Curso de Procesamiento Digital de Imágenes

Curso de
Procesamiento Digital de Imágenes
Impartido por: Elena Martínez
Departamento de Ciencias de la Computación
IIMAS, UNAM, cubículo 408
http://turing.iimas.unam.mx/~elena/Teaching/PDI-Mast.html
[email protected]
1. Introducción
a) ¿Qué es el procesamiento digital de imágenes?
b) Orígenes del procesamiento digital de imágenes
(PDI).
c) Ejemplos de áreas de aplicación del PDI.
d) Pasos fundamentales del PDI.
e) Componentes de un sistema de PDI.
¿Qué es el Procesamiento Digital
de Imágenes?
Procesamiento Digital de
Imágenes
 El campo del procesamiento digital de imágenes
(PDI) se refiere a procesar las imágenes del mundo
real de manera digital por medio de una computadora.
 El interés por el PDI se basa principalmente en dos
áreas de aplicación: 1) mejoramiento de la
información pictórica para la interpretación humana; y
2) el procesamiento de datos de la imagen para su
almacenamiento, transmisión y representación para
percepción autonóma de máquinas.
Imagen Digital
 Una imagen puede ser definida como una función
bidimensional, f(x,y), donde x y y son coordenadas
espaciales (plano) y la amplitud f es llamada
intensidad o nivel de gris en ese punto.
 Cuando x,y y f son todos finitos, cantidades
discretas, llamamos a la imagen digital.
 Una imagen digital está compuesta por un número
finito de elementos, cada uno de los cuales con un
valor y una posición particular, llamados pixels.
Disciplinas afines
La visión es nuestro sentido más avanzado, y no
es de sorprenderse que las imágenes jueguen un
papel primordial en la percepción humana.
A diferencia de los humanos, que tan sólo
percibimos una parte mínima del espectro
electromagnético, los equipos de adquisición de
imágenes digitales pueden trabajar con el espectro
completo que va desde los rayos gamma hasta las
ondas de radio.
Disciplinas afines
No está claro dónde se encuentra la línea
divisoria entre las disciplinas afines al PDI
Procesamiento digital de imágenes:
Entrada/salida son imágenes.
Análisis de imágenes (Image understanding):
Entrada imagen, salida datos a interpretar.
Visión por Computadora: Emular la visión
humana y utiliza técnicas de conocimiento para la
toma de decisiones. Área de la Inteligencia
Artificial.
Paradigma. Tipo de
procesamientos computarizados
Procesos de nivel-bajo: reducción de ruido, realce de
contraste, realce de características de la imagen. Donde las
entradas/salidas son imágenes.
Procesos de nivel-medio: segmentación (regiones,
objetos), descripción de objetos, clasificación. Donde la
entrada es una imagen y la salida son atributos de objetos
(bordes, contornos, identidades de objetos individuales).
Procesos de nivel-alto: Involucra “darle sentido” al
conjunto de objetos encontrados, análisis de la imagen,
llevar acabo funciones cognitivas normalmente asociadas
con la visión.
1. Introducción
a) ¿Qué es el procesamiento digital de imágenes?
b) Orígenes del procesamiento digital de imágenes
(PDI).
c) Ejemplos de áreas de aplicación del PDI.
d) Pasos fundamentales del PDI.
e) Componentes de un sistema de PDI.
Orígenes del PDI
Primera aplicación: Impresión
de periódicos. Codificación y
transmisión por cable submarino
entre Londres y Nueva York,
reconstrucción e impresión, 1921.
Mejora: técnica basada en
reproducción fotográfica realizada
a través de cintas perforadas en las
terminales telegráficas receptoras.
5 niveles de gris, 1922.
Orígenes del PDI
Misma técnica que la imagen anterior, basada en
reproducción fotográfica realizada a través de
cintas perforadas en las terminales telegráficas
receptoras. 15 niveles de gris, 1929.
Orígenes del PDI
A pesar de que los ejemplos anteriores son de
imágenes digitales, no se consideran los inicios del
PDI debido a que su creación no involucró
computadoras.
La historia del PDI está directamente ligada con el
desarrollo de las computadoras. De hecho el PDI
requiere un alto poder computacional para almacenar
y procesar imágenes. Así que su progreso a ido de
la mano con el progreso de tecnologías de hardware.
Orígenes del PDI
Avances de las computadoras suficientemente poderosas para el PDI:
Invención del transistor, Bell Laboratories en 1948
Desarrollo de lenguajes de programación de alto nivel en 1960 y 70
Invención del circuitos integrados (IC) por Texas Instrument 1958
El desarrollo de sistemas operativos, a principios de los 60s
La introducción de la computadora personal (PC) por IBM en 1981
Miniaturización de componentes: a gran escala (LSI) en 1970
Componentes a muy gran escala (VLSI) en 1980
Componentes a ultra escala (ULSI) hasta la fecha
Avances en el desarrollo de sistemas de almacenamiento y desplegado
Orígenes del PDI
Las máquinas poderosas de los 60s y el programa
espacial dieron origen a lo que hoy conocemos como PDI
Primera imagen tomada a
la luna por el Ranger 7 y
transmitida a la tierra el 31
de julio de 1964. La toma
tardo alrededor de 17
minutos antes de impactar
la superficie de la luna.
Orígenes del PDI
Paralelo al desarrollo con el programa espacial el PDI
(1960s y 1970s) comenzo a ser muy utilizado en áreas
como:
Imágenes médicas
Observaciones terrestres remotas
Astronomía
Geografía
Arqueología
Biología
Aplicaciones industriales
Entre otras.....
1. Introducción
a) ¿Qué es el procesamiento digital de imágenes?
b) Orígenes del procesamiento digital de imágenes
(PDI).
c) Ejemplos de áreas de aplicación del PDI.
d) Pasos fundamentales del PDI.
e) Componentes de un sistema de PDI.
Ejemplos de campos de aplicación
del PDI
Existe una inmensa gama de áreas donde el PDI se utiliza de
manera rutinaria. Una manera simple para categorizar las
imágenes es dependiendo de su fuente (visual, rayos-X, etc).
La principal fuente de energía para las imágenes que están en
uso hoy en día es el espectro de energía electromagnética.
Ejemplos de campos de aplicación
de acuerdo a su fuente:
Imágenes de Rayos
Gamma:
Aplicaciones: Medicina
Nuclear y observaciones
astronómicas.
a)
b)
c)
d)
Gamagrafía ósea (isotopo->gama).
Tomografía por emsión de positrones
(PET) (isotopo-> positron+electron
ext.=gama).
Ciclo Cygnus, generado por la
explosión de una estrella en la
constelación Cygnus.
Radiación producida por una válvula
de reactor nuclear.
ab
cd
Imágenes de
Rayos X:
Aplicaciones: Medicina,
Astronomía e Industria.
a) Rayos X de Tórax.
b) Angiograma de aorta (vasos
sanguíneos con medio de
contraste).
c) Tomografía axial
computarizada (TAC).
d) Tarjeta de circuito electrónico
(examinar componentes, pistas
rotos o faltantes).
e) Astronomía. Ciclo Cygnus con
rayos X.
ad
b
ce
Imágenes de la
Banda
Ultravioleta:
Aplicaciones:
Litografía, inspección
industrial, microscopía,
láseres, imágenes
biológicas, astronomía.
a)
Microscopía de
florescencia. Maíz
normal.
b) Microscopía de
florescencia. Maíz con
hongos.
c) Ciclo Cygnus, banda
ultravioleta.
ab
c
Imágenes de la
Banda Visible e
Infraroja:
Aplicaciones:
Microscopía de luz,
astronomía, sensado
remoto, industrial.
a)
Taxol (agente anticáncer)
250x
b) Colesterol 40x
c) Microprocesador 60x
d) Capa delgada de óxido de
níquel 600x
e) Superficie de un CD de
audio 1750x
f) Superconductor orgánico
450x
abc
def
Imágenes de la
Banda Visible e
Infraroja:
Imágenes de
la tierra desde
el espacio
para
monitorear:
condiciones
ambientales
del planeta
Bandas temáticas en
el satélite LANSAT
de la NASA:
Imágenes de la
Banda Visible e
Infraroja:
Satélite LANSAT:
Cuidad de Washington
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Azul visible
Verde visible
Rojo visible
Infrarojo cercano
Infrarojo medio
Infrarojo térmico
Infrarojo medio
Imágenes de la
Banda Visible e
Infraroja:
Aplicaciones:
Climatológicas.
Huracan Andrew:
tomado con el satélite
GEOS (Geostationary
Enviromental
Operational Satellite),
tomada por la NOAA.
Imágenes de la
Banda
Infraroja:
 Inventario global de
establecimientos
humanos.
 Consumo global de
energía.
Bandas entre 10 y 13.4
m, observa luces muy
tenues en la supercie de
la tierra: cuidades,
pueblos, villas, flamas
de gas y fuego.
Base de datos de “Luces
de noche en el mundo”
Imágenes de la
Banda
Infraroja:
Satélite:
NOAA
DMSP
(Defense
Meteorological
Satellite
Program)
Imágenes de la
Banda Visible:
Aplicaciones:
Inspección automática
de objetos
industriales.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Tarjeta controladora de CDROM (área negra componente
faltante).
Contenedor de cápsulas.
Botellas que no están llenas al
nivel requerido.
Pieza de plástico con burbujas
de aire (defectos).
Muestra de cereal (inspección
del color)
Implante introcular (defectos
del material).
ab
cd
ef
Imágenes de la
Banda Visible:
Aplicaciones varias:
Identificación,
conteo.
a)
Huella digital del dedo
pulgar.
b) Billete. Conteo automático,
lectura del número serial
para identificar billetes.
c) Lectura automática de
placas.
d) Mismo que c)
ab
c
d
Imágenes de la
Banda Visible:
Imagen óptica
de la retina
Adquisición de
Imágenes de
Retina
Imágenes de la banda
de microondas:
Aplicaciones: Radar
el cual puede
penetrar nubes; bajo
ciertas condiciones
se puede ver a
través de hielo o
vegetación, o suelo
muy seco.
La energía de
microondas que refleja
en una antena de radar,
y de ahí se reconstruye
la imagen.
Imagen de área montañosa
del sureste del Tíbet.
(Montañas: 5800m,
Valles:4300m)
Imágenes de la banda
de Radio:
Aplicaciones: Medicina
y astronomía.
Se pasan ondas de radio a través del cuerpo humano en pulsos cortos.
Cada pulso causa un pulso respuesta del tejido, cuya localización y
potencia se utilizan por una computadora para reconstruir la imagen.
Resonancia magnética
nuclear (MRI) de rodilla.
MRI de columna
vertebral.
Imágenes de la banda
de Radio:
El “Crab Pulsar” (pulsar cangrejo): explosión
de supernova seguida del colpaso masivo de
estrellas en evolución.
Comparar la banda de radio con otras....
Otras modalidades,
Ultrasonido:
ab
cd
a) Ultrasonido de bebé.
b) Mismo que a), otra
vista.
c) Tiroides.
d) Capas musculares.
El sistema despliega las distancias e
intensidades de los ecos reflejados
por los tejidos en una pantalla.
Otras modalidades,
Ultrasonido:
Reconstrución 3D
Ultrasonido de bebé
Semana 35
El sistema despliega las distancias e
intensidades de los ecos reflejados
por los tejidos en una pantalla.
Otras modalidades,
Microscopía
Electrónica:
SEM- scanning electron microscopy
TEM- transmission electron
microscopy
Utilizan rayos de electrónes enfocados en vez de rayos de luz,
como los microscopios ópticos.
Filamento de
tungsteno 250x SEM.
Circuito integrado
dañado 2500x SEM
Instituto de Investigaciones en
Matemáticas Aplicadas y en Sistemas
(IIMAS)
http://turing.iimas.unam.mx/~elena/Teaching/PDI-Mast.html