====== 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:
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
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]].
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).
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==== 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|}}
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==== 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|}}
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==== 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|}}
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==== 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|}}
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==== 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.
A imagem processada deve ser armazenada em uma segunda matriz, para que não se misturem valores novos e velhos no cálculo dos pixels.
Forma de chamada:
pgmmedia -i input -o output
Exemplo de entrada e de saída:
{{ballons-original.png|}} →
{{ballons-average.png|}}
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==== 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 2n, 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}}
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==== Outros filtros (ideias) ====
* mudança de escala
* detecção de bordas
* melhoria de nitidez
* melhoria de contraste
* ...
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===== 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:
// 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
==== 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 |}}