Procesamiento Digital De Imágenes

Transcripción

1 Introducción 1

2 Procesamiento Digital De Imágenes El término procesamiento digital de imágenes versa sobre la manipulación y análisis de imágenes por computadora Se utiliza mayormente para extraer/revelar información de/sobre una imagen También se busca comúnmente mejorar una imagen Involucra hardware, software y soporte teórico 2

3 Sistema de Procesamiento de Imágenes 3

4 Etapas Conceptuales Fundamentales del PDI 4

5 Adquisición de la Imagen Las tecnologías de adquisición y despliegue están ampliamente relacionadas, así que las veremos juntas Pero antes hablemos de algunos conceptos básicos Qué es una imagen? 5

6 Imagen Qué es una Imagen? Es una representación visual de un objeto mediante técnicas diferentes de diseño, pintura, fotografía, vídeo, entre otras Puede ser bidimensional, e.g., una fotografía Puede tridimensional, e.g., una estatua Mapas, gráficos, pinturas, etc., son ejemplos de imágenes Una imagen digital es la representación binaria de una imagen 6

7 Imagen = Matriz de Píxeles? Qué es un Píxel? Píxel Picture Element Unidad más pequeña de información de una imagen Píxel lógico vs. Píxel físico Píxel lógico Tiene una posición lógica No tiene tamaño, pero si profundidad Tiene una valor de muestra asociado Píxel físico Tiene una posición física Tiene tamaño, forma y profundidad Tiene un valor? Depende de la tecnología de adquisición/despliegue? 7

8 Rasterizada vs. Vectorial No todas las imágenes son matrices de píxeles Imágenes Rasterizadas Matriz de píxeles Gráficos Vectoriales Primitivas geométricas Ventajas y Desventajas de cada uno mas adelante Vectorial Rasterizada 8

9 Tecnologías Para entender mejor el píxel físico, debemos estudiar los dispositivos de despliegue y adquisición de imágenes CRT LCD Plasma Proyector DLP Cámara Digital Escáner 9

10 Tecnologías de Despliegue y Adquisición 10

11 CRT Cathode Ray Tube (CRT) Dispositivo de despliegue más común por muchos años Contiene una Pistola de Electrones que contiene un filamento que al calentarse emite un flujo de electrones Los electrones se enfocan con un electromagneto y se dirigen a un punto especifico del tubo La cara frontal del tubo consiste de un arreglo rectangular de puntos (píxeles) que contienen fósforo Cuando un punto es golpeado por los electrones, el fósforo emite luz proporcional a la fuerza del rayo 11

12 CRT Cathode Ray Tube (CRT) La cantidad de puntos determina la resolución Los diferentes niveles de brillo del punto determinan la profundidad del píxel La razón entre las dimensiones del píxel determinan el radio aspecto del píxel Para generar nuevas imágenes se debe refrescar la imagen. La frecuencia de refrescamiento es la rata a la que las imágenes se refrescan. No confundir la frecuencia del dispositivo con el frame rate de un programa!!! 12

13 CRT Cathode Ray Tube (CRT) Vector Displays Similar a un osciloscopio Antiguos monitores de computadores y consolas Solo despliega geometrías La pistola despliega exactamente lo que se le ordena desplegar Surgieron debido a la limitada memoria de los computadores antiguos 13

14 CRT Cathode Ray Tube (CRT) Raster Displays Tecnología de los dispositivos actuales Para desplegar la imagen, se recorren todos los puntos, de izquierda a derecha y de arriba abajo Es posible hacer un recorrido progresivo o entrelazado (interlaced) A medida que cada punto es golpeado por el rayo, los otros comienzan a decaer el recorrido completo debe ser veloz para evitar el parpadeo (flicker) típicamente mayor a los Hz El computador necesita sincronizar la generación de la imagen con el tiempo de despliegue Solución: una memoria especial para almacenar la imagen framebuffer 14

15 CRT CRT de Colores Los colores se despliegan usando combinaciones de tres colores primarios: R (Red - rojo), G (Green verde), B (Blue - azul) Los píxeles están formados por fósforos de los tres colores Dependiendo del fabricante, los pixeles pueden tener distintas formas 15

16 CRT CRT de Colores Utiliza tres pistolas Se utiliza una máscara de metal para separar los rayos 16

17 CRT Ventajas Despliega cualquier imagen sólida, no solo geometrías Se pueden producir a bajo costo Brillante (emite luz) Desventajas Muestreo Discreto Voluminosos Tamaño limitado (aprox. 40 ) Alto consumo de energía 17

18 LCD Liquid Crystal Display (LCD) Al igual que los CRT, son raster displays Ampliamente utilizados como monitores, TVs, consolas, etc. Permiten que el dispositivo sea menos voluminoso 18

19 LCD Liquid Crystal Display (LCD) El cristal líquido es un tipo especial de estado de agregación de la materia que tiene propiedades de las fases líquida y la sólida Dependiendo del tipo de cristal líquido, es posible, por ejemplo, que las moléculas tengan libertad de movimiento en un plano, pero no entre planos, o que tengan libertad de rotación, pero no de traslación 19

20 LCD Liquid Crystal Display (LCD) Un tipo especifico de CL, los CL en estado nemático torcido, son utilizados para crear los LCD porque su ordenamiento puede ser controlado vía una corriente eléctrica A medida que el voltaje cambia, la dirección de las moléculas de CL cambia, así como la cantidad de luz que logra pasar la segunda capa polarizadora 20

21 LCD LCD Reflectivo vs. LCD Iluminado El CL no emite luz, por lo que los LCD necesitan una fuente de luz externa. La luz puede ser reflejada del exterior, en cuyo caso se conoce como LCD Reflectivo Común en dispositivos sencillos como Relojes, Calculadoras, etc. 21

22 LCD LCD Reflectivo vs. LCD Iluminado La luz puede ser producida por una fuente en la parte posterior del LCD, en cuyo caso se conoce como LCD Iluminado Común en TVs, monitores, etc. Se introduce una capa de filtro de color para producir colores RGB 22

23 LCD Los pixeles están conectados a filas y columnas de material conductivo, que a su vez están conectadas a circuitos integrados Para encender un píxel, los circuitos integrados envían una carga por la columna y fila correspondiente al píxel a encender 23

24 LCD Liquid Crystal Display (LCD) Mayor tamaño y resolución, en un dispositivo más ligero Reducen el consumo de energía Son más costosos que los CRT A mayor tamaño, mayor es el costo y mayor la probabilidad de falla de los circuitos que encienden/apagan los pixeles 24

25 Plasma El plasma no es más que un gas formado por electrones e iones libres. Al aplicar electricidad al gas, se liberan fotones de luz Los gases utilizados en las pantallas de plasma, Xenon y Neon, liberan luz ultravioleta Una pantalla de plasma, cuenta con una matriz de puntos de fósforo, similar a la de un CRT La luz ultravioleta liberada por el gas hace que el fósforo de cada punto se encienda 25

26 Plasma Al igual que el LCD, los puntos están conectados a filas y columnas de material conductivo para controlar que píxel se enciende Estos materiales vienen cubiertos de material protectivo y vidrio 26

27 Plasma Al igual que en las otras tecnologías, cada píxel cuenta con tres componentes de color 27

28 Plasma Ventajas Amplios ángulos de visión Excelente para el despliegue en formatos grandes Suficientemente brillante Desventajas Costoso Los píxeles son más grandes (~1 mm versus ~0.2 mm) El fósforo eventualmente se consume Menos brillantes que los CRT, consumiendo más energía 28

29 Proyector DLP Digital Light Processing (DLP) La tecnología DLP esta basada en un dispositivo micromecánico llamado Digital Micromirror Device (DMD), el cual usa espejos hechos de aluminio para reflejar la luz y producir la imagen Un DMD (o DLP Chip) puede contener más de 2 millones de espejos 29

30 Proyector DLP Los espejos pueden reflejar hasta 1024 tonos de gris Para agregar color, la luz blanca de la lámpara pasa a través de un rueda de colores RGB antes de llegar al chip 30

31 Proyector DLP También pueden usarse 3 chips en lugar de la rueda, o pueden usarse 3 LEDs (R, G y B) como fuente de luz La imagen se proyecta en los tres colores, muy rápidamente. El ojo humano mezcla los colores 31

32 Proyector DLP Ventajas Gran resolución Muy brillantes Producen el color negro más oscuro que cualquier otra tecnología de proyección Múltiples usos Ligeros y más pequeños que muchos TVs Desventajas Problemas de parpadeo Perdida eventual de brillo Lámpara es costosa 32

33 Cámara Digital Una cámara digital cuenta con una serie de lentes que enfocan la luz sobre un dispositivo semiconductor que convierte la luz en cargas eléctricas Los dos tipos de sensor utilizado son el CCD (Charge Coupled Device) o el CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Ambos tipos convierten la luz en electrones, pero con arquitecturas diferentes. Sin embargo, se considera que CCD es una tecnología mas madura y produce imágenes de mayor calidad Una vez que el sensor convierte la luz en electrones, lee el valor (carga acumulada) de cada celda 33

34 Cámaras Digitales Arquitecturas de cámaras con CCD y CMOS 34

35 Cámara Digital Los CMOS tienen menos área sensible a la luz que los CCDs, en cuyo caso de deben usar micro-lentes para enfocar la luz en la parte sensible del chip Los CCD y CMOS no pueden medir color. Para producir imágenes de color se utilizan filtros de color (RGB) o se hacen tres capturas (RGB). 35

36 Cámara Digital Arreglo tri-lineal de escaneo Misma tecnología que los escáneres Ideal para fotos de imágenes fijas Produce imágenes de extremadamente alta resolución y calidad 36

37 Cámara Digital Arreglo tri-lineal de escaneo No puede tomar escenas en movimiento La captura no es instantánea 37

38 Cámara Digital Matriz simple En lugar de hacer una captura progresiva, se puede capturar la imagen instantáneamente con una matriz de CCDs No produce imágenes de tan alta resolución como la tecnología anterior, porque es difícil crear matrices muy grandes de CCD Para capturar los colores en una sola captura, se usa un patrón especifico de CCDs y se interpola la información de pixeles vecinos Patrón Bayesiano El color de cada píxel se calcula mediante un promedio de si mismo y los colores de los vecinos 38

39 Cámara Digital Matriz simple La captura es instantánea La interpolación puede causar artefactos en la imagen 39

40 Escáner Escáner Plano Se utiliza un arreglo lineal de CCDs Todo la circuiteria va montada en un mecanismo que recorre todo el papel Los espejos enfocan la luz en el lente, que divide la luz en RGB para el CCD 40

41 Escáner Otros tipos Escáner de mano Escáner de tambor Escáner de alimentación de papel 41