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💻 Atividades práticas de Processamento de Imagem, utilizando linguagem Python e OpenCV. Baseadas no tutorial, disponibilizado em livre acesso pelo professor Agostinho Brito.

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PI-Explorer

Neste repositório, tem algumas atividades práticas que foram realizadas na faculdade relativas a Processamento de Imagem e desenvolvidas ao longo do semestre. Para isto, seguimos as instruções deste tutorial, disponibilizado em livre acesso pelo professor Agostinho Brito.

A cada semana, abordamos um dos conceitos do material, durante o período da aula, e posteriormente realizada a respectiva tarefa. O prazo de entrega da tarefa era de cerca de 10 dias após a discussão em aula sobre o conteúdo. Isso permitiu que eu pudesse alinhar eventuais duvidas com o professor na aula seguinte e conseguir finalizar dentro do prazo de entrega.

Cada entrega realizada foi entregue em uma pasta específica para o mesmo e além do código, desenvolvi um report (read.me). Este report apresenta exemplos de entrada e saída (resultados) do algoritmo. Além disso, todas as atividades usei de base para iniciar a partir de códigos de exemplo disponibilizados com a respectiva lição. Dessa forma, o relatório também destaquei as partes do código que desenvolvi, explicando em detalhes o funcionamento e a lógica que utilizei.

Ao todo foram 8 entregas, organizadas da seguinte maneira:

Os exemplos disponíveis encontram-se em C++, mas podia desenvolver as atividades em outra linguagem de nossa preferência, desde que utilize o OpenCV.

Sobre esse repositório

Esse repositório é uma cópia de outro que ficou bloqueado no GitHub Education que eu trouxe para esse repositório público.

Sobre as atividades

Para a realização dessa atividade optei por fazer na linguagem Python, pois pensei que a curva de aprendizagem era menor em relação ao C++. Sendo assim, todas as as resoluções foram adapatadas de acordo com linguagem escolhida podendo ter algumas diferenças do que foi apresentado no exemplo da explicação.

Manipulando Imagens

✂️ Explicação e exemplos da atividade

Nessa atividade, há três exercícios: pixels, regions e changeregions

  1. No Exemplo Pixels é a atividade exemplo para aprender como resolver a atividade, alguns comandos foram adaptados de acordo com a linguagem Python.
  1. No Exerecício de Regiões nesse exercício utilizei uma imagem pessoal da minha gata Haru, mas a imagem era muito grande, então criei a função reduzir_imagem apenas para reduzir o tamanho da imagem apresentada para poder ser visualizado. Tornando assim a imagem de tamanho 300X400.
def reduzir_imagem(imagem):
  porcetagem_escala = 10
  largura = int(imagem.shape[1] * porcetagem_escala / 100)
  altura = int(imagem.shape[0] * porcetagem_escala / 100)
  dimensao_imagem = (largura, altura)
  return cv.resize(imagem, dimensao_imagem, interpolation = cv.INTER_AREA)

Para deixar a imagem negativa foi usado:

255 - imagem_reduzida[p1_c:p1_a,p2_c:p2_a]

E colocado na matiz do pyhton:

imagem_reduzida[p1_c:p1_a,p2_c:p2_a]

Exemplos de utilização

Para testar o programa é só editar os paramêtros. Então P1 é composto por p1i e p1j, assim como P2 é composto por p2i e p2j, sendo implementados assim: regions(p1i,p1j, p2i,p2j)

  • Exemplo 1:
  regions(40,301,150,250)

Saída:

  • Exemplo 2:
  regions(60,350,50,200)

Saída:

  • Exemplo 3:
  regions(105,200,80,130)

Saída:

Basta tirar o comentário e comentar o próximo utilizando #

regions(40,301,150,250) //Esse roda
# regions(60,350,50,200) //Esse não

3 - No Exerecício de Troca de Regiões

Primeiro verifica utiliza o .shape que permite pegar o tamnho da imagem inserida:

 (altura, largura) = imagem.shape[:2] # Como essa função pega 3 paramêtros e só utilizo os dois priemiros coloco [:2]

Divido o valor da largura e altura pela metade para pegar um fatia da imagem:

 (p1m, p2m) = (largura // 2, altura // 2)

Uso o .copy() para fazer uma cópia da imagem original

 imagem_1 = imagem.copy()
 imagem_2 = imagem.copy()

Etapas de monstagem da imagem

Posiciono dentro da imagem real a imagem cortada deixando na posição que deve ficar:

 imagem_1[:p1m,:p2m] = imagem[p1m:,p1m:]

A imagem_1 a saída mostra o primeiro quadrado da imagem cortada.

 cv.imshow("Trocar de Posicao a Imagem", imagem_1)

Saída:

Depois faz uma cópia dessa imagem e posiciona o próximo quadrado cortado ao lado, formando a parte de cima da imagem.

 imagem_top = imagem_1.copy()
 imagem_top[:p2m,p1m:] = imagem[p2m:,:p1m]

A imagem_top formou a parte de cima com os dois recortes na posição certa. Com esse comando abaixo pode-se ver a imagem de saida:

  cv.imshow("Trocar de Posicao a Imagem", imagem_top)

Saída:

Para a próxima etapa fiz uma cópia da imagem pronta da parte de cima e uni com a imagem recortada do lado esquerdo montando uma imagem com 3 quadrados nas suas respectivas posições.

  imagem_tres_quadros = imagem_top.copy()
  imagem_tres_quadros[p2m:,:p1m] = imagem[:p2m,p1m:]

Se colocar para imprimir o imagem_tres_quadros monta a imagem dos 3 quadrados em suas devidas posições.

  cv.imshow("Trocar de Posicao a Imagem", imagem_tres_quadros)

Saída:

Para finalizar e apresentar a imagem correta copiei a imagem com os 3 quadrados e adicionei o último quadrado na imagem.

Exemplo de utilização

  • Exemplo: Para apresentar a imagem correta toda recortada e seus quadrados nas respoectrivas posições utiliza-se esse comando.
  cv.imshow("Trocar de Posicao a Imagem", imagem_complete)

Saída:

Preenchimentos

🟪 Explicação e exemplos da atividade

Nessa atividade, há três exercícios: labeling, labeling_ex1 e labeling_ex2

  1. No Exemplo de Preenchimento é a atividade exemplo para aprender como resolver a atividade, alguns comandos foram adaptados de acordo com a linguagem Python.

Para converter as cores da imagem utilizei o cvtColor e para definir os tons de cinza adicionei a propriedade de cor cv.COLOR_BGR2GRAY:

 imagem = cv.cvtColor(imagem, cv.COLOR_BGR2GRAY)

Usei o .shape para pegar o tamanho da imagem em largura e altura:

  (width, height) = imagem.shape[:2]

Criei um contador de número de objetos e iniciei zerado:

  nobjetos = 0

Para usar o floodFill necessita criar uma máscara da imagem, que é definida nessa linha:

  mascara = np.zeros((height + 2, width + 2), np.uint8)

Para poder identificar quantos pixels são claros (pixel de cor 255) criei uma recursividade que utiliza o tamanho da imagem para identificar a quantidade de pixels e toda vez que encontrar um pixel da cor 255 adiciona no contador que encontrou um objeto novo e no floodFill vai rotulando os objetos da imagem:

  for i in range(0, height):
    for j in range(0, width):
      if imagem[i,j] == 255:
        #achou um objeto
        nobjetos = nobjetos + 1

        # preenche o objeto com o contador
        cv.floodFill(imagem, mascara, (j,i), nobjetos)

Utilizei o equalizeHist na imagem para melhorar a identificação da rotulação:

  realce = cv.equalizeHist(imagem)

Se executar o comando abaixo pode-se ver a imagem normal em tons de cinza e a imagem com realce para identificar a rotulação:

  cv.imshow('Imagem', imagem)
  cv.imshow('Realce', realce)

Saída:

Ao finalizar grava a imagem nova rotulada:

  cv.imwrite("labeling.png", imagem)

Saída:

  1. No Atividade de Preenchimento 1 é para limitar se uma imagem tem mais de 255 objetos, pois torna o processo de rotulação mais lento.

Para resolver esse problema utilizei o contador de objetos e limitei em um if se o número for menor ou igual a 255 aceita fazer a rotulação se não adiciona True na flag erro:

  for i in range(0, height):
   for j in range(0, width):
     if imagem[i,j] == 255:
       #achou um objeto
       nobjetos = nobjetos + 1

       if nobjetos <= 255:
         # preenche o objeto com o contador
         cv.floodFill(imagem, mascara, (j,i), nobjetos)
       else:  
         erro = True

Então se a imagem tiver mais que 255 objetos aparece um erro no console, se não aparece a nova imagem rotulada:

  if erro is not True:
    print('width: ', width)
    print('height: ', height)

    # Numero de objetos está errado. Conta pixels 255 e não as bolhas em si
    print('Total de bolhas: ', nobjetos)

    realce = cv.equalizeHist(imagem)
    cv.imshow('Imagem', imagem)
    cv.imshow('Realce', realce)
                         
    #Salva imagem                     
    cv.imwrite("doble_labeling.png", imagem)
  else:
    print('Imagem possui mais de 255 objetos, dificulta a rotulacao. Por favor selecione outra imagem com menos objetos.')

Se o número de objetos é MAIOR que 255.

Saída:

Se o número de objetos é MENOR que 255, salva imagem como doble_labeling.png.
Saída:

  1. No Atividade de Preenchimento 2 é aprimorar o algoritmo de contagem apresentado para: 3.1. Identificar regiões com ou sem buracos internos que existam na cena; 3.2. Assumir que objetos com mais de um buraco podem existir; 3.3. Inclua suporte no algoritmo para não contar bolhas que tocam as bordas da imagem; 3.4. Não se pode presumir, a priori, que elas tenham buracos ou não.

Para o item 3.1 peguei o inverso da cor:

  #inverso da cor
  imagem = 255 - imagem

Saída:

Defini que tudo que fosse fundo mudasse para preto, deixando apenas os buracos brancos de dentro das bolhas:

  for i in range(0, height):
     for j in range(0, width):
       if any(imagem[i,j] == [255,255,255]):
         #achou um objeto
         nobjetos = nobjetos + 1

         # preenche o objeto com o contador
         cv.floodFill(imagem, mascara, (0,0), nobjetos)

Saída:

Histogramas

📊 Explicação e exemplos da atividade

Nessa atividade, há três exercícios: histogram, equalize e motiondetector

  1. No Histograma é uma atividade exemplo para capturar uma imagem colorida pela camera e convertendo identificando o RGB e fazer um histograma de cada cor.

O nbins é o tamanho do vetor do histograma no caso defini como 128 para ter uma visualização melhor do histograma. O histRange colocasse o valor máximo e mínimo de faixa de cor que vai usar, no caso vai de 0 (zero) até 255.

  nbins = 128
  histRange = [0, 255]

Abre uma conexão com a câmera da posição 0 e verifica se está vindo imagem, caso não venha aparece um retorno no console e sai do programa.

  cap = cv2.VideoCapture(0)

  if not cap.isOpened():
    print("camera indisponiveis")
    return

Definir o tamanho da imagem capturada pela câmera com as propridades do OpenCV: cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH e cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, no caso largura é 640 e a altura 480

  cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH, 640)
  cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, 480)
  width = cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH)
  height = cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT)

Abaixo como se defini o tamanho dos histogramas para cada cnal de cor, como se usa o np.zero defini-se a tipagem dos dados para pegar 8bits.

  histImgR = np.zeros((histh, histw, 3), dtype="uint8")
  histImgG = np.zeros((histh, histw, 3), dtype="uint8")
  histImgB = np.zeros((histh, histw, 3), dtype="uint8")

Enquanto tiver captando imagem a cada frame lido ret, frame = cap.read() é separado em planos para serem analisados e gerado um histograma de cor daquela imagem captada, para isso se utiliza o .split para melhor separação das cores detectadas na captura. E passado os valores calculados de cada cor RGB para o .calcHist do OpenCV para gerar um histograma ainda não normalizado.

  while(True):
  ret, frame = cap.read()

  planes = cv2.split(frame)

  histR = cv2.calcHist(planes[0], [1], None, [nbins], histRange)
  histG = cv2.calcHist(planes[1], [1], None, [nbins], histRange)
  histB = cv2.calcHist(planes[2], [1], None, [nbins], histRange)

A cada histograma é normalizado uma faixa de valores de zero até a quantidade máxima de linhas das imagens analisadas para pegar os pontos do menor ao maior daquela faixa de cor. Assim poder desenhar no histograma esses dados encontrados.

  cv2.normalize(histR, histR, 0, histImgR.shape[1], cv2.NORM_MINMAX, -1)
  cv2.normalize(histG, histG, 0, histImgG.shape[1], cv2.NORM_MINMAX, -1)
  cv2.normalize(histB, histB, 0, histImgB.shape[1], cv2.NORM_MINMAX, -1)

Depois de normalizado para desenhar o histograma usamos uma função do OpenCV .line que desenha as linhas do histograma, faz uma cópia dessa informação dentro da imagem com o .copy, como não consegui colcoar dentro da imagem usei o .rectangle para desenhar um retangulo com a informação do histograma em três janelas diferentes.

  histImgR = np.zeros((histh, histw, 3), dtype="uint8")
  histImgG = np.zeros((histh, histw, 3), dtype="uint8")
  histImgB = np.zeros((histh, histw, 3), dtype="uint8")

  for i in range(nbins):
    cv2.line(histImgR, (i, histh),
             (i, histh - round(histR[i][0])), [0, 0, 255], 1, 8, 0)
    cv2.line(histImgG, (i, histh),
             (i,  histh - round(histG[i][0])), [0, 255, 0], 1, 8, 0)
    cv2.line(histImgB, (i, histh),
             (i,  histh - round(histB[i][0])), [255, 0, 0], 1, 8, 0)

  imgR = histImgR.copy()
  imgG = histImgG.copy()
  imgB = histImgB.copy()

  cv2.rectangle(imgR, (0, 0), (nbins, histh),  [0, 0, 255])
  cv2.rectangle(imgG, (0, histh), (nbins, histh),  [0, 255, 0])
  cv2.rectangle(imgB, (0, 2*histh), (nbins, histh),  [255, 0, 0])

  cv2.imshow('Hist. Verm.', imgR)
  cv2.imshow('Hist. Verde', imgG)
  cv2.imshow('Hist. Azul', imgB)
  cv2.imshow('Imagem', frame)

Abaixo o retorno de como ficou a imagem capturada pela câmera e seus histogramas.

Saída:

  1. No Equalizador se converte para tons de cinza a imagem e demonstra a imagem obtida pela camera e a imagem equalizada com os seus devidos equalizadores.

Para essa atividade a parte inicial foi utilizado a anterior. Então, defnição do tamanho de vetor, range utilizado, captura de imgem, tamanho da imagem capturada, looping enquanto o programa roda permanece o mesmo.

O que muda como é analisada as imagens capturadas. O frame analisado transformei para escala de cinza cv2.COLOR_BGR2GRAY.

  _, frame = cap.read()
  frame = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

Com imagem capturada gerei uma equalização dela atrovés do .equalizeHist do próprio OpenCV, depois gerei histograma imgFrame para imagem normal frame e um histograma para imagem equalizada img e presentei a imagem tmbém equalizada equalizedFrame.

  equalizedFrame = cv2.equalizeHist(frame)

  equalizedHist = cv2.calcHist(equalizedFrame, [0], None, [nbins], histRange)
  frameHist = cv2.calcHist(frame, [0], None, [nbins], histRange)

  histImg = np.zeros((histh, histw), dtype="uint8")
  histFrame = np.zeros((histh, histw), dtype="uint8")

  cv2.normalize(equalizedHist, equalizedHist, 0,
                histImg.shape[1], cv2.NORM_MINMAX, -1)
  cv2.normalize(frameHist, frameHist, 0,
                histFrame.shape[1], cv2.NORM_MINMAX, -1)

  for i in range(nbins):
    cv2.line(histImg, (i, histh),
             (i, histh - round(equalizedHist[i][0])), [255], 1, 8, 0)
    cv2.line(histFrame, (i, histh),
             (i, histh - round(frameHist[i][0])), [255], 1, 8, 0)

  img = histImg.copy()
  imgFrame = histFrame.copy()

  cv2.rectangle(img, (0, 0), (nbins, histh), [0])
  cv2.rectangle(imgFrame, (0, 0), (nbins, histh), [0])

  cv2.imshow('equalizedHist', img)
  cv2.imshow('equalized', equalizedFrame)

  cv2.imshow('frameHist', imgFrame)
  cv2.imshow('frame', frame)

Ao final apresentei a esquerda a imagem normal capturada e a direita imagem após a equalização com os seus devidos histogramas no retangulo a direita acima de cada uma delas.

Saída:

  1. No Detector de Movimento continua calculando o histograma da imagem, no caso deixei a imagem em tons de cinza, e comparando com o último histograma calculado Quando o calculo tem diferença entre um limiar pré-estabelecido, ative um alarme, no caso é uma frase no console ALERTA: MOVIMENTO DETECTADO!.

As declarções iniciais são iguais as outras atividades e a imagem capturada converto para tons de cinza:

  nbins = 128
  histRange = [0, 255]

  cap = cv2.VideoCapture(0)

  if not cap.isOpened():
    print("Could not open video device")
    return

  cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH, 640)
  cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, 480)
  width = cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH)
  height = cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT)

  print(f"largura = {width}")
  print(f"altura = {height}")

  histw = nbins
  histh = nbins // 2

  old_frame = cv2.cvtColor(cap.read()[1], cv2.COLOR_BGR2GRAY)

O limite definido foi de 1000. E a partir da primeira interação entra no looping. Calcula o histograma do frame atual(current_frameHist) e do antigo (old_frameHist). Para comparar os histogramas foi usado uma função própria do OpenCV o .compareHist usando o calculo de Kullback-Leibler cv2.HISTCMP_KL_DIV que fica registrado na variável result.

max_difference = 1000
old_result = None

first_iteration = True

while(True):
  current_frame = cv2.cvtColor(cap.read()[1], cv2.COLOR_BGR2GRAY)

  current_frameHist = cv2.calcHist(current_frame, [0], None, [nbins], histRange)
  old_frameHist = cv2.calcHist(old_frame, [0], None, [nbins], histRange)

  result = cv2.compareHist(current_frameHist, old_frameHist, cv2.HISTCMP_KL_DIV)

Enquanto o old_result não existir mantem o mesmo valor que tiver em result. Para calcular a diferença (difference) usa a função do python abs para nunca ter valores negativos e voltar tipo número. Se a diferença for maior que o limite definido aparecer um alerta no console de movimento detectado e apresenta o vídeo da captura da câmera.

  if not old_result:
    old_result = result

  difference = abs(result - old_result)

  if difference > max_difference:
    print(f"movement detected: {result} - difference: {difference} - max_difference: {max_difference}")
    print(f"ALERTA: MOVIMENTO DETECTADO!")

  cv2.imshow('frame', current_frame)

  if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
    break

  old_frame = current_frame
  old_result = result

Quando o objeto se mexe, no console apresenta que deu diferença e aparece o alerta de movimento.

Saída:

Video MP4 do programa rodando

Filtragem Espacial I

🔳 Explicação e exemplos da atividade
  1. No Filtragem Espacial I adiciona filtros sobre a imagem capturada, sendo eles: media, gauss, horizontl, vertical, laplacian. Esses filtros já vem definidos em variáveis de mesmo.
  def main():
    media = [0.1111, 0.1111, 0.1111, 0.1111, 0.1111, 0.1111, 0.1111, 0.1111, 0.1111]
    gauss = [0.0625, 0.125,  0.0625, 0.125, 0.25, 0.125,  0.0625, 0.125,  0.0625]
    horizontal = [-1, 0, 1, -2, 0, 2, -1, 0, 1]
    vertical = [-1, -2, -1, 0, 0, 0, 1, 2, 1]
    laplacian = [0, -1, 0, -1, 4, -1, 0, -1, 0]
    boost = [0, -1, 0, -1, 5.2, -1, 0, -1, 0]
    frameFiltered = np.zeros((3, 3))
    result = np.zeros((3, 3))

Após definição desses filtros, abre a conexão com a câmera, testa se funcionou, defini o tamanho da captura. Uma máscara é criada com os parâmetros definidos para o array de media com formato 3 por 3. Definimos o absolute como True para ser usado em um dos filtros. Se a captura está funcionando entra no looping.

 cap = cv2.VideoCapture(0)

 if not cap.isOpened():
   print("Could not open video device")
   return

 cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH, 640)
 cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, 480)

 mask = np.reshape(media, (3, 3))

 absolute = True

 while(True):

Dentro do while pega o frame da captura e transforma para tons de cinza. Mostra uma tela da imagem capturada original, usa a mesma captura que está framegray uso o .flip para inverter a imagem, transformamos para 32 bits em float com .float32 do Python na variável frame32f. Na variável frameFiltered utilizei um método do OpenCV chamado .filter2D que faz com que a imagem que está sendo usada passe para kernel e crie um filtro linear sobre ela, interpolando valores de pixels discrepantes de acordo com o modo de borda especificado.

   while(True):
     ret, frame = cap.read()

     framegray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

     cv2.imshow("original", framegray)

     framegray = cv2.flip(framegray, 1)

     frame32f = np.float32(framegray)
     frameFiltered = cv2.filter2D(frame32f, cv2.CV_32F, mask, anchor=(1, 1), delta=0)

Se o absolute for verdadeiro converto o valor do frameFiltered com o .abs do np para converter os valores em positivos. O result recebe os valores de frameFiltered limitados a 8bits com o .unit8 que vai até 255 máximo. E apresento o retorno de result.

    if absolute:
      frameFiltered = np.abs(frameFiltered)

    result = np.uint8(frameFiltered)

    cv2.imshow("filtroespacial", result)

Na tela de nome filtroespacial conforme a tecla que aperta apresenta um filtro sobre a imagem capturada: * a = absolute, m = mask, g = gauss, h = horizontal, v = vertical, l = laplacian e b = boost *.

    key = cv2.waitKey(10)

    if key != -1:
      key = chr(key)

    if key == '\x1b':
      break

    if key == 'a':
      absolute = not absolute
    elif key == 'm':
      mask = np.reshape(media, (3, 3))
      print(mask)
    elif key == 'g':
      mask = np.reshape(gauss, (3, 3))
      print(mask)
    elif key == 'h':
      mask = np.reshape(horizontal, (3, 3))
      print(mask)
    elif key == 'v':
      mask = np.reshape(vertical, (3, 3))
      print(mask)
    elif key == 'l':
      mask = np.reshape(laplacian, (3, 3))
      print(mask)
    elif key == 'b':
      mask = np.reshape(boost, (3, 3))
      print(mask)

    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
      break 

  cv2.waitKey()

Retorno da imagem gauss.

Saída:

Retorno do Filtro absolute.

Saída:

Retorno do Filtro boost. Saída:

Retorno do Filtro horizontal.

Saída:

Retorno do Filtro laplacian.

Saída:

Retorno do Filtro mask.

Saída:

Retorno do Filtro vertical.

Saída:

  1. No Laplaciano do gaussiano tem que se adicionar mais um efeito misturando dois dos calculos em um mesmo filtro, sendo os calculos: laplaciano do gaussian de imagem capturada.

Foi realizado uma concatenação dos dois calculos, fazendo o laplaciano sobre gauss, usando o .concatenate do próprio np. O usuário que clicar: t = laplaciano do gaussian.

  elif key == 't':
    mask = np.float32(np.concatenate((np.reshape(gauss, (3, 3)), np.reshape(laplacian, (3, 3)))))
    print(mask)

Foi usado outro objeto par visualizar melhor o novo filtro combinado.

Saída:

Se compararmos os filtros separados:

Retorno da imagem gauss.

Saída:

Retorno do Filtro laplacian.

Saída:

O novo filtro ele pega bordas da imagem e o lapaciano trata pontos dessas bordas para melhor visualização. Pondendo visualizar os constornos dos objetos dentro da imagem.

Saída:

Filtragem Espacial II

🔲 Explicação e exemplos da atividade

Nessa atividade, há três exercícios: addweighted, tiltshift e tiltshiftvideo

  1. No Add Weighted é uma atividade exemplo de Addweighted que é um combinação linear de duas imagens f0(x,y) e f1(x,y) (plano do foco da imagem). O programa abaixo fará o calculo da combinação linear fornecendo duas saídas. Para o controle de Alpha que é o blend usa-se o addWeighted do próprio OpenCV para fazer o cálculo linear que dá o efeito de sobreposição com desfoque e para o Scanline no controle de line define-se o tamanho limiteda imagem sobreposta até que posição dá para aumentar e diminuir.
  image1 = cv2.imread("Resources/blend1.jpg")
  image2 = cv2.imread("Resources/blend2.jpg")
  imageTop = image2.copy()

  if type(image1).__module__ != "numpy":
      print("Arquivo não encontrado")

  if type(image2).__module__ != "numpy":
      print("Arquivo não encontrado")

  alfa = 0.0
  alfa_slider = 0
  alfa_slider_max = 100
  top_slider = 0
  top_slider_max = 100
  TrackbarName = ''


  def on_trackbar_blend(param):
      global alfa_slider
      global alfa

      alfa_slider = param
      alfa = alfa_slider/alfa_slider_max
      blended = cv2.addWeighted(image1, 1-alfa, imageTop, alfa, 0.0)
      cv2.imshow("addweighted", blended)


  def on_trackbar_line(top_slider):
      global imageTop

      imageTop = image1.copy()
      limit = top_slider*255//100
      if limit > 0:
          imageTop[:limit] = image2[:limit]
          cv2.imshow("addweighted", imageTop)

      on_trackbar_blend(alfa_slider)


  def main():
      cv2.namedWindow("addweighted", 1)

      TrackbarName = "Alpha x {0}".format(alfa_slider_max)
      cv2.createTrackbar(TrackbarName, "addweighted", alfa_slider,
                         alfa_slider_max, lambda x: on_trackbar_blend(x))
      on_trackbar_blend(alfa_slider)

      TrackbarName = "Scanline x {0}".format(top_slider_max)
      cv2.createTrackbar(TrackbarName, "addweighted", top_slider,
                         top_slider_max, lambda x: on_trackbar_line(x))
      on_trackbar_line(top_slider)

      cv2.waitKey()
O resultado da combinação vai gerar uma janela com duas barras de controle `on_trackbar_blend` e `on_trackbar_line`, sendo uma para regular o valor alpha que altera o distânciamento do foco da imagem da sua projeção e o outro controle é a região a ser copiada da entrada da composição com o objetivo de não alterar a região central para que o efeito til-shift funcione posteriormente. Esse resultado pode ser visualizado pelas imagens abaixo.

Saída:

Pode-se observar a cópia da imagem mantendo a região central e uma imagem sobreposta com uma função filtrada com as bordas borradas por um filtro da média.

  1. No Tiltshift é uma atividade exemplo da simulação da técnica fotográfica tilt-shift, que usa deslocamento e rotações para o efeito de desfoque seletivo da região. No caso podendo controlar a região de desfoque pelo Gauss definir a área do a ser defocada pelos controles superior top e inferior bottom como também podendo suavizar o limite da área borrada com o controle de Decay.
A diferença dessa resolução para a anterior que para o desfoque utiliza-se a `GaussianBlur` do openCV, que utiliza a fórmula de Gauss pegando o tamanho da imagem e as direções de desvio definidas para aumentar ou diminuir o ruido da image. Já a suavização de bordas é usado o valor de `decay_bar_slider` como divisor nos tamnhos passados par o calculo de Alpha.

```bash

  def tiltshift():
    global image
    global top_limit
    global bottom_limit

    top_limit = top_bar_slider*255//100
    image[top_limit:] = original_image[top_limit:]

    if top_limit > 0:
        image[:top_limit] = cv2.GaussianBlur(
            original_image[:top_limit], (gauss_bar_slider, gauss_bar_slider), 0)

    bottom_limit = 255 - (bottom_bar_slider*255//100) + 1

    if bottom_limit == 256:
        bottom_limit = bottom_limit - 1

    if bottom_limit > 0:
        image[bottom_limit:] = cv2.GaussianBlur(
            original_image[bottom_limit:], (gauss_bar_slider, gauss_bar_slider), 0)

    x = np.arange(image.shape[0], dtype=np.float32)

    alpha_x = (np.tanh((x - top_limit) / decay_bar_slider) -
               np.tanh((x - bottom_limit) / decay_bar_slider)) / 2

    mask = np.repeat(alpha_x, image.shape[1]).reshape(image.shape[:2])

    blur = cv2.GaussianBlur(
        image, (gauss_bar_slider * 2 + 1, gauss_bar_slider * 2 + 1), 0)

    mask = cv2.cvtColor(mask, cv2.COLOR_GRAY2BGR)

    image[:top_limit] = original_image[:top_limit]
    image[bottom_limit:] = original_image[bottom_limit:]

    result = cv2.convertScaleAbs(image * mask + blur * (1 - mask))

    cv2.imshow("main", result)


def on_top_bar_slide(value):
    global top_bar_slider

    top_bar_slider = value
    tiltshift()


def on_bottom_bar_slide(value):
    global bottom_bar_slider

    bottom_bar_slider = value
    tiltshift()


def on_gauss_bar_slider(value):
    global gauss_bar_slider

    if value % 2 == 0:
        value = value + 1

    if value == 0:
        value = 1

    gauss_bar_slider = value
    tiltshift()


def on_decay_bar_slider(value):
    global decay_bar_slider

    if value % 2 == 0:
        value = value + 1

    decay_bar_slider = value
    tiltshift()


def main():
    cv2.namedWindow("main", 1)

    cv2.createTrackbar("Top x {0}".format(top_bar_slider_max), "main", top_bar_slider,
                       top_bar_slider_max, on_top_bar_slide)
    cv2.createTrackbar("Bottom x {0}".format(bottom_bar_slider_max), "main", bottom_bar_slider,
                       bottom_bar_slider_max, on_bottom_bar_slide)
    cv2.createTrackbar("Gauss x {0}".format(gauss_bar_slider_max), "main", gauss_bar_slider,
                       gauss_bar_slider_max, on_gauss_bar_slider)
    cv2.createTrackbar("Decay x {0}".format(decay_bar_slider_max), "main", decay_bar_slider,
                       decay_bar_slider_max, on_decay_bar_slider)

    cv2.waitKey()


if __name__ == '__main__':
    main()
```

Após relizado altura que está em foco e regular a intensidade do decaimento da região borrada, apresenta o seguinte resultado: Saída:
  1. No Tiltshift Video é uma atividade exemplo do uso da filtragem de modo bidirecional a partir do dominio da frequência na transformada discreta de Fourier (DFT) aplicado em um vídeo.
Para a resolução dessa atividade utiliza quase o mesmo código que o na atividade anterior, mudndo apenas entrada para receber o vídeo e aplicado o efeito no frame capturado do vídeo:

   speed = 4
    skip_frame = 0

    while True:
        ret, frame = cap.read()

        if skip_frame == 0:
            result = tiltshift(frame)
            cv2.imshow("main", result)

            skip_frame = (skip_frame + 1) % speed
        else:
            skip_frame = (skip_frame + 1) % speed

É gerada uma imagem borrada devido a filtragem das altas frequências numa sequência de vídeo, podendo ser controlada da mesma forma qua a atividade anterior.

Saída:

Video MP4 do programa rodando

Filtragem Frequência

🔘 Explicação e exemplos da atividade

Nessa atividade tem o exercício: dft
.

  1. No DFT é ums atividade que utilizando uma imagem em tons de cinza, precisa-se manipular a imagem mal iluminada e ajustar os filtros denominados homórficos para corrigir a iluminação.

O getOptimalDFTSize é uma função do OpenCV, que através do tamanho passado identifica qual é o melhor valor de base par ser calculado o DFT, sendo multiplos de 2, 3 e 5. Guardando em variáveis dft_M e dft_N o tamanho ideal de linhs e colunas.

def main():
    global dft_M
    global dft_N

    cv2.namedWindow("original", 1)
    cv2.namedWindow("homomorphic", 1)

    dft_M = cv2.getOptimalDFTSize(image.shape[0])
    dft_N = cv2.getOptimalDFTSize(image.shape[1])

    cv2.createTrackbar("Gamma Low", "homomorphic", gamma_low_slider,
                       gamma_low_slider_max, on_gamma_low_slider)
    cv2.createTrackbar("Gamma High", "homomorphic", gamma_high_slider,
                       gamma_high_slider_max, on_gamma_high_slider)
    cv2.createTrackbar("d_zero", "homomorphic", d0_slider,
                       d0_slider_max, on_d0_slider)
    cv2.createTrackbar("c", "homomorphic", c_slider,
                       c_slider_max, on_c_slider)

    homomorphic()

    cv2.waitKey()

O copyMakeBorder é uma função do OpenCV que defini as bordas da imagem como zeros par ser usado no cálculo do DFT. Contruindo uma matriz de zeros em zeros. Calculando a função de tranferência em complex_image e gerando uma matriz temporária tmp calcula o filtro passa-baixas ideal e á merge na matriz de filtros com a matriz de complexa. Faz o cálculo de DFT com a própria função do OpenCV (dft) realiza a troca de quadrantes com move_dft. Aplica o filtro de frequenci do OpenCV mulSpectrums. Clcula o defete inverso idft dos quadrantes trocados. Gerando assim a nova imagem normalizada.

  def homomorphic():
    gl = gamma_low_slider // 100
    gh = gamma_high_slider // 100
    d0 = 25 * d0_slider // 100
    c = c_slider // 100

    cv2.imshow("original", image_gray)

    padded = cv2.copyMakeBorder(image_gray, 0,  dft_M - image.shape[0], 0, dft_N - image.shape[1], cv2.BORDER_CONSTANT)

    zeros = np.float32(np.zeros(padded.shape))

    real_input = np.float32(padded.copy())

    planos = [real_input, zeros]

    complex_image = cv2.merge(planos)

    tmp = np.float32(np.zeros((dft_M, dft_N)))

    complex_image = cv2.dft(complex_image)

    complex_image = move_dft(complex_image)

    for x in range(tmp.shape[0]):
        for y in range(tmp.shape[1]):
            d2 = (x-dft_M//2)*(x-dft_M//2)+(y-dft_N//2)*(y-dft_N//2)

            tmp[x, y] = (gamma_high_slider-gamma_low_slider) * \
                (1 - math.exp(-(c*d2/(d0*d0)))) + gamma_low_slider

    comps = [tmp, tmp]
    my_filter = cv2.merge(comps)
    complex_image = np.float32(complex_image)
    complex_image = cv2.mulSpectrums(complex_image, my_filter, 0)

    complex_image = move_dft(complex_image)

    complex_image = cv2.idft(complex_image)

    planos = cv2.split(complex_image)

    cv2.normalize(planos[0], planos[0], 0, 1, cv2.NORM_MINMAX)
    cv2.imshow("filtrada", planos[0])

def move_dft(image):
    cx = image.shape[0] // 2
    cy = image.shape[1] // 2

    A = image[:cx, :cy]
    B = image[:cx, cy:]
    C = image[cx:, :cy]
    D = image[cx:, cy:]

    tmp = A.copy()
    A = D.copy()
    D = tmp.copy()

    tmp = C.copy()
    C = B.copy()
    B = tmp.copy()

    image[:cx, :cy] = A
    image[:cx, cy:] = B
    image[cx:, :cy] = C
    image[cx:, cy:] = D

    return image


def on_gamma_low_slider(value):
    global gamma_low_slider

    gamma_low_slider = value
    homomorphic()


def on_gamma_high_slider(value):
    global gamma_high_slider

    gamma_high_slider = value
    homomorphic()


def on_d0_slider(value):
    global d0_slider

    d0_slider = value
    homomorphic()


def on_c_slider(value):
    global c_slider

    c_slider = value
    homomorphic()

Saída:

Detecção de Bordas

⭕ Explicação e exemplos da atividade

Nessa atividade, há três exercícios: canny, pontilhimo e cannypoints

  1. No Canny é uma atividade exemplo que detecta a descontinuidade de um imagem e reproduz uma imagem binária contendo os pontos da bordas obtidos a partir de parâmetros de configuração. Utilizando a função Canny do OpenCV que pega imagem passada e seus limites para gerar os caminhos das bordas da imagem passada par a função.
TOP_SLIDER = 10
TOP_SLIDER_MAX = 200
top_bar_slider_inicial = 5
top_bar_slider = 10
edges = 0

caminho = 'Resources/deteccao_de_bordas/shoto-todoroki2.jpg'
imagem = cv2.imread(caminho, 0)


def on_trackbar_canny(value):
  global top_bar_slider
  top_bar_slider = value

  if top_bar_slider < TOP_SLIDER:
    top_bar_slider = 10

  edges = cv2.Canny(imagem, top_bar_slider, 3*top_bar_slider) 
  cv2.imshow("Deteccao de Bordas Cannys", edges)


def main():
  if imagem is not None:
    edges = cv2.Canny(imagem, top_bar_slider, 3*top_bar_slider) 
    cv2.imshow("Deteccao de Bordas Cannys", edges)
    cv2.createTrackbar("Bordas", "Deteccao de Bordas Cannys", top_bar_slider_inicial, TOP_SLIDER_MAX, on_trackbar_canny)

    cv2.waitKey(0)     
    cv2.destroyAllWindows()

  else:
    print('Ops! Nao achei a imagem. :(')

Saída: É mostrado na imagem a detecção das bordas bem localizadas com espessura igual a 1. A função do programa entra com a imagem, a matriz onde a borda será descrita e os limiares T1 e T2.

Exemplos Original x Canny
Original Canny Borda de Tamanho 5 Canny Borda de Tamanho 32 Canny Borda de Tamanho 127
Original Canny Borda de Tamanho 5 Canny Borda de Tamanho 40 Canny Borda de Tamanho 180
Original Canny Borda de Tamanho 5 Canny Borda de Tamanho 57 Canny Borda de Tamanho 90
  1. No Pontilhismo é uma atividade que após identificado os caminhos da borda do desenho gera pontos em cada centro de pixel dentro dos caminhos, gerando uma imagem pontilhada.
  STEP = 5
  JITTER = 3
  RADIUS = 2

  T1 = 10
  edges = 0

  caminho = 'Resources/deteccao_de_bordas/shoto-todoroki1.jpg'
  imagem = cv2.imread(caminho, 0)

  def main():
    if imagem is not None:
      height, width = imagem.shape
      points = copy(imagem)

      for i in range(height):
        for j in range(width):
          points[i, j] = 255

      xrange = np.zeros(int(height/STEP))
      yrange = np.zeros(int(width/STEP))

      for xvalue in range(len(xrange)):
        xrange[xvalue] = xvalue

      for yvalue in range(len(yrange)):
        yrange[yvalue] = yvalue

      xrange = [value*STEP+STEP/2 for value in xrange]
      yrange= [value*STEP+STEP/2 for value in yrange]

      np.random.shuffle(xrange)

      for i in xrange:
        np.random.shuffle(yrange)
        for j in yrange:
          x = int(i + random.randint(1, 2*JITTER-JITTER))
          y = int(j + random.randint(1, 2*JITTER-JITTER))
          if(x >= height):
            x = height-1
          if( y >= width):
            y = width-1
          gray = imagem[x,y]
          cv2.circle(points, (y, x), RADIUS, int(gray), -1, cv2.LINE_AA)

      edges = cv2.Canny(points, T1, 3*T1) 

      for i in range(height):
        for j in range(width):
          if(edges[i, j] != 0):
            gray = imagem[i,j]
            cv2.circle(points, (j, i), RADIUS, int(gray), -1, cv2.LINE_AA)

      cv2.imshow("cannypoint", points)
      cv2.imwrite("cannypoint.png", points)
      cv2.waitKey(0)     
      cv2.destroyAllWindows()

    else:
      print('Ops! Nao achei a imagem. :(')

Saída:

Exemplos Original x Pontilhismo
Original Pontilhismo
Original Pontilhismo
Original Pontilhismo
  1. No Canny Points é uma atividade que a cada ciclo novo calculado dess indentificção de pixel dentro da função de cannys suaviza mais o detalhes de cada pixel, tornando a imagem com mais detalhes mesmo com o efeito de pontilhismo aplicado nela.
STEP = 5
JITTER = 3
RADIUS = 2

T1 = 10
edges = 0

caminho = 'Resources/deteccao_de_bordas/shoto-todoroki1.jpg'
imagem = cv2.imread(caminho, 0)

def main():
  if imagem is not None:
    height, width = imagem.shape
    points = copy(imagem)

    for i in range(height):
      for j in range(width):
        points[i, j] = 255

    xrange = np.zeros(int(height/STEP))
    yrange = np.zeros(int(width/STEP))

    for xvalue in range(len(xrange)):
      xrange[xvalue] = xvalue

    for yvalue in range(len(yrange)):
      yrange[yvalue] = yvalue

    xrange = [value*STEP+STEP/2 for value in xrange]
    yrange= [value*STEP+STEP/2 for value in yrange]

    np.random.shuffle(xrange)

    for i in xrange:
      np.random.shuffle(yrange)
      for j in yrange:
        x = int(i + random.randint(1, 2*JITTER-JITTER))
        y = int(j + random.randint(1, 2*JITTER-JITTER))
        if(x >= height):
          x = height-1
        if( y >= width):
          y = width-1
        gray = imagem[x,y]
        cv2.circle(points, (y, x), RADIUS, int(gray), -1, cv2.LINE_AA)

    edges = cv2.Canny(points, T1, 3*T1) 

    for i in range(height):
      for j in range(width):
        if(edges[i, j] != 0):
          gray = imagem[i,j]
          cv2.circle(points, (j, i), RADIUS, int(gray), -1, cv2.LINE_AA)

    cv2.imshow("cannypoint", points)
    cv2.imwrite("cannypoint.png", points)
    cv2.waitKey(0)     
    cv2.destroyAllWindows()

  else:
    print('Ops! Nao achei a imagem. :(')

Saída:

Exemplos original x Canny Points
Original Canny Points
Original Canny Points
Original Canny Points

Kmeans

🖌️ Explicação e exemplos da atividade

Nessa atividade, há dois exercícios: kmens e kmeans_exercicio

  1. No K-means é uma atividade exemplo que permite entender a utilização do k-means para calcular dados em um conjunto maior e transformá-lo em um menor com a ideia de compactação de dados. Então esse algoritmo identifica vetores em um conjunto, encontra o ponto central de cada um deles formando um conjunto menor com todos os pontos indificados cuja sua distância para o próximo ponto seja menor em relação a distância do próximo ponto central.

Abaixo insero uma imagem que se não for nula definiamos a ela a quantidade de NCLUSTERS que é a quntidade de cores que serão identificadas na imagem, no caso atribui o valor 8. A NRODADAS defini quantas vezes essa imagem vai ser analisada novamente, no exemplo faremos apenas 1 vez para entender como a imagem está se comportando no resultado final.

  caminho = 'Resources/kmeans/malta-mdina.jpg'
  imagem = cv2.imread(caminho, 1)

  def main():
    if imagem is not None:
      NCLUSTERS = 8
      NRODADAS = 1

Depois separa as informações da imagem inserida pegando sua Altura(height), Largura(width) e Canais de Cores(channels) e logo em seguida se calcula uma amostra da imagem identificando todos os pixels dela. Então o sample é toda é o total de linhas vinculados a um total de pixels em 3 colunas que representam o (R, G, B).

      height, width, channels = imagem.shape
      samples = np.zeros([height*width, 3], dtype = np.float32)

      count = 0

      for x in range(height):
          for y in range(width):
              samples[count] = imagem[x][y]
              count += 1

Calculado a quantidade de pixels por cor é feito o calculo abaixo de k-means que utiliza a amostra da imagem (sample), número de cores analisadas, o terceiro parmetro no kmeans do python utiliza a melhor camada, nesse exemplo não vamos utilizar esse parâmetro, por isso está atribuido None. No quarto parâmentro verificasse o critério de identificação dos núcleos de cada pixel, usando varíaveis próprias do openCv cv2.TERM_CRITERIA_EPS e cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER para identificar seus limites definimos o total de interações para identificá-las no caso 10000 e a margem de tolerância de cor que é para retornar 0.0001. o quinto parâmentro NRODADAS de quantas vezes essa imagem será analisada e o cv2.KMEANS_PP_CENTERS que é um parâmentro openCV que já carrega os pontos centrais do que é encontrado na imagem de form ordenda.

      compactness, labels, centers = cv2.kmeans(samples,
                                          NCLUSTERS, 
                                          None,
                                          (cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 10000, 0.0001), 
                                          NRODADAS, 
                                          cv2.KMEANS_PP_CENTERS)

Para finalizar utiliza-se todos os pontos centrais para criar um vetor de centróides para ser identificado na imagem e retorna a imagem resutado após essa análise.

      centers = np.uint8(centers)
      res = centers[labels.flatten()]
      imagem2 = res.reshape((imagem.shape))

      cv2.imshow("KMEANS", imagem2)
      cv2.imwrite("Resources/kmeans/exemplos/kmeans.jpg", imagem2)
      cv2.waitKey(0)     
      cv2.destroyAllWindows()

    else:
      print('Ops! Nao achei a imagem. :(')

  if __name__ == '__main__':
      main()

Saída:

Exemplos de original x 1 rodada
  1. No K-means Exercício é a atividade exercício que solicita para testar o resultado de 10 rotações de análise da imagem. A cada nova imagem executada há uma melhor identificação do núcleos dos pixels, e algum momento o código fica estagnado no resultado até novamente achar uma nova solução.

O código é praticamente o mesmo em relação ao anterior. O que muda é o número de rodadas(NRODADAS) que agora é 10 e no clculo do kmens utiliza os pontos centróides de forma randômica (cv2.KMEANS_RANDOM_CENTERS).

  caminho = 'Resources/kmeans/marsaxlokk25.png'
  imagem = cv2.imread(caminho, 1)

  def main():
    if imagem is not None:    
      NCLUSTERS = 8
      NRODADAS = 10

      height, width, channels = imagem.shape
      samples = np.zeros([height*width, 3], dtype = np.float32)
      count = 0

      for x in range(height):
          for y in range(width):
              samples[count] = imagem[x][y] #BGR color
              count += 1

      compactness, labels, centers = cv2.kmeans(samples,
                                          NCLUSTERS, 
                                          None,
                                          (cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 10000, 0.0001), 
                                          NRODADAS, 
                                          cv2.KMEANS_RANDOM_CENTERS)
      centers = np.uint8(centers)
      res = centers[labels.flatten()]
      imagem2 = res.reshape((imagem.shape))

      cv2.imshow("KMEANS", imagem2)
      cv2.imwrite("Resources/kmeans/exemplos/kmeans_round10.jpg", imagem2)
      cv2.waitKey(0)     
      cv2.destroyAllWindows()

    else:
      print('Ops! Nao achei a imagem. :(')

  if __name__ == '__main__':
      main()

Saída:

  • Imagem escolhida para fazer o teste:

Nota-se que a cada passo há sim uma melhor identificação do centro de cada pixel, chega a se estagnar em uma parte e volta a melhorar a identificação desses núcleos. Mantive a identificação de 8 cores na imagem, por isso da mudança de cor da imagem original para o resultado.

Exemplos de 10 rodadas
  • Outra imagem escolhida para fazer o teste para analisar melhor:

Adicionei mais um exemplo para mostrar com outras cores dentro de uma imagem são captadas e identificadas para melhor entendimento do resultado do algoritmo.

Exemplos de 10 rodadas

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💻 Atividades práticas de Processamento de Imagem, utilizando linguagem Python e OpenCV. Baseadas no tutorial, disponibilizado em livre acesso pelo professor Agostinho Brito.

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