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c:processamento_de_imagens [2023/08/01 19:12] – criada mazieroc:processamento_de_imagens [2023/08/01 19:23] (atual) – edição externa 127.0.0.1
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 +====== Processamento de Imagens ======
 +
 +O processamento digital de imagens usa intensivamente vetores e matrizes. Uma imagem é geralmente representada como uma matriz de pixels, onde cada pixel é descrito por um ou mais valores inteiros que indicam seus níveis de cor ou de luminosidade. Por isso, processar imagens é uma ótima forma de exercitar o uso de matrizes.
 +
 +===== O formato PGM =====
 +
 +Para facilitar a leitura e escrita dos arquivos de imagem, neste projeto será adotado o formato de imagem  [[https://en.wikipedia.org/wiki/Netpbm_format|Portable Gray Map]] (PGM), um formato de imagem em **níveis de cinza** bem simples e fácil de ler/escrever. Boa parte dos programas de tratamento de imagens reconhece o formato PGM.
 +
 +Eis um exemplo de imagem no formato PGM:
 +
 +<code pgm feep.pgm>
 +P2
 +# this is a PGM image
 +24 7
 +15
 +0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
 +0  3  3  3  3  0  0  7  7  7  7  0  0 11 11 11 11  0  0 15 15 15 15  0
 +0  3  0  0  0  0  0  7  0  0  0  0  0 11  0  0  0  0  0 15  0  0 15  0
 +0  3  3  3  0  0  0  7  7  7  0  0  0 11 11 11  0  0  0 15 15 15 15  0
 +0  3  0  0  0  0  0  7  0  0  0  0  0 11  0  0  0  0  0 15  0  0  0  0
 +0  3  0  0  0  0  0  7  7  7  7  0  0 11 11 11 11  0  0 15  0  0  0  0
 +0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
 +</code>
 +
 +<note important>
 +Existem duas variantes do formato PGM: //PGM plain// (P2) e //PGM raw// (P5); **ambas** devem ser lidas pelos filtros implementados neste projeto. Mais detalhes sobre essas variantes podem ser obtidas [[http://netpbm.sourceforge.net/doc/pgm.html|nesta página]].
 +</note>
 +
 +Alguns exemplos de imagens no formato PGM para usar no projeto:
 +
 +  * {{imagens.tar.gz|Imagens selecionadas}}
 +  * [[http://people.sc.fsu.edu/~jburkardt/data/pgma/pgma.html|Muitos outros exemplos]]
 +
 +===== Filtros de imagem =====
 +
 +Este projeto visa construir filtros simples para imagens digitais em níveis de cinza, no formato PGM (P2 e P5) com pixels de 8 bits (1 byte).
 +
 +----
 +
 +==== Filtro negativo ====
 +
 +O filtro negativo consiste em converter cada pixel da imagem em seu complemento. Sendo //max// o valor máximo para um pixel na imagem, o complemento de um pixel com valor //v// seria //max-v//.
 +
 +Forma de chamada:
 +
 +  pgmnega -i input -o output
 +
 +Exemplo de entrada e de saída:
 +
 +{{lena-original.png|}} →
 +{{lena-negative.png|}}
 +
 +----
 +
 +==== Filtro de rotação simples ====
 +
 +O filtro de rotação gira uma imagem em 90° no sentido horário. 
 +
 +Forma de chamada:
 +
 +  pgmrotacao -i input -o output
 +
 +Exemplo de entrada e de saída:
 +
 +{{lena-original.png|}} →
 +{{lena-rotate.png|}}
 +
 +----
 +
 +==== Filtro de rotação livre ====
 +
 +O filtro de rotação gira uma imagem em um ângulo θ (>0) no sentido **horário**, em relação ao seu centro (vide [[https://en.wikipedia.org/wiki/Rotation_matrix#In_two_dimensions|rotação de imagens 2D]]).
 +
 +Requisitos:
 +
 +  * O tamanho da imagem de saída deve ser ajustado para **não cortar os cantos** da imagem.
 +  * Os espaços vazios gerados pela rotação devem ser **preenchidas com a cor branca**.
 +  * O ângulo de rotação é informado pela opção ''-a''; se não for informado, por default θ = 90º.
 +
 +Forma de chamada:
 +
 +  pgmrotacao -a N -i input -o output
 +
 +Exemplo de entrada e de saída para θ = 30º:
 +
 +{{lena-original.png|}} →
 +{{lena-rotate-30.png|}}
 +
 +----
 +
 +==== Filtro de limiar ====
 +
 +O filtro de limiar ([[https://en.wikipedia.org/wiki/Thresholding_%28image_processing%29|threshold filter]]) converte uma imagem em tons de cinza em um imagem em preto-e-branco (2 cores). A forma mais simples de fazer isso é comparar o valor de cada pixel com um limiar pré-definido: se o valor do pixel for igual ou superior ao limiar, ele vira branco (//v=max//), caso contrário ele vira preto (//v=0//). 
 +
 +Forma de chamada:
 +
 +  pgmlimiar -l N -i input -o output
 +
 +onde //N// é um limiar real entre 0.0 (0% do valor máximo) e 1.0 (100% do valor máximo). Caso o limiar não esteja definido, assume-se que seja 50%.
 +
 +Exemplo de entrada e de saídas com limiar de 50% e 75%:
 +
 +{{lena-original.png?200|}} →
 +{{lena-threshold-50.png?200|}}
 +{{lena-threshold-75.png?200|}}
 +
 +----
 +
 +==== Filtro de redução de ruído pela média ====
 +
 +O filtro da média é usado para para "limpar" uma imagem, ou seja, reduzir o seu nível de ruído. O algoritmo é básico bem simples: para cada pixel, seu valor deve ser substituído pela média de todos os 9 pixels vizinhos (incluindo ele mesmo).
 +
 +Deve ser tomado cuidado especial ao tratar os pixels nas primeiras e últimas linhas ou colunas, pois eles não têm todos os vizinhos. Nesses casos, devem ser considerados no cálculo somente os vizinhos existentes.
 +
 +<note important>
 +A imagem processada deve ser armazenada em uma segunda matriz, para que não se misturem valores novos e velhos no cálculo dos pixels.
 +</note>
 +
 +Forma de chamada:
 +
 +  pgmmedia -i input -o output
 +
 +Exemplo de entrada e de saída:
 +
 +{{ballons-original.png|}} →
 +{{ballons-average.png|}}
 +
 +----
 +
 +==== Filtro da mediana ====
 +
 +O [[https://en.wikipedia.org/wiki/Median_filter|filtro da mediana]] reduz o nível de ruído de uma imagem sem prejudicar muito sua nitidez. Este filtro consiste basicamente em substituir o valor de um pixel pelo valor da [[https://pt.wikipedia.org/wiki/Mediana_%28estat%C3%ADstica%29|mediana]] de seus pixels vizinhos. O número de vizinhos a considerar é definido por uma **máscara**, ou seja, a matriz de vizinhos que circunda o pixel a tratar (incluindo ele mesmo):
 +
 +{{ mascaras.png?300 |Máscaras de filtragem}}
 +
 +Requisitos:
 +
 +  * O tamanho da máscara é um inteiro positivo ímpar, que pode ser informado na linha de comando (opção ''-m''); caso não seja informado, o valor default é 3, para uma máscara de 3x3 pixels.
 +  * Os pixels nas bordas da imagem não têm todos os vizinhos e portanto não devem ser filtrados.
 +  * Para ordenar os valores dos pixels deve ser usada a função ''qsort'' da biblioteca C (''man qsort'').
 +
 +Forma de chamada:
 +
 +  pgmmediana -m N -i input -o output
 +
 +Exemplo de entrada e de saída:
 +
 +{{ballons-original.png|Imagem original}} →
 +{{ballons-median.png|Imagem filtrada}}
 +
 +==== Filtro LBP (Local Binary Patterns) ====
 +
 +LBP (//[[https://en.wikipedia.org/wiki/Local_binary_patterns|Local Binary Patterns]]//) ou Padrões Binários Locais, é um descritor de textura muito utilizado em algoritmos de reconhecimento de imagens. O funcionamento desse filtro é simples: para cada pixel de uma imagem com 256 níveis de cinza, seleciona-se uma vizinhança de 8 pixels. O valor LBP é então calculado para o pixel central e armazenado na imagem destino, que possui as mesmas dimensões da imagem original.
 +
 +Para o cálculo do LBP de um pixel, usa-se uma **máscara** com valores 2<sup>n</sup>, com n = {0, ..., 7}, ou seja: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 e 128. O exemplo abaixo ilustra o cálculo de LBP para o pixel com valor 6:
 +
 +{{ lbp.png |Cálculo de LBP}}
 +
 +Considere o pixel central com valor 6 e seus oito vizinhos na imagem (a). O valor do pixel central é utilizado como limiar e todos os pixels com valor de intensidade maior ou igual a ele recebem 1, caso contrário, 0 (b). Esses valores são então multiplicados pela máscara (c ), resultando então nos valores apresentados em (d). O valor LBP do pixel 6 é dado pela soma desses valores, ou seja LPB = 1+8+32+128 = 169. Note que essa codificação garante valores LBP entre 0 e 255.
 +
 +Forma de chamada:
 +
 +  pgmlbp -i input -o output
 +
 +Exemplo de entrada e de saída:
 +
 +{{lena-original.png|}} →
 +{{lena-lbp.png|}}
 +
 +{{lbp-in.png|LBP input}} →
 +{{lbp-out.png|LBP output}}
 +
 +----
 +
 +==== Outros filtros (ideias) ====
 +
 +  * mudança de escala
 +  * detecção de bordas
 +  * melhoria de nitidez
 +  * melhoria de contraste
 +  * ...
 +
 +----
 +
 +===== Atividade =====
 +
 +  * Implementar os filtros acima definidos como arquivos e comandos separados. Exemplo: o filtro de negativo deve ser implementado em um arquivo ''pgmnega.c'' que gera um executável ''pgmnega''. **Respeite os nomes dos executáveis** indicados nas descrições acima!
 +  * Os filtros devem aceitar como entrada imagens no formato PGM (P2 e P5, //plain// e //raw//) e devem gerar como saída imagens no mesmo formato da entrada.
 +  * O formato PGM permite definir imagens com pixels de 8 ou 16 bits. Para este trabalho, considere somente imagens com pixels de 8 bits (todas as imagens fornecidas como exemplo têm pixels de 8 bits).
 +  * As rotinas comuns (leitura/escrita de arquivos, tratamento da linha de comando, etc) devem ser implementadas em arquivos separados, cujos cabeçalhos são incluídos nos arquivos de implementação dos filtros.
 +  * Sempre que possível, as informações da imagem necessárias às funções devem ser transferidas como parâmetros (por valor ou por referência, dependendo da situação). Minimizar o uso de variáveis globais.
 +  * Use alocação dinâmica de memória para as imagens, para poder processar as imagens maiores. Só aloque a memória após encontrar o tamanho da imagem.
 +  * Construir um ''Makefile'' para o projeto:
 +    * Ao menos os alvos ''all'' (default), ''clean'' e ''purge''.
 +    * CFLAGS = ''-Wall''
 +    * Compilar e ligar separadamente (gerar arquivos ''.o'' intermediários)
 +  * O que deve ser entregue ao professor:
 +    * arquivos ''.c'' e ''.h''
 +    * arquivo ''Makefile''
 +    * Por favor, não envie as imagens de teste! m(
 +
 +==== Uso de arquivos ====
 +
 +  * A opção ''-i'' indica o nome do arquivo de entrada; se não for informado, deve-se usar a entrada padrão (//stdin//).
 +  * A opção ''-o'' indica o nome do arquivo de saída; se não for informado, deve-se usar a saída padrão (//stdout//).
 +  * Todas as mensagens de erro devem ser enviadas para a saída de erro (//stderr//).
 +
 +Essas opções podem ser usadas em qualquer combinação, ou seja:
 +
 +<code>
 +// entrada e saída em arquivos
 +pgmmediana -i input.pgm -o output.pgm
 +pgmmediana -o output.pgm -i input.pgm
 +
 +// entrada em arquivo, saída em stdout, vice-versa ou ambos
 +pgmmediana -i input.pgm > output.pgm
 +pgmmediana -o output.pgm < input.pgm
 +pgmmediana < input.pgm > output.pgm
 +
 +// as opções podem estar em qualquer ordem
 +pgmmediana -m 5 -i input.pgm -o output.pgm
 +pgmmediana -i input.pgm -m 5 -o output.pgm
 +pgmmediana -o output.pgm -i input.pgm -m 5
 +</code>
 +
 +==== Estrutura do código-fonte ====
 +
 +O código-fonte deve ser estruturado em arquivos ''.c'' e ''.h'' que agrupem as diversas funcionalidades. A figura abaixo traz uma uma **sugestão de estrutura** para o código-fonte (as setas correspondem a ''include''s):
 +
 +{{  estrutura.png?700  |}}