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Técnicas de Processamento Digital de Imagens com ionildo/pdi/Tecnicas de Processamento... · PDF filesadas para técnicas diferenciadas, principalmente em tomadas de decisões inteligentes

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Captulo

5Tcnicas de Processamento Digital de Imagens comJava

Ilis Cavalcante de Paula Jnior

Abstract

The human brain to processes and recognizes a huge data quantity from visual nature.This motivates the development of techniques and devices in order to accomplish this ca-pacity. The knowledge about this visual system and the studies of available methodologiesonto balance the image to a actual problem are important to develop automatable com-putational solutions. In a sense, the Digital Image Processing (DIP) permits to enable adiversity of applications in different research areas such as medicine, biology, enginee-ring, meteorology, cartography and others one. Some of these applications are developedin programming languages with established performance and security in dealing with thistype of data (digital image). In this work, it will adopt the Sun Java language in the sup-port for DIP techniques in a simple application of regions description. It is still made acomparative among the main Application Program Interfaces (APIs) of this domain andthe more adequate usage of memory.

Resumo

O crebro humano processa e interpreta imensa quantidade de dados de natureza visual.Isso motiva o desenvolvimento de tcnicas e dispositivos de modo a estender ainda maisessa capacidade. O conhecimento de como reage este sistema visual e o estudo de meto-dologias disponveis para melhor adequar a imagem a um problema real so importantespara desenvolver solues computacionais automatizveis. Neste sentido, a rea de Pro-cessamento Digital de Imagens (PDI) permite viabilizar diversas aplicaes em diferentesreas de estudo como na medicina, biologia, engenharia, meteorologia, cartografia, en-tre outras. Algumas dessas aplicaes so desenvolvidas em linguagens de programaocom reconhecido desempenho e segurana na abordagem deste tipo de dado (imagemdigital). Neste trabalho, ser seguida a linguagem Sun Java como base para realizar tc-nicas de PDI em uma aplicao simples de descrio de regies. Tambm feito aindaum comparativo entre as principais Application Program Interfaces (APIs) deste domnioe o melhor uso de memria.

5.1. IntroduoAt que ponto a interpretao humana pode ser afetada por ajustes em uma informaovisual? Como adequar o processamento dos dados em cenas reais para a percepo auto-mtica atravs de mquinas? Esses e outros questionamentos formam a motivao parao estudo de processamento digital de imagens. E ainda, isso gera o grande interesse dediferentes reas de aplicao no uso de suas tcnicas computacionais. Como rea de pro-cessamento visual de dados, alguns conceitos relacionados a Processamento Digital deImagens (PDI) se assemelham ao que aplicado em outras reas de estudo como Com-putao Grfica e Viso Computacional. Apesar das semelhanas, esses domnios sediferenciam justamente pelos tipos de informao utilizados em suas respectivas entradase sadas. Como pode-se perceber pela Figura 5.1, processamento de imagens ser todoprocessamento digital em que as entradas e sadas so imagens.

Processamento de Imagens

Imagem

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FFFF

FFFF

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Computao Grfica

Imagem

sadas para tcnicas diferenciadas, principalmente em tomadas de decises inteligentescomo sistemas especialistas, redes neurais, algoritmos genticos, etc. Quando os da-dos no passam por essa etapa anterior, ainda se considera sistema de PDI (para algunspesquisadores [Mokhtarian e Mackworth 1986, Lee et al. 1995, Paula Jnior et al. 2006,Csar Jnior e Costa 1996]) e envolve uma rea especificada como Anlise de Imagens[Costa e Csar Jnior 2009] - esta encontre-se em nvel intermedirio a Processamentode Imagens e Viso Computacional. Esta ltima bastante implementada em aplicaesde Robtica [Castleman 1996]. Um exemplo especfico de aplicao de Viso Computa-cional o sistema FootScanAge [Silva et al. 2006] que avalia, a partir de imagens obtidasdas superfcies plantares de recm-nascidos, a idade gestacional1 de um beb pr-maturo(e sem histrico de pr-natal em sua gestao) para estudo de suas caractersticas neuro-fisiolgicas. Como sada, o FootScanAge apresenta um score para essa idade gestacionalque permite definir um fator de sobrevida ao paciente e seu tratamento adequado.

Com relao s tcnicas de PDI, em geral so abordadas operaes de realce,compresso, restaurao ou transformaes de informaes adquiridas na forma de pi-xels (picture elements). Qualquer imagem digital pode ser representada por uma funobidimensional de intensidade da luz f (x,y), onde x e y denotam as coordenadas espaci-ais [Gonzalez e Woods 2008]. Assim, para imagens em nvel de cinza, o valor de f emqualquer ponto (x,y) proporcional ao brilho (intensidade do tom de cinza) da imagemnaquele ponto. A Figura 5.2 mostra a representao de uma imagem no domnio dis-creto e sua subdiviso em pixels. Assume-se uma conveno dos eixos de funo para aabordagem de imagens digitais, como segue na Figura 5.2(b).

(a) Imagem original. (b) Imagem discreta. (c) Intensidade dos pixels.

Figura 5.2. Descrio dos valores de pixels em uma imagem.

Os primeiros registros de estudos em Processamento Digital de Imagens foramnotificados nos anos 60, impulsionados pelos projetos de pesquisa criados pela NASA,nos Estados Unidos da Amrica durante a Guerra Fria [Castleman 1996]. Nas dcadasseguintes surgiriam mais atividades que necessitariam dos adventos proporcionados poresta rea de conhecimento; entre estas estam a medicina, biologia, meteorologia, astrono-mia, agricultura, sensoriamento remoto, cartografia e a indstria petrolfera. Percebe-se

1A idade gestacional o tempo, medido em semanas ou em dias completos, decorrido desde o incio daltima menstruao (ou data da ltima menstruao) da mulher grvida.

desta forma que o processamento de imagens essencialmente uma rea multidisciplinar,tanto na atuao quanto na derivao, pois suas tcnicas baseiam-se na fsica, neurofisi-ologia, engenharia eltrica e cincia da computao. Paralelamente, com o avano dosrecursos computacionais permitiu-se alcanar um desenvolvimento mais eficiente e ro-busto do processamento digital de imagens.

Dentro da pesquisa na rea de sade, pode-se encontrar alguns trabalhos relevantescom PDI. Em [Passarinho et al. 2006], o tratamento fisioterpico de Reeducao PosturalGlobal (RPG) permite uma abordagem com a captao de imagens dos pacientes duranteo tratamento. Destas imagens possvel extrair a forma postural de cada paciente e apartir disso obter caractersticas desta imagem. Com essas informaes, permite-se ao es-pecialista avaliar o desempenho do tratamento em cada caso clnico. Em imagens clnicas,como exames de mamografia, imagens de ultra-som [Calope et al. 2004] e ressonnciamagntica h diversas implementaes de filtros digitais para possibilitarem melhor ava-liao dos exames clnicos por parte dos mdicos e tcnicos de sade. O estudo nessestipos de imagens deve apresentar resultados cada vez mais precisos, como na deteco deaneurismas [Martins et al. 2008], j que uma identificao errnea de um patologia (ouainda a no percepo desta) resulta grandes problemas tanto para pacientes quanto paraa equipe mdica.

A indstria petrolfera tambm apresenta interesse em solues de PDI para pro-blemas crticos como deteco de derramamento de leo no mar [Lopez et al. 2006] elocalizao automtica de corroso e depredao de oleodutos e demais equipamentosmartimos e terrestres [Bento et al. 2009b, Bento et al. 2009a]. Passando para o contextoda produo agrcola, o crescimento dos agronegcios vem contribuindo para a inserodas pesquisas de processamento de imagens na agricultura. Na tentativa de distribuiode laranjas [Ramalho e Medeiros 2003] e outros produtos perecveis, busca-se a criaode sistemas de inspeo visual automtica para seleo dos alimentos, direcionando aclassificao para os diferentes mercados a que o produtor esteja voltado.

Em se tratando de classificao, na biologia existem diversas abordagens para abusca de similaridade entre formas naturais [Bernier e Landry 2003]. Nesta similaridadeso avaliados descritores de formas [Costa et al. 2004] para as diferentes imagens de es-pcies de seres e corpos trabalhadas: plantas, folhas, aves, insetos, bactrias, clulas,etc. Tambm h classificao de informao no processamento de imagens de Radar deAbertura Sinttica (Synthetic Aperture Radar) [Marques et al. 2004]. Reconhecimento deregies de cultivo, reas de floresta e urbanas importante para a avaliao do crescimentodas cidades e do aproveitamento dos recursos naturais. Alm disso, permite-se com apli-caes de sensoriamento remoto a deteco de alvos [Marques et al. 2008] e acidentesmartimos nas regies costeiras cobertas por satlites.

Este captulo tem um carter introdutrio sobre os conceitos envolvidos em pro-cessamento de imagens e a gerao de pequenas aplicaes com a linguagem de progra-mao Java neste domnio. Aps apresentar uma viso geral sobre PDI e suas aplicaesem diferentes reas de pesquisa, sero tratadas as principais Application Program Inter-faces (APIs) Java voltadas para sistemas de processamento de imagens na Seo 5.2. Emseguida, tcnicas relevantes para aplicaes de PDI so descritas na Seo 5.3. Na Seo5.4, ser apresentado ao leitor o desenvolvimento de um aplicativo simples de descrio

de regies em imagens. Ao final, na Seo 5.5, so expostas as concluses e considera-es finais deste trabalho.

5.2. APIs Java para ImagensH alguns anos atrs, a comunidade de processamento de imagens era formada por umgrupo pequeno de pesquisadores que tinham acesso limitado a ferramentas comerciaisde PDI, algumas desnecessrias, e que eram desenvolvidas sob componentes de softwaresproprietrios. Estes eram resumidos a pequenos pacotes de software para carregamento dearquivos de imagem e armazenamento dos mesmos em disco e ainda apresentavam docu-mentaes incompletas e formatos de arquivos proprietrios [Murray e VanRyper 1996].Surgiram ento novos formatos, inicialmente desen