Unidad 5

ÁREAS RELACIONADAS A LA GRAFICACIÓN

5.1 PROCESAMIENTO DE IMÁGENES

En el procesamiento digital de imágenes se distinguen dos niveles principales de manera general:

·         Procesamiento de imágenes a bajo nivel

·         Muy poco uso de conocimiento respecto al contenido de las imágenes.

·         Comúnmente se reconoce una secuencia de cuatro para el procesamiento a bajo nivel: adquisición de la imagen, pre-procesamiento, segmentación de la imagen, descripción y clasificación de objetos.

·         Entendimiento de imágenes a alto nivel

·         Existe la capacidad de realizar toma de decisiones respecto al contenido de las imágenes.

El procesamiento de imágenes está dado por un conjunto de operaciones llevadas a cabo sobre las imágenes a fin de realizar mediciones cuantitativas para poder describirlas.

Una característica es un atributo usado para hacer decisiones respecto a objetos en la imagen. Algunos atributos son naturales y se definen mediante la apariencia visual de la imagen, los artificiales, son el resultado de operaciones realizadas a la imagen.

Una imagen f(x,y) está dada por sus coordenadas espaciales y su brillo, y es representada matemáticamente en una matriz.

Las herramientas para la adquisición de imágenes transforman la imagen visual de un objeto físico y sus características intrínsecas en un conjunto de datos digitalizados, usados para procesarla.

El procesamiento digital de imágenes tiene diversas aplicaciones y problemas:

·         Representación

·         Transformación

·         Modelado

·         Restauración

·         Reconstrucción

·         Análisis

·         Comprensión de datos

Se define como ruido cualquier entidad en las imágenes, datos o resultados intermedios que no son interesantes para la computación que se pretende llevar a cabo.

Las técnicas de filtraje son transformaciones de la imagen píxel a píxel, que dependen de los niveles de gris de los píxeles vecinos en la imagen original. El proceso de filtraje se realiza utilizando matrices denominadas máscaras, que son aplicadas sobre la imagen. Los filtros sirven para suavizar o realzar detalles de la imagen, o minimizar efectos de ruido.

Filtro gaussiano. Este filtro implementa máscaras que intentan imitar la forma de una gaussiana: G(x,y) = e - (x + y)² / 2σ², donde x, y son las coordenadas de la imagen y sigma una desviación estándar de la probabilidad de distribución asociada.

Filtro mediana (rango de vecindades). El objetivo del filtro mediana es reducir el empañamiento de los bordes. Este filtro reemplaza el píxel actualmente analizado en la imagen por la mediana del brillo con respecto a los vecinos más cercanos.

Filtro de suavizado direccional (preservación de bordes). La eliminación de ruido mediante suavizado distorsiona la información con respecto a los bordes. Que se calcula en varias direcciones según la ecuación:

I’ (x,y) = 1/Nθ(k,l)∈EθΣΣ I(x-k, y-l).

Filtro de suavizado conservador. Esta técnica de reducción del nivel de ruido emplea un algoritmo de filtración simple y rápido que sacrifica su poder de eliminación de ruido a cambio de preservar el detalle espacial de la frecuencia en una imagen, removiendo píxeles aislados con un valor muy alto o muy bajo.

Realce de contraste. Tiene como objetivo mejorar la calidad de las imágenes bajo ciertos criterios subjetivos del ojo humano. El contraste entre dos objetos se puede definir como la razón entre sus niveles de gris medios. La manipulación de contraste consiste en una transferencia radiométrica en cada píxel.

Filtro paso bajo. Es empleado para remover ruido de alta frecuencia espacial en una imagen digital. La reducción del ruido mediante el filtro de paso bajo se lleva a cabo mediante una cancelación de las variaciones más rápidas entre píxel y píxel.

Filtro paso alto. Opera mediante el análisis de los valores de cada píxel y cambiando estos de acuerdo a los valores de los píxeles vecinos. El filtro paso alto realza detalles de la imagen.

Filtro SUSAN (Smallest Univalue Segment Assimilating Nucleus). Preserva la estructura de la imagen alisando únicamente sobre los píxeles que se encuentran dentro de la región del píxel analizado (píxel central). Este filtro integra los mejores aspectos de los métodos de reducción de ruidos existentes incluyendo la preservación de bordes. 

En el análisis de objetos dentro de las imágenes resulta esencial distinguir entre el objeto de interés y el resto de la imagen. Una de las técnicas más conocidas es la segmentación mediante la detección de bordes. 

La detección de bordes es la aplicación de un algoritmo con esté proposito que dará como resultado un contorno. Su objetivo es obtener imágenes cuya salida muestre píxeles de mayor intensidad en los valores que detecten transiciones cercanas.

Alguno de los algoritmos de detección de bordes más comunes son:

Técnicas basadas en el gradiente: Operador de Roberts, Operador de Sobel, Operador de Prewitt, Operador Isotrópico.

Operadores basados en cruces por cero: Operador de Marr-Hildreth, Detector de Canny.

Los operadores basados en el gradiente son píxeles con un alto gradiente. Un rápido índice de cambio de intensidad dada por el ángulo del vector gradiente puede observarse en los píxeles de los bordes.

Un píxel de borde se describe por: Intensidad del borde (magnitud del gradiente) y dirección del borde (ánglo del gradiente).

Operador de Roberts. Utiliza las direcciones diagonales para calcular el vector gradiente mediante máscaras.

Operador de Sobel. Calcula la magnitud del gradiente mediante: M√ sx² + sy²

Operador de Prewitt. Expande la definición del gradiente en una máscara de 3x3 para se más inmune al ruido, utiliza la misma ecuación que Sobel, pero con constante c = 1.

Operador Isotrópico. Intenta llegar a un equilibrio entre operador Prewitt y Sobel. Prewitt proporciona detección para bordes verticales y horizontales, y Sobel detección de bordes diagonales.

5.2 VISIÓN POR COMPUTADORA

La visión es un medio para un fin – conocer el mundo observándolo – la visión artificial tiene como medio para adquirir el conocimiento un instrumento de cómputo. El tema de visión artificial es extenso: los asuntos tales como la restauración de imágenes, mejoramiento de imagen, inspección visual automatizada, visión robótica, escenas tridimensionales, y percepción y cognición visual todas forman parte del término “Visión artificial”.

Los primeros experimentos de cómputo para desarrollar sistemas artificiales para la visión de máquinas comenzaron con amplia variedad en grados de complejidad, han sido usados en muchas áreas diversas tales como ofimática, medicina, detección remota por satélite, y en el mundo industrializado y militar. Los usos han sido muchos y variados.

A la visión artificial le compete estudiar la estructura física tridimensional del mundo para el análisis automático de imágenes.

Las imágenes son imágenes digitales: son representaciones discretas (es decir, ellas tienen valores distintos en los puntos regularmente muestreados) y son representaciones cuantificadas (es decir, cada valor es un valor del número entero).

La visión artificial incluye muchas técnicas que son útiles para si mismas. Más significativamente, sin embargo, la visión artificial se refiere al procesamiento de imágenes, estas imágenes son solamente la materia prima de una ciencia mucho más amplia, la misma que se esfuerza en última instancia para emular las capacidades perceptivas del hombre, y para verter una luz sobre la manera por la cual él logra su interacción adaptativa y robusta con su ambiente.

5.3 Animación por computadora

La animación es la simulación de un movimiento, creada por una serie de imágenes o cuadros.

La animación por computadora se puede definir como un formato de presentación

de información digital en movimiento a través de una secuencia de imágenes o cuadros creadas o generadas por la computadora.

Características de la Animación 3D

La animación por computadora permite crear escenar “realmente” tridimensionales, en una escena animada por computadora es posible cambiar el ángulo de la cámara y ver otra parte de la escena. Se pueden reutilizar partes de la animación por separado.

Una animación se ve más realista si variamos el peso y el tamaño de los objetos. Para cambiar el peso es necesario cambiar el tiempo que tarda en moverse. Mientras más pesado su masa es mayor y es necesario aplicar mayor fuerza para moverlo.

Es necesario pensar en la forma como se moverán los objetos. Cada movimiento se realiza por una razón. Es necesario conocer las formas en que actúan los cuerpos.

En la animación en tres dimensiones debe considerarse la forma en que se detiene los cuerpos. Al animar a un personaje es conveniente que si se va a detener, alguna parte de su cuerpo se siga moviendo ligeramente, como la cabeza o un brazo.

Hay tres fases que componen una acción: La anticipación de la acción, la acción en sí y la reacción a la acción.

Técnicas de animación

La animación en acetatos (cel animation), la animación basada en cuadros (flipbook animation) y la animación en sprite.

Animación Basada en Cuadros

Para hacer una secuencia, se van filmando las imágenes cuadro por cuadro y luego estos se unen para formar la animación. Es posible formar bibliotecas de movimientos de cada parte del cuerpo de la animación para de esta forma combinarlas y hacer animaciones diferentes.

Animación Basada en Sprites

Se refiere a animaciones de objetos sobre fondos estáticos, es decir, lo que cambia son los personajes.

Key Framming

Se refiere a establecer posiciones en puntos específicos de tiempo en una animación y la parte intermedia la obtiene la computadora por medio de interpolación matemática.

Rotoscopiado

Se obtienen la posición y el ángulo de los puntos clave de imágenes reales y se trata de hacer converger los modelos en computadora con ellos.

Motion Control

Consiste en obtener posiciones clave de manera automática a partir de un actor real por medio de dispositivos que se conectan a su cuerpo.

Wavelets

Significa “pequeñas ondulaciones”. Esta técnica permite que en una sola imagen se compriman una gran cantidad de datos para que al acercarse a ella, se vayan viendo los detalles.

Técnicas de Pixar

El proceso que utiliza Pixar [12] para crear sus animaciones se compone de cuatro etapas principales: Desarrollo (crear el guion de la historia), preproducción (se direccionan los retos técnicos), producción (creación de la película) y post producción (pulir los últimos detalles).