMP: Info de la imagen bftype = x(1:2); bfoffbits = x(11:14); 55 0 Paleta ColorMap = x(55:998); BitMap BitMap = x(999:end); 34

35 FORMATO BMP IMPLEMENTACIÓN Dado que la información de la imagen contenida desde el offset 1 hasta 54 son grupos de bytes de 16 ó 32 bits, dependiendo de la variable, es necesario hacer el siguiente tratamiento: bftype! MSB LSB! 77 66!! Conversión de decimal a binario!! Concatenación! Conversión de binario a decimal 35

36 FORMATO BMP IMPLEMENTACIÓN Si se extrae la paleta de colores a una variable hay que generar una matriz de (número de colores 3 canales): ColorMap = T b = ColorMap(1:4:end); g = ColorMap(2:4:end); r = ColorMap(3:4:end); MAP = [r g b]/255; Si se extrae el BitMap a una variable hay que generar una matriz de tamaño biwidth biheight. Pero antes, hay que determinar si existe padding al final de cada renglón para hacer su tamaño múltiplo de 4. Se utiliza la información de biwidth. % La variable pad contiene la % cantidad de ceros de padding k = 1; I = zeros(biheigth,biwidth); for i = biheigth:-1:1 I(i,:) = BitMap(k:k+biWidth-1); k = k+biwidth+pad; end 36

37 FORMATO BMP IMPLEMENTACIÓN Si la imagen es en escala de grises (biclrused = 256) entonces el mapa de bits es la imagen de salida (no requiere mapear el color). Si la imagen es a colores (biclrused = 236), entonces hay que generar la imagen de salida de tamaño biwidth biheight 3. R = zeros(biheigth,biwidth); % Matrices auxiliares RGB G = R; B = R; idx = unique(i(:)); % Determina cuáles índices existen for i = 1:length(idx) ind = I==idx(i); % Extrae los índices con valor igual R(ind) = MAP(idx(i)+1,1); % Transfiere la información del rojo G(ind) = MAP(idx(i)+1,2); % Transfiere la información del verde B(ind) = MAP(idx(i)+1,3); % Transfiere la información del azul end Iout = cat(3,r,g,b); % Genera la imagen RGB de salida 37