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UNIDAD 5 AREAS RELACIONADAS A LA GRAFICACION

4 DE DICIEMBRE DE 2014 RAMOS GUAPILLO STEPHANIE

PROCESAMIENTO DE IMAGENES

El procesamiento de imágenes tiene como objetivo mejorar el aspecto de las imágenes y hacer más evidentes en ellas ciertos detalles que se desean hacer notar. La imagen puede haber sido generada de muchas maneras, por ejemplo, fotográficamente, o electrónicamente, por medio de monitores de televisión. El procesamiento de las imágenes se puede en general hacer por medio de métodos ópticos, o bien por medio de métodos digitales, en una computadora. En la siguiente sección describiremos muy brevemente estos dos métodos, pero antes se hará una síntesis brevísima de los principios matemáticos implícitos en ambos métodos, donde el teorema de Fourier es el eje central. El matemático Jean-Baptiste-Joseph Fourier (1768-1830) nació en Auxerre, alrededor de 160 km al sureste de París. Perdió a sus padres a la temprana edad de ocho años, quedando al cuidado del obispo de Auxerre, gracias a la recomendación de una vecina. Desde muy pequeño mostró una inteligencia y vivacidad poco comunes. Siguió una carrera religiosa en una abadía, al mismo tiempo que estudiaba matemáticas, para más tarde dedicarse a impartir clases. Sus clases eran muy amenas, pues constantemente mostraba una gran erudición y conocimientos sobre los temas más variados. Fourier estaba muy interesado en la teoría del calor, y además tenía una gran obsesión práctica por él. Se dice que mantenía su habitación tan caliente que era muy incómoda para quienes lo visitaban, y que aparte de eso, siempre llevaba puesto un grueso abrigo. Algunos historiadores atribuyen esta excentricidad a los tres años que pasó en Egipto con el ejército de Napoleón Bonaparte. La teoría de Fourier se consideró tan importante desde de sus inicios, que lord Kelvin dijo de ella: "El teorema de Fourier no solamente es uno de los resultados más hermosos del análisis moderno, sino que además se puede decir que proporciona una herramienta indispensable en el tratamiento de casi todos los enigmas de la física moderna." El teorema de Fourier afirma que una gráfica o función, cualquiera que sea su forma, se puede representar con alta precisión dentro de un intervalo dado, mediante la suma de una gran cantidad de funciones senoidales, con diferentes frecuencias. Dicho de otro modo, cualquier función, sea o no sea periódica, se puede representar por una superposición de funciones periódicas con diferentes frecuencias. El teorema nos dice de qué manera se puede hacer esta representación, pero hablar de él va más allá del objeto de este libro.

La variación de la irradiancia o brillantez de una imagen, medida a lo largo de una dirección cualquiera es entonces una función que se puede representar mediante el teorema de Fourier, con una suma de distribuciones senoidales de varias frecuencias. Sin entrar en detalles técnicos innecesarios, simplemente afirmaremos aquí que atenuar o reforzar individualmente algunas de estas componentes senoidales puede tener un efecto dramático en la calidad de una imagen, mejorándola o empeorándola, según el caso. Este es el fundamento del procesamiento de imágenes, tanto por medios ópticos como digitales, que ahora describiremos. VI.l. PROCESAMIENTO ÓPTICO Los principios del procesamiento óptico de imágenes están bien establecidos desde el siglo pasado, cuando se desarrolló la teoría de la difracción de la luz. Sin embargo, su aplicación práctica data apenas del principio de la década de los sesenta, cuando se comenzó a disponer del rayo láser. El procesamiento óptico se basa en el hecho de que la imagen de difracción de Fraunhofer de una transparencia colocada en el plano focal frontal de una lente es una distribución luminosa que representa la distribución de las frecuencias de Fourier que componen la imagen, a la que se le llama técnicamente transformada de Fourier. Consideremos el arreglo óptico de la figura 42. En el plano focal frontal de la lente L1 se ha colocado la transparencia T, la cual está siendo iluminada por un haz de rayos paralelos provenientes de un láser de gas. Sobre el plano focal F1 de la lente L1 se forma una distribución luminosa que representa la transformada de Fourier de la transparencia. Si ahora se coloca otra lente L2 como se muestra en la misma figura, se puede formar una imagen de la transparencia en el plano focal F2 de esta lente. Si ahora se coloca cualquier objeto o diafragma sobre el plano F 1, se pueden eliminar las porciones que se deseen de la transformada de Fourier de la transparencia, eliminando así de la imagen las frecuencias de Fourier deseadas. Cada porción de la transformada de Fourier corresponde a una frecuencia espacial diferente sobre el objeto. Por lo tanto, mediante los diafragmas adecuados se pueden eliminar las frecuencias espaciales, llamadas también de Fourier, que se deseen quitar.

VI.2. PROCESAMIENTO DIGITAL

Figura 42. Procesamiento óptico de imágenes. (a) imagen original, con líneas de barrido, tipo imagen de televisión; (b) transformada de Fourier del objeto; (c) transformada de Fourier modificada, después de filtrar y (d) imagen procesada, sin las líneas de barrido. Al igual que en el caso del procesamiento óptico, los principios fundamentales del procesamiento digital de imágenes están establecidos hace muchos años, pero no se llevaban a cabo debido a la falta de computadoras. Con la aparición de las computadoras de alta capacidad y memoria, era natural que se comenzara a desarrollar este campo. Uno de los primeros lugares donde se empezó a realizar el procesamiento digital fue en el Jet Propulsion Laboratory, en 1959, con el propósito de mejorar las imágenes enviadas por los cohetes. Los resultados obtenidos en un tiempo relativamente corto fueron tan impresionantes que muy pronto se extendieron las aplicaciones del método a otros campos.

Figura 43. División de una imagen en pixeles. El procesamiento digital de imágenes se efectúa dividiendo la imagen en un arreglo rectangular de elementos, como se muestra en la figura 43. Cada elemento de la imagen así dividida se conoce con el nombre de pixel. El siguiente paso es asignar un valor numérico a la luminosidad promedio de cada pixel. Así, los valores de la luminosidad de cada pixel, con sus coordenadas que indican su posición, definen completamente la imagen. Todos estos números se almacenan en la memoria de una computadora. El tercer paso es alterar los valores de la luminosidad de los pixeles mediante las operaciones o transformaciones matemáticas necesarias, a fin de hacer que resalten los detalles de la imagen que sean convenientes. El paso final es pasar la representación de estos pixeles a un monitor de televisión de alta definición, con el fin de mostrar la imagen procesada (Figura 44).

Figura 44. Procesamiento digital de imágenes. Cefalograma en el que se han reforzado las componentes de Fourier de alta frecuencia. (Tomado de S. W. Oka y H. J. Trussell, The Angle Ortodontist, 48, núm. 1, 80, 1978). (a) Imagen original y (b) imagen procesada. VI.3. UTILIDAD DEL PROCESAMIENTO DE IMÁGENES La utilidad del procesamiento de imágenes es muy amplia y abarca muchos campos. Un ejemplo son las imágenes obtenidas con fines de diagnóstico médico. Otro ejemplo son las imágenes aéreas obtenidas para realizar exámenes del terreno. Mediante este método se pueden analizar los recursos naturales, las fallas geológicas del terreno, etcétera.

VISION POR COMPUTADORA

Hay varias razones por las que debemos estar interesados en la visión computacional o visión artificial, pero los dos siguientes aspectos nos permitirán observar las distintas direcciones en las cuales se puede ver el tema: a) Todas las formas de vida inteligente poseen la capacidad de obrar recíprocamente y de manipular su ambiente de una manera coherente y estable. Esta interacción es facilitada por la continua intervención inteligente entre la percepción y el control del movimiento (es decir acción); la percepción visual es de fundamental importancia para la vida inteligente. b) Más fabricantes están preocupados por la integridad cosmética de sus productos; los clientes comparan absolutamente a menudo la calidad del aspecto con calidad funcional. Así pues, para asegurar la acertada comercialización a largo plazo de un artículo, es altamente deseablecomparar su aspecto visual antes de ser empaquetado y enviado. Asimismo, es deseable que el proceso de la inspección esté automatizado y efectuado sin la intervención humana. Estas dos motivaciones para el estudio de la percepción caracterizan dos posibles razones del interés para el procesamiento, análisis, e interpretación de imágenes visuales: desde la filosófica y quizás esotérica inmediata y pragmática. Y todo el argumento entre estas dos razones presentes, una de estas con una amplia variedad de espectros en el interés comercial, dificultad y, por supuesto, del éxito. La respuesta para la primera pregunta (¿Qué es la visión artificial?) ahora se vuelve un poco más fácil de identificar. La experiencia en el mundo en que vivimos esta cubierta por una variedad sin fin de objetos, animados e inanimados. Así pues, si la visión es un medio para un fin – conocer el mundo observándolo – la visión artificial es exactamente lo mismo salvo que el medio por el cual se adquiere el conocimiento ahora es un instrumento de cómputo más bien que el cerebro de alguna ser vivo. Sin duda, esto es una definición muy amplia. Pero el tema de la 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”. Por siglos el hombre ha estado interesado en solucionar el rompecabezas ¿Por qué podemos ver?, los primeros experimentos de cómputo para desarrollar sistemas artificiales para la visión en máquinas empezaron tarde en los años, de 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, abarcando el reconocimiento de caracteres, análisis las células de sangre, investigación

automática de las radiografías, medicina nuclear , tomografías asistidas por computadora (CAT, Computer Aided Tomography), clasificación de cromosomas, identificación land-use, supervisión del tráfico, generación automática de proyecciones cartográficas, inspección de piezas para la garantía de calidad industrial, identificación de piezas y regeneración visual para ensamblaje y reparación automática. Los usos militares han incluido el seguimiento de objetos móviles, navegación automática basada en detección pasiva, y target acquisition y range-finding. Como hemos visto, a la visión artificial le compete estudiar la estructura físicatridimensional del mundo para el análisis automático de imágenes. Sin embargo, es necesaria la calidad en el uso de imágenes. Primero, analicemos una simple imagen es dedos- dimensiones y, por lo tanto, perdemos inevitable la información en el proceso de la proyección, es decir en pasar de un mundo tridimensional a una imagen de dos dimensiones. Quite often, it is the recovery of this lost information which forms the central problem in computer vision. Second, the images are digital images: they are discrete representations (i.e. they have distinct values at regularly sampled points) and they are quantized representations (i.e. each value is an integer value). Muy a menudo, es la recuperación de esta información perdida la que forma el problema central en la visión artificial. En segundo lugar, 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 misma, Ej., el procesamiento de imágenes (que se refiere a la transformación, codificación, y transmisión de las imágenes) y los patrones, de las cuales los patrones visuales son pero solo una instancia). Más significativamente, sin embargo, la visión artificial incluye técnicas para la descripción útil de la forma y del volumen, para modelos geométricos, y para el llamado proceso cognoscitivo. Así, aunque la visión artificial se refiere ciertamente 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, quizás, para verter una luz sobre la manera por la cual él logra su interacción adaptativa y robusta con su ambiente.

ANIMACION POR COMPUTADORA

La animación por computadora (también llamada animación digital, animación informática o animación por ordenador) es la técnica que consiste en crear imágenes en movimiento mediante el uso de ordenadores o computadoras. Cada vez más los gráficos creados son en 3D, aunque los gráficos en 2D todavía se siguen usando ampliamente para conexiones lentas y aplicaciones en tiempo real que necesitan renderizar rápido. Algunas veces el objetivo de la animación es la computación en sí misma, otras puede ser otro medio, como una película. Los diseños se elaboran con la ayuda de programas de diseño, modelado y por último renderizado. Para crear la ilusión del movimiento, una imagen se muestra en pantalla sustituyéndose rápidamente por una nueva imagen en un fotograma diferente. Esta técnica es idéntica a la manera en que se logra la ilusión de movimiento en las películas y en la televisión. Para las animaciones 3D, los objetos se modelan en la computadora (modelado) y las figuras 3D se unen con un esqueleto virtual (huesos). Para crear una cara en 3D se modela el cuerpo, ojos, boca, etc. del personaje y posteriormente se animan con controladores de animación. Finalmente, se renderiza la animación. En la mayor parte de los métodos de animación por ordenador, un animador crea una representación simplificada de la anatomía de un personaje, pues tiene menos dificultad para ser animada. En personajes bípedos o cuadrúpedos, muchas partes del esqueleto del personaje corresponden a los huesos reales. La animación con huesos también se utiliza para animar otras muchas cosas, tales como expresiones faciales, un coche u otro objeto que se quiera dotar de movimiento. En contraste, otro tipo de animación más realista sería la captura de movimiento, que requiere que un actor vista un traje especial provisto de sensores, siendo sus movimientos capturados por una computadora y posteriormente incorporados en el personaje. Para animaciones 3D, los fotogramas deben ser renderizados después de que el modelo es completado. Para animaciones vectoriales 2D, el proceso de renderizado es clave para el resultado. Para grabaciones grabadas anticipadamente, los fotogramas son convertidos a un formato diferente o a un medio como una película o video digital. Los fotogramas pueden ser renderizados en tiempo real, mientras estos son presentados al usuario final. Las animaciones para transmitir vía Internet en anchos de banda limitados (ejem. 2D Flash, X3D) utilizan programas en el ordenador del usuario para renderizar en tiempo real la animación como una alternativa para la transmisión y para animaciones precargadas para enlaces de alta velocidad.

Las dos primeras películas en las que intervineron planos enteramente generados por computadora de forma importante fueron Tron (1982) y The Last Starfighter (1984). Fueron fracasos comerciales, lo que llevó a que la mayoría de los directores a relegar esta clase de imágenes a imágenes que hiceran pensar en haber sido creadas por computadora, aunque no lo fueran en la realidad. El primer personaje verdaderamente creado en imágenes generadas por computadora fue creado por Pixar para la película Las aventuras del joven Sherlock Holmes en1985 (sin contar el sencillo personaje poliédrico de Tron que contestaba en binario: sí y no). Éste consistía en la representación de un caballero en una vidriera, cuyos vidrios salían de la vidriera, haciendo que el caballero representado en ella cobrara vida propia y caminara por sí solo. Estas imágenes generadas por computadora «fotorealistas» (del inglés photorealistic, es decir imagen sintética de aspecto real) no persuadiría a la industria del cine hasta 1989, cuando The Abyss (El abismo) ganó el Premio de la Academia de Hollywood en la categoría de Efectos Visuales. Para esta película Industrial Light and Magic produjo efectos visuales de imágenes generadas por computadora fotorealistas. Las más notables fueron las de una criatura de agua que imitaba la cara de la protagonista, esta escena figura entre las más recordadas de la película. A partir de The Abyss las imágenes generadas por computadora adquirieron un papel central en películas como Terminator 2: Judgement Day (1991), cuando el malvado Terminator T-1000 sorprendía a la audiencia por su composición de metal líquido, con transformaciones morfológicas integradas en secuencias de acción durante toda la película. Terminator 2: Judgement Day también le mereció a ILM (Industrial Light and Magic) un premio Óscar por sus efectos especiales. En 1993 Jurassic Park cambiaría radicalmente la percepción de la industria del cine, ya que los dinosaurios de la película parecían tan reales y la película integraba tan impecablemente tanto imágenes generadas por computadora como secuencias reales, que revolucionó la industria cinematográfica. Esta película marca la transición del Hollywood de la animación de movimientos fotograma a fotograma (Stop-Motion) y efectos ópticos convencionales, a las técnicas digitales. En 1994 Se crea en Canadá, la primera serie animada totalmente por computadora llamada Reboot, siendo este el primer trabajo comercial 100% por computadora. Las imágenes generadas por computadora en dos dimensiones (2D) aparecen cada vez más en películas tradicionalmente animadas, complementando a los cuadros (frames en inglés) ilustrados a mano. Sus usos se extendieron del movimiento de «interpolación digital entre cuadros», a pseudoefectos en tres dimensiones (3D) llamativos como la escena de sala de baile en La Bella y la Bestia de la compañía Walt Disney. La escenografía esta hecha completamente

por computadora, en cambio, el baile y la dirección de cámara están hechas completamente a mano. Toy Story (de Pixar) y Cassiopeia (de NDR Filmes) fueron los primeros largometrajes totalmente generados por computadora, estrenados en 1995 y 1996 respectivamente. Otros estudios de animación digitales como Blue Sky Studios (de la Twentieth Century Fox) y Pacific Data Images (de Dreamworks SKG) se lanzaron en la producción de imágenes generadas por computadora, y las compañías de animación ya existentes como la compañía Walt Disney iniciaron una transición de la animación tradicional a la animación mediante imágenes generadas por computadora. Entre 1995 y 2005 el presupuesto medio de efectos para una película subió considerablemente de 5 a 40 millones de dólares. Según un ejecutivo de uno de los estudios cinematográficos, desde 2005, más de la mitad de películas tienen efectos significativos. A principios de los años 2000, las imágenes generadas por computadora dominan el campo de los efectos especiales. La tecnología progresa hasta al punto que fue posible sustituir digitalmente a los actores por actores virtuales, indistinguibles a simple vista de los actores a los que reemplazan. Los extras generados por computadora también se empezaron a utilizar de forma generalizad en escenas de multitudes. Las imágenes generadas por computadora para películas tienen en general una resolución de aproximadamente 1.4-6 megapixeles (MPx). Toy Story, por ejemplo, tenía un formato de 1536 * 922 (1.42MPx). El tiempo para generar un cuadro es de unas dos o tres horas, necesitándose diez veces más tiempo para las escenas más complejas. Este tiempo no ha cambiado mucho desde entonces, mientras que la calidad de imagen sí ha progresado considerablemente. Al mismo tiempo con la mejora del material informático y con máquinas más rápidas, se ha podido aumentar la complejidad de los gráficos. El aumento exponencial de la capacidad de proceso de unidades centrales de procesamiento, así como aumentos masivos en la capacidad de procesamiento paralelo de éstas, de almacenaje y velocidad de memoria y tamaño, han aumentado enormemente el potencial y complejidad de las imágenes generadas por computadora.

CONCLUSION

El procesamiento de imágenes tiene como objetivo mejorar el aspecto de las imágenes y hacer más evidentes en ellas ciertos detalles que se desean hacer notar. La imagen puede haber sido generada de muchas maneras, por ejemplo, fotográficamente, o electrónicamente, por medio de monitores de televisión. El procesamiento de las imágenes se puede en general hacer por medio de métodos ópticos, o bien por medio de métodos digitales, en una computadora.

La utilidad del procesamiento de imágenes es muy amplia y abarca muchos campos. Un ejemplo son las imágenes obtenidas con fines de diagnóstico médico. Otro ejemplo son las imágenes aéreas obtenidas para realizar exámenes del terreno. Mediante este método se pueden analizar los recursos naturales, las fallas geológicas del terreno, etcétera.

La animación por computadora (también llamada animación digital, animación informática o animación por ordenador) es la técnica que consiste en crear imágenes en movimiento mediante el uso de ordenadores o computadoras.

Para crear la ilusión del movimiento, una imagen se muestra en pantalla sustituyéndose rápidamente por una nueva imagen en un fotograma diferente. Esta técnica es idéntica a la manera en que se logra la ilusión de movimiento en las películas y en la televisión.