Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Estágio de docência
John Cunha
[email protected]
Professora responsável
Iana Alexandra Alves Rufino
[email protected]
Campina Grande, 23 de março de 2011.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Processamento Digital de Imagens (PDI)
•
•
•
•
•
•
Áreas que utilizam PDI
A cor no processamento de imagens
Tratamento de imagens digitais
Pré- processamento
Classificação
Aplicações
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Áreas que utilizam PDI
•
•
•
•
•
•
Análise de recursos naturais;
Meteorologia;
Transmissão digital de sinais de televisão ou fac-símile;
Análise de imagens biomédicas;
Análise de imagens metalográficas e de fibras vegetais;
Obtenção de imagens médicas por ultra-som, radiação nuclear
ou técnicas de tomografia computadorizada;
• Automação industrial: sensores visuais em robôs.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
A cor no processamento de imagens
Newton foi o primeiro a verificar a verdadeira NATUREZA DA LUZ, ao decompor
a luz branca, através de um prisma, e depois decompô-lo por meio de lentes.
Ele foi também o primeiro a explicar por que certos objetos possuem
diferentes cores. Segundo Newton, os objetos aparecem coloridos quando
expostos à luz branca porque refletem alguns de seus componentes espectrais
com maior intensidade do que outros.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
A cor no processamento de imagens
ACROMÁTICAS
São cores não coloridas (branco e preto), pois não estão presentes no
espectro da luz visível. A mistura das duas pode gerar uma infinidade de
tons de cinza e olho humano é capaz de discriminar até 300 gradações
entre ambos os extremos.
CROMÁTICAS
Podem ser:
a)Monocromátiocas ou espectralmente puras : formadas por um
único comprimento de onda;
b)Complexas ou espectralmente impuras: formadas por uma mistura
de cores cromáticas em mais de um comprimento de onda.
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A cor no processamento de imagens
A
B
Figura 1 - Processos Aditivo (A) e subtrativo (B) de formação de cores
ADITIVO: utiliza-se a mistura de duas ou três cores primárias, para obter uma
cor secundária: magenta, amarelo ou ciano.
SUBTRATIVO: é possível obter cores primárias através da mistura com cores
secundária.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
A cor no processamento de imagens
A
B
Figura 2 – Composição colorida 5R4G3B em (A) e Composição Falsa cor
4R5G3B em (B)
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Tratamento de imagens digitais
“Manipulação de uma imagem por computador de modo onde a entrada
e a saída do processo são imagens”
Processar uma imagem=
Usar operações matemáticas para alterar os valores dos pixels de uma
ou mais imagens;
Melhorar a qualidade da imagem para que o observador “veja melhor”
Melhorar a qualidade da imagem para preparar a imagem para ser
analisada pelo próprio computador (análise de imagens)
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Imagens de satélite (DN)
Banda 1 Banda 2 Banda 3 Banda 4 Banda 5
Banda 6
Figura 3 – Diferentes bandas do satélite LANDSAT
Banda 7
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Imagens de satélite (DN)
- Cada célula tem sua localização definida em um sistema de
coordenadas (x,y);
- Cada célula possui um atributo numérico “z” que é o nível
de cinza (DN – digital number);
- O DN de uma célula
representa a intensidade de
energia
eletromagnética
(refletida ou emitida) medida
pelo sensor
223
223
180
205
30
223
180
180
90
205
223
205
205
30
30
Figura 4 – Conjunto de pixels
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Imagens de satélite (DN)
- O computador consegue diferenciar qualquer quantidade de níveis de cinza:
imagens de 8 bits – 28=256 níveis de cinza,
imagens de 10 bits – 210=1024 níveis de cinza, etc.
Figura 5 – Níveis de cinza presentes nas imagens
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Imagens de satélite (DN)
.
.
.
Figura 6 - Composição colorida R3G2B1 e extração dos pixels para uma planilha
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Software de PDI
• SPRING
• ILVIS
• INTERIMAGE
• ENVI
• ERDAS
• IDRISI
• PHOTOSHOP (Geographic Imager)
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
• Remoção de ruídos
• Realce de imagem
• Correção, retificação geométrica e registro
• Mosaíco
• Redução da dimensionalidade
• Correção radiométrica
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Eliminação de ruído
Geralmente o ruído é provocado por uma falha, momentânea, no
sistema de registro da energia, no instante do imagiamento da área
pelo sensor orbital.
Uma das técnicas de remoção de ruído comumente empregada
consiste em substituir o valor zero da radiância do pixel no local
pela média da radiância dos pixels das linhas inferior e superior.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Exemplo: Eliminação de ruído
Figura 7 - Imagem colorida de infravermelho falsa-cor mostrando um
ruído da parte superior.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Contraste
Os dados de satélites, uma vez processados, podem conter um contraste
espectral de baixa qualidade. O realce de imagens digitais visa melhorar a
qualidade visual, permitindo uma melhor discriminação dos objetos
presentes na imagem.
Figura 8 – Exemplo de um histograma mostrando o efeito do contraste.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Exemplo: Realce de contraste
Figura 9 – Exemplo de uma imagem mostrando o efeito do contraste.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Exemplo: Realce de contraste
Figura 9 – Exemplo de uma imagem colorida (5R4G3B) do Landsat 5
mostrando o efeito do contraste.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Correção, retificação geométrica e registro.
A correção geométrica visa eliminar dois tipos de erros que,
frequentemente, ocorrem nos dados de satélites: devidos ao movimento
do satélite e aqueles determinados pela curvatura da Terra.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Retificação, correção geométrica e geo-referênciamento
Figura 10 – Ilustração da influência do relevo nas imagens de satélite.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Distorções geométricas
Distorções inerentes à plataforma: Efemérides (posição e
velocidade) e altitude.
Distorções inerentes ao instrumento.
Distorções inerentes ao modelo da Terra: Rotação, esfericidade
e relevo.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Distorções geométricas
Figura 11 – Ilustração dos
problemas inerentes ao modelo
da Terra.
Figura 12 – Ilustração dos
problemas inerentes ao relevo.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Retificação, correção geométrica e geo-referênciamento.
As coordenadas de imagem bruta(L: Linha; C: Coluna) são
relacionadas às coordenadas de referência(X,Y) através de
polinômios de grau n.
De tal forma que:
X = a0 + a1L + a2C + a3L2 + a4LC + a5C2+ … + amCn
Y = b0 + b1L + b2C + b3L2+ b4LC + b5C2+ … + bmCn
(X,Y) normalmente representa as coordenadas planas de um certo
sistema de projeção cartográfica.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Porque retificar uma imagem?
Criação de mosaicos;
Corrigir distorções;
Sobre posição de informações (imagem e vetor);
Extração de medidas (áreas, distâncias e perímetros);
Atualização de banco de dados geográficos;
Integração Sensoriamento Remoto, Geodésia (GPS) e SIG.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Porque retificar uma imagem?
Figura 13 – Integração sensoriamento remoto e Sistema de Informações
Geográficas.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Mosaico
O mosaico de imagens é o processo de juntar duas ou
mais imagens para gerar uma imagem maior para se ter
uma visão global de uma cena ou área de interesse entre
duas imagens de órbita ou ponto diferentes.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Mosaico
Figura 14 – Mosaico de imagens Landsat.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Redução da dimensionalidade
Muitas vezes, as pesquisas realizadas em dados de satélites
ocorrem em áreas pequenas, bem menores do que a área de
abragência de uma cena imageadas por um satélite.
Com este procedimento é possível reduzir o tamanho do
arquivo e, consequentemente, o tempo de processamento
computacional.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Pré-processamento
Redução da dimensionalidade
Figura 15 – Recorte de imagens Landsat.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Correção radiométrica
Refere-se ao processamento inicial de dados brutos para calibração
radiométrica da imagem. Este procedimento assegura que as mudanças
observadas no comportamento espectral, no tempo e no espaço, estão
estritamente ligadas à interação da radiação eletromagnética com o alvo,
eliminando quaisquer contribuições do ambiente na reflectância do alvo
que foi registrada pelo sensor.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Radiância espectral monocromática
L λi  a i  (
bi  a i
) x(Qcal  Qcal min)
Qcalm áx Qcal min
Tabela 1 - Descrição das bandas do Mapeador Temático (TM) do Landsat 5, com
os correspondentes intervalos de comprimento de onda, coeficientes de calibração
(radiância mínima – a e máxima – b), após 1 de janeiro de 1992. (Chander &
Markham, 2009)
Bandas
Comprimento de Onda
(μm)
Coeficientes de Calibração
(Wm2 sr 1μm1 )
1 (azul)
0,45 – 0,52
-1.52
a
b
193.0
2 (verde)
0,52 – 0,60
-2.84
365.0
3 (vermelho)
0,63 – 0,69
-1.17
264.0
4 (IV-próximo)
0,76 – 0,79
-1.51
221.0
5 (IV-médio)
1,55 – 1,75
-0.37
30.2
6 (IV-termal)
10,4 – 12,5
1.2378
15.303
7 (IV-médio)
2,08 – 2,35
-0.15
16.5
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Reflectância planetária
ρ λi 
π . L λi
k λi . cos Z . d r
cos z  cos(90  E )
Tabela 2 - Descrição das bandas do Mapeador Temático (TM) do Landsat 5, com as correspondentes
irradiâncias espectrais no topo da atmosfera terrestre (TOA) .(Chander & Markham, 2009)
Bandas
Irradiância Espectral no Topo
da Atmosfera
(Wm2μm1 )
1 (azul)
1983
2 (verde)
1796
3 (vermelho)
1536
4 (IV-próximo)
1031
5 (IV-médio)
220
6 (IV-termal)
-
7 (IV-médio)
83,44
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Técnicas de PDI:
- permitem analisar uma cena nas várias regiões do espectro
eletromagnético;
- extraem informação quantitativa da imagem;
- realizam medidas impossíveis de serem obtidas
manualmente;
- possibilitam a integração de vários tipos de dados,
devidamente georeferênciados.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Classificação
Durante a classificação de dados digitais, os alvos do universo real recebem a
denominação genérica de classes ou classes temáticas. Os processos de
classificação podem ser supervisionados ou não supervisionados.
– Classificação supervisionada
No processo de classificação supervisionada, o usuário inicialmente aponta
um conjunto de amostra de treinamento para cada classe que se deseja
diferenciar na imagem.
– Classificação não supervisionada
A classificação não supervisionada é uma método computacional automático
de agrupamento, os algoritmos de classificação não utilizam dados de
treinamento como base para classificação.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Cena 214/065 do LANDSAT 7
(24/07/2000)
Composição Colorida RGB com realce linear
(Bandas 5,4 e 3)
Campina Grande - PB
Classificação
de Padrões
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
• Área de estudo
Figura 16 – Localização da bacia do Rio do Peixe
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Figura 17 – Mapa de NDVI (A) em 29 de agosto de 2008 e (B) em 01 de novembro de 2008
Pontos
29/ago
1/nov
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
P8
P9
P10 P11 P12
0,624 0,435 0,501 0,380 0,456 0,199 0,495 0,342 0,235 0,203 0,449 0,369
0,368 0,219 0,349 0,257 0,307 0,168 0,250 0,260 0,229 0,186 0,305 0,226
0,410 0,497 0,303 0,324 0,327 0,156 0,495 0,240 0,026 0,084 0,321 0,388
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Figura 18 – Mapa de temperatura da superfície (A) em 29 de agosto de 2008 e (B)
em 01 de Novembro de 2008
Pontos
29/ago
01/nov.
P1
17,1
7
21,9
4
P2
24,5
6
28,5
6
Temperatura (em °C)
P3
P4
P5
P6
P7
21,8 20,1 21,4 26,8 22,2
4
1
2
4
9
24,1 25,5 29,3 30,2 28,1
7
2
7
7
1
P8
26,7
7
29,8
1
P9
25,5
2
30,6
7
P10
24,6
5
30,6
8
P11
21,8
8
28,0
9
P12
23,7
1
29,4
1
-0,28 -0,16 -0,11 -0,27 -0,37 -0,13 -0,26 -0,11 -0,20 -0,24 -0,28 -0,24
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Figura 19 – Mapa de evapotranspiração real (A) em 29 de agosto de 2008 e (B) em 01
de novembro de 2008.
Pontos
29/ago
1/nov
P1
6,065
7,032
P2
6,871
3,578
-0,16
0,48
Evapotranspiração (em mm/dia)
P3
P4
P5
P6
P7
P8
6,768 5,583 5,281 6,063 6,870 5,594
6,029 5,501 2,946 1,550 3,764 1,046
0,11
0,01
0,44
0,74
0,45
0,81
P9
6,568
2,173
P10
6,056
1,456
P11
6,593
3,397
P12
6,778
3,026
0,67
0,76
0,48
0,55
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Figura 20 – Mapa de NDVI (A) em 29 de agosto de 2008 e (B) em 01 de novembro de 2008
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Figura 21 – Gráfico do NDVI obtido a partir do MODIS e precipitação no tempo, em
(A) ponto 1, em (B) ponto 2, em (C) ponto 3 e em (D) ponto 4
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Figura 22 – Gráfico da Temperatura da superfície obtido a partir do MODIS e
precipitação no tempo, em (A) ponto 1, em (B) ponto 2, em (C) ponto 3 e em (D)
ponto 4.
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
FIM!
Introdução ao Processamento Digital de Imagens
Referências bibliográficas
• Moreira, M. A. Fudamentos do sensoriamento remoto e metologias de
aplicação.
• Cunha, J. E. B. L.; Tsuyuguchi, B. B.; Rufino I. A. A. Utilização da detecção
remota para estimar a distribuição espacial da evapotranspiração de
região semiárida e série temporal MODIS. Simpósio Brasileiro de
sensoriamento remoto. INPE, 2010.
• Sensoriamento Remoto II, Prof. Alzir Felippe Buffara Antunes. Fonte:
www.geomatica.ufpr.br/docentes/felippe/pessoal/Corre__o_Geom_trica.
pdf