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.

Para facilitar a leitura e escrita dos arquivos de imagem, neste projeto será adotado o formato de imagem 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:

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

Alguns exemplos de imagens no formato PGM para usar no projeto:

• Imagens selecionadas
• Muitos outros exemplos

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).

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:

→

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:

→

O filtro de rotação gira uma imagem em um ângulo θ (>0) no sentido horário, em relação ao seu centro (vide 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:

→

O filtro de limiar (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%:

→

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.

Forma de chamada:

pgmmedia -i input -o output

Exemplo de entrada e de saída:

→

O 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 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):

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 3×3 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:

→

LBP (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:

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:

→

→

• mudança de escala
• detecção de bordas
• melhoria de nitidez
• melhoria de contraste
• …

• 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!

• 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

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 includes):