[pt] A grande difusão de ambientes interativos, assim como o desenvolvimento de poderosas interfaces gráficas, proporcionam a utilização de novas soluções para antigos problemas. Na área de Processamento de Imagens Digitais, isto é de grande utilidade, como na técnica de filtragem espacial no domínio da freqüência. Com esta técnica, a Transformada Rápida de Fourier -FFT- de uma imagem é obtida e então editada para manter ou rejeitar regiões específicas, em seguida a Transformada Rápida Inversa de Fourier -IFFT- da FFT editada fornece a imagem filtrada resultante. Este trabalho estuda a utilização de elementos de interface para criar máscaras gráficas que funcionem como filtros, e propõe a combinação destes filtros de forma a permitir extrema flexibilidade na técnica de filtragem. A criação dos filtros e a implementação dos algoritmos de FFT foram feitas em um protótipo que utiliza um novo sistema de processamento de imagens,SPID, que está sendo estruturado como uma plataforma de desenvolvimento para Processamento de Imagens no ambiente gráfico Microsoft Windows.

[pt] A ocupação informal nas periferias dos centros urbanos brasileiros cresce de modo acelerado. O Sensoriamento Remoto provê técnicas eficientes para medir esta expansão. Em cidades com topografia acidentada, como o Rio de Janeiro, a expansão inicial, preponderantemente horizontal, acaba dando lugar à expansão vertical, à medida que novos pavimentos vão sendo construídos sobre edificações já existentes. Para estimar o crescimento de assentamentos deste tipo requerem-se, portanto, técnicas de medição 3D. Esta pesquisa propõe um método para produção de Modelos Digitais de Superfície (MDS) a partir de pares estereoscópicos de imagens fotogramétricas digitais. O método tem como entrada um MDS inicial calculado a partir de um par de imagens estereoscópicas sem qualquer conhecimento a priori da semântica da cena imageada. O MDS de entrada é então refinado levando-se em conta informação relativa à geometria das edificações identificadas. O método baseia-se no conhecimento a priori de que edificações em assentamentos informais de grandes centros urbanos no Brasil têm em geral altura aproximadamente constante. O processo envolve três passos principais: primeiramente são identificados os topos das edificações em cada par de imagens estereoscópicas. Em seguida, as regiões de topo homólogas são pareadas. O terceiro passo envolve a extração 3D das edificações. Ao final, obtém-se um MDS mais exato do que o inicial, além de uma imagem rotulada com a semântica dos objetos identificados. Os resultados obtidos com base nos experimentos realizados sobre imagens aéreas de uma área teste do município do Rio de Janeiro apresentaram uma melhora significativa de acurácia relativamente ao MDS de entrada. / [en] Informal settlements in many Brazilian urban centers are growing up quickly. Remote Sensing techniques provide a cost-effective mean to measure such an expansion. In cities with rough topography, like the city of Rio de Janeiro, the initial expansion, predominantly horizontal, is gradually being shifted to vertical, as new floors are being built on the existing buildings. To estimate the changing of such type of buildings, 3D measuring techniques are required. This research proposes a method for generating Digital Surface Model (DSM) from digital photogrammetry techniques. The method takes an initial DSM calculated from a pair of stereoscopic images as input. These models have no knowledge of image scenes semantics. The input DSM is refined taking into account the information about the geometry of buildings identified by a process of segmentation and interpretation applied to both images of the stereo pair. The method is based on a priori knowledge that buildings from informal settlements in large urban centers in Brazil generally have their roof tops at approximately constant height (flat roofs). The process involves three main steps: firstly the tops of buildings are identified in each pair of stereoscopic images. Then, the regions corresponding to the top of the buildings are matched. The third step involves the 3D extraction of those buildings. Finally, the method generates a more accurate DSM plus an image label with the semantics of the identified buildings. The results obtained in the experiments on airborne imagery of a test area in the city of Rio de Janeiro showed a significant improvement in the original DSM, as it takes into account the semantics of the 3D reconstructed buildings.

[pt] A técnica de análise de imagens conhecida pelo acrônimo de GEOBIA (do inglês Geographic Object Based Image Analysis) torna possível a exploração de uma série de novos recursos no processo de classificação de imagens de sensoriamento remoto, em comparação com as alternativas tradicionais baseadas em pixel. Esta possibilidade resulta da introdução de uma etapa de segmentação no processo de análise. Os novos recursos referem-se às propriedades espectrais, texturais, morfológicas e topológicas computadas para os diferentes segmentos de imagem. A abordagem de segmentação habitual encontrada na maioria dos trabalhos de GEOBIA depende de uma hierarquia de segmentações, cada nível de hierarquia associado a um número de classes de objetos caracterizados por tamanhos similares, ou seja, detectáveis em uma determinada escala. A prática usual, porém, não considera segmentações específicas para cada uma das classes de interesse no problema de interpretação, agrupando objetos de mesma escala em um procedimento de segmentação única, ou seja, usando o mesmo algoritmo e parâmetros. A tese investigada neste trabalho baseia-se na suposição de que, se segmentações não são especializadas para cada classe de objeto, então muitos atributos a eles relacionados não podem ser devidamente explorados no processo de classificação. A metodologia proposta baseia-se em uma regra específica para resolver eventuais conflitos espaciais entre as diferentes segmentações. Os resultados experimentais obtidos com base nos experimentos realizados apresentaram um desempenho melhor que o de costume, isto é, produziu melhores resultados de classificação, na maior parte dos problemas de interpretação investigados. / [en] Geographic Object-Based Image Analysis (GEOBIA) makes it possible to exploit a number of new features in the remote sensing image classification process in comparison to the traditional pixel-based alternatives. Such possibility arises from the introduction of a segmentation step in the analysis process. The new features refer to aggregated spectral pixel values, textural, morphological and topological properties computed for the different image segments. The usual segmentation approach found in most GEOBIA works relies on a hierarchy of segmentations, each hierarchy level associated to a number of classes of objects characterized by similar sizes, i.e., which are detectable at a particular scale. The usual practice, therefore, does not consider specific, independent segmentations for each class of interest in the interpretation problem, grouping objects at the same scale through a single segmentation procedure, for instance, using the same algorithm and parameters. The thesis investigated in this work lied on the assumption that if segmentations are not specialized for each object class, then many object features cannot be properly exploited in the classification process. The proposed approach relies on a specific rule to solve eventual spatial conflicts among different segmentations. The experimental results have showed that the proposed approach performed better, i.e., produced better classification results, than the usual one in most of the investigated interpretation problems.

[pt] Ao longo deste trabalho, diversas características importantes para a dinâmica do escoamento intermitente foram analisadas experimentalmente. Todos os testes foram realizados numa tubulação com 0,0508 m de diâmetro interno, em configuração horizontal, utilizando água e ar e abrangendo uma região onde o escoamento passa por uma complexa transição do regime de bolha alongada, caracterizado por longas bolhas de gás localizadas próximo ao topo da tubulação, para o regime golfada, caracterizado por uma intensa quantidade de bolhas dispersas de gás e bolhas alongadas com formatos distorcidos e frentes mais distantes do topo da tubulação. Nesta região verifica-se uma notável carência de técnicas experimentais capazes de extrair informações quantitativas dos fenômenos característicos desses regimes. Através de um sistema de interruptores de feixe de infravermelho, o comportamento estatístico dos comprimentos dos pistões de líquido, das frequências de passagem dos pistões e do comprimento da bolha alongada puderam ser investigados. Uma extensa comparação dos dados com trabalhos disponíveis na literatura foi realizada, validando os resultados experimentais obtidos. Em conjunto, foi utilizada a técnica óptica, não intrusiva, conhecida como técnica de sombra (shadow technique), combinada com uma câmera digital de alta taxa de aquisição de imagens. Um procedimento inovador de processamento das imagens foi desenvolvido, permitindo a extração de informações quantitativas de regimes complexos com intensa quantidade de bolhas dispersas. Resultados importantes como o abaixamento do nariz da bolha como uma função da competição entre as forças de gravidade e de inércia puderam ser verificados e confirmados quantitativamente pela primeira vez. / [en] The present work experimentally studied several relevant dynamic characteristics of gas-liquid intermittent flow through a horizontal pipe. All tests were performed in a test section formed by 50.8 mm internal diameter pipe using air and water as working fluids. The tests covered a region where the flow undergoes a complex transition from elongated bubble flow regime, characterized by long gas bubbles located near the top of the pipe, to the slug flow regime, characterized by a large amount of dispersed gas bubbles in the liquid slug and elongated bubbles with distorted shapes and fronts displaced from the top of the pipe. In this region there is a notable lack of experimental techniques capable of extracting quantitative information of the characteristic dynamic phenomena involved. A set of infrared optical switches was employed to obtain statistical information on liquid piston lengths and frequency, as well as the elongated bubble lengths. An extensive comparison of the data obtained with works available in the literature was performed, validating the experimental results and the technique employed. Also, a high frame rate camera with back illumination was employed to capture images of the nose and tail of gas bubbles. An innovative procedure for image processing was developed, allowing for the extraction of original quantitative information on the complex shapes of the bubble and its relationship with flow variables. Relevant information such as the lowering of the bubble nose as a result of competing gravitational and inertial forces could be verified and confirmed quantitatively seemingly for the first time.

[pt] Non-local means é um novo algoritmo de redução de ruídos para imagens apresentado por Buades e Morel em 2004. Este algoritmo funciona consideravelmente melhor do que os algoritmos anteriores, mas sua lenta execução causada pela alta complexidade o impede de ser usado em aplicações comuns. O objetivo deste trabalho é investigar maneiras de reduzir o tempo de execução do algoritmo, possibilitando seu uso em aplicações comuns de processamento de imagem, tal como fotografia e centros de impressão. / [en] Non Local Means is an innovative noise reduction algorithm for images presented by Buades and Morel in 2004. It performs remarkably better than older generation algorithms but has a performance penalty that prevents it from being used in mainstream consumer application. The objective of this work is to find ways of reducing the time-complexity of the algorithm and enabling its use in main stream image processing applications such as home photography or photo printing centers.

[pt] O objetivo geral deste trabalho é avaliar o impacto relativo da utilização de atributos de forma na segmentação de imagens de diferentes características e classes de objeto distintas. Para tanto, uma extensão do método de Segmentação Multiresolução (Baatz00) foi proposta e implementada, permitindo que vários atributos de forma possam ser considerados no processo de crescimento de regiões. Para se selecionar a métrica usada na avaliação da qualidade da segmentação, oito métricas disponíveis na literatura foram consideradas. O desempenho relativo das oito métricas foi verificado experimentalmente e avaliada a correlação entre este desempenho e a percepção humana da qualidade da segmentação. Na sequência, dez atributos de forma foram selecionados. A qualidade das segmentações realizadas considerando um atributo de forma de cada vez foi então comparada com a qualidade de segmentações baseadas somente na cor. Depois disso o impacto da utilização de pares de atributos de forma no processo de segmentação foi avaliado. Os experimentos foram realizados para quinze classes de objetos distintas presentes em doze imagens representativas de áreas de aplicação diferentes – sensoriamento remoto, microscopia e imagens médicas. Os resultados confirmam a importância dos atributos de forma na qualidade da segmentação e suscitam uma discussão sobre trabalhos futuros. / [en] This work’s general goal is to evaluate the relative impact of using different morphological attributes on the segmentation of different images and object classes. Therefore, this work proposes an extension to the Multiresolution Segmentation method (Baatz00), in a way that several morphological attributes can be considered in the region growing process. In order to select a segmentation quality assessment metric to be used in the evaluation of the proposed segmentation algorithm, a study on eight metrics available in the literature was conducted. This study aimed at assessing the relative performance of the quality metrics and to verify which of them presented the higher correlation with the human perception of segmentation quality. Eight shape attributes were then chosen to compose the heterogeneity criterion and the quality of segmentations using one shape attribute at a time was compared with the color only based segmentation. After that, the impact of using pairs of morphological attributes was also evaluated. The experiments were performed over fifteen classes of interest present in twelve different images, representing application areas such as remote sensing, microscopy and medical images. The results confirm the importance of including morphological attributes in the segmentation process and promote an interesting discussion about future works.

[pt] Essa dissertação apresenta um codificador de imagens para baixas taxas de bits utilizando a decomposição da imagem em 10 sub-bandas através da aplicação da transformada wavelet. Uma técnica de redução de irrelevância visual é usada para descartar blocos de coeficientes das sub-bandas de alta freqüência (2 a 10). Os blocos remanescentes são classificados em bordas e não bordas e codificados através da técnica ECTCVQ ( Entropy-Constrained Trellis Coded Vector Quantization). Já a primeira sub-banda é codificada através da técnica PTCQ( Predictive Trellis Coded Quantization) com preservação de bordas. Na alocação de bits entre as sub-bandas é utilizado o algoritmo de Wersterink et al. Os resultados obtidos mostram um desempenho muito superior ao padrão JPEG, e bons resultados quando comparados a técnica de codificação de imagens recentes. / [en] This dissertation presentes a low bit rate image coder using a 10 sub-band image decomposition base don the wavelet transform. Some blocks of coefficients of the high frequency sub-bands are discarded by a technique of irrelevancy reduction. The remaning blocks are classified into edges and non-edges, and coded by ECTCVQ (Entropy- constrained Trellis Vector Quantization). The fist sub- band is coded by an edge preserving PTCQ (Predictive Trellis Coded Quantization), also proposed in this work. The Westerink et al. algorithm is used to allocate the bits between the sub-bands. The results obtained show that the performance of the proposed coder is Significantly superior so the one obtained with the standard JPEG. Moreover, good results are achivied as compared to recently proposed techniques of images coding.

[pt] O processo de calibração de câmeras é uma etapa importante na instalação dos sistemas de rastreamento óptico. Da qualidade da calibração deriva o funcionamento correto e preciso do sistema de rastreamento. Diversos métodos de calibração têm sido propostos na literatura em conjunto com o uso de artefatos sintéticos definidos como padrões de calibração. Esses padrões, de forma e tamanho conhecidos, permitem a aquisição de pontos de referência que são utilizados para a determinação dos parâmetros das câmeras. Para minimizar erros, esta aquisição deve ser feita em todo o espaço de rastreamento. A fácil identificação dos pontos de referência torna o processo de aquisição eficiente. A quantidade e a qualidade das relações geométricas das feições do padrão influenciam diretamente na precisão dos parâmetros de calibração obtidos. É nesse contexto que esta tese se encaixa, propondo um novo método para múltipla calibração de câmeras, que é eficiente e produz resultados tão ou mais precisos que os métodos atualmente disponíveis na literatura. Nosso método também propõe um novo tipo de padrão de calibração que torna a tarefa de captura e reconhecimento de pontos de calibração mais robusta e eficiente. Deste padrão também derivam relações que aumentam a precisão do rastreamento. Nesta tese o processo de calibração de múltiplas câmeras é revisitado e estruturado de forma a permitir uma comparação das principais propostas da literatura com o método proposto. Esta estruturação também dá suporte a uma implementação flexível que permite a reprodução numérica de diferentes propostas. Finalmente, este trabalho apresenta resultados numéricos que permitem tirar algumas conclusões. / [en] The calibration of multiple cameras is an important step in the installation of optical tracking systems. The accuracy of a tracking system is directly related to the quality of the calibration process. Several calibration methods have been proposed in the literature in conjunction with the use of artifacts, called calibration patterns. These patterns, with shape and size known, allow the capture of reference points to compute camera parameters. To yield good results these points must be uniformly distributed over the tracking area. The determination of the reference points in the image is an expensive process prone to errors. The use of a good calibration pattern can reduce these problems. This thesis proposes a new multiple camera calibration method that is efficient and yields better results than previously proposed methods available in the literature. Our method also proposes the use of a new simple calibration pattern based on perspective invariant properties and useful geometric properties. This pattern yields robust reference point identification and more precise tracking. This thesis also revisits the multiple calibration process and suggests a framework to compare the existing methods including the one proposed here. This framework is used to produce a flexible implementation that allows a numerical evaluation that demonstrates the benefits of the proposed method. Finally the thesis presents some conclusions and suggestions for further work.

[pt] Diversas tarefas de Visão Computacional (VC) são formadas por operações aritméticas, replicadas sobre grandes volumes de dados. Esta caracterização descreve também as qualidades desejadas ao considerar uma aplicação qualquer como boa candidata a usufruir do crescente poder de processamento do hardware gráfico. Esta tese formula um conjunto de algoritmos de VC sobre representações do conteúdo visual em baixo nível, para serem processados em GPU. Dando suporte às propostas, são apresentadas uma visão geral das GPUs e de padrões de programação paralelos, os quais oferecem blocos construtores para tarefas de visão. Neste sentido, propomos uma definição formal para o padrão de Redução Múltipla e analisamos seu desempenho segundo diferentes fatores de redução e variações para seus arranjos. Apresentamos duas propostas para extração de informações no espaço da imagem em GPU: a MOCT descreve a localização de objetos identificáveis por suas cores em vídeos naturais, enquanto o operador de Redução Regional Múltipla Paralela (MRR) distribui a computação de operadores definidos sobre diferentes regiões de interesse. Como aplicação do MRR, descrevemos a construção em GPU de um Diagrama Centroidal de Voronoi baseado no algoritmo de Lloyd. Tratamos do conteúdo visual em aglomerados de pixels, mais especificamente, em Quadtrees de regiões. Introduzimos a QuadN4tree, um modelo para representação de quadtrees que permite a navegação através do sistema de vizinhança das folhas e alcança custos ótimos no levantamento do conjunto de vizinhas de uma folha. Em seguida, propomos uma aceleração para aplicações baseadas em minimização de energia via corte de grafo, introduzindo uma etapa de pré-processamento que agrupa pixels similares em folhas de uma quadtree, com o objetivo de reduzir o tamanho do grafo sobre o qual o corte mínimo é encontrado. O método proposto é aplicado ao problema de segmentação de imagens naturais com iluminação ativa. Algumas contribuições desta tese, descrevendo formulações paralelas a dados, foram publicadas nos artigos incluídos nos apêndices. / [en] Arithmetically intensive operations, replicated over huge data sets (usually image pixels or scanned data), are an important part of many Computer Vision (CV) tasks, making them good candidates for taking advantage of the processing power of contemporary graphics processing units (GPUs). This thesis formulates a set of CV algorithms that use low level representations of visual content and are tailored for running on GPUs. A general view of GPUs and parallel programming patterns that offers interesting building blocks for CV tasks provides the necessary background for the algorithms. We also propose a formal definition for the Multiple Reduction pattern and evaluate its efficiency according to different reduction factors and layouts. We present two techniques for extracting data from the image space using the GPU: MOCT, a technique for tracking a set of objects identified by their colors from natural videos, and MRR, a technique for distributing the evaluation of a set of operators defined over different regions of interest within an image. As a MRR application we describe a Centroidal Voronoi Diagram construction based on Lloyds algorithm but entirely computed using GPU resources. We also deal with visual content representations as pixel agglomerations, more specifically, as Regional Quadtrees. We introduce the QuadN4tree: a new model for representing quadtree leaves that allows navigation through their neighborhood systems and achieves an optimal cost for the retrieval of neighbor sets. We also propose modifying the setup for CV applications based on energy minimization via graph cuts, introducing a preprocessing step that groups similar pixels into regional quadtree leaves. This modification aims to reduce the size of the graph for which a minimum cut is to be found. We apply our proposed method to the problem of natural image segmentation by active illumination. Published papers detailing some contributions of this dissertation are included as appendixes. They present data-parallel formulations for the CV tasks we describe.

[pt] Esta dissertação apresenta uma metodologia para medição visual de campos de deformações (2D) em materiais, por meio da aplicação da técnica SIFT (Scale Invariant Feature Transform). A análise de imagens capturadas é feita por uma câmera digital em estágios diferentes durante o processo de deformação de um material quando este é submetido a esforços mecânicos. SIFT é uma das técnicas modernas de visão computacional e um eficiente filtro para extração e descrição de pontos de características relevantes em imagens, invariantes a transformações em escala, iluminação e rotação. A metodologia é baseada no cálculo do gradiente de funções que representam o campo de deformações em um material durante um ensaio mecânico sob diferentes condições de contorno. As funções são calibradas com a aplicação da análise inversa sobre o conjunto de pontos homólogos de duas imagens extraídos pelo algoritmo SIFT. A formulação da solução ao problema inverso combina os dados experimentais fornecidos pelo SIFT e o método linear de mínimos quadrados para estimação dos parâmetros de deformação. Os modelos propostos para diferentes corpos de prova são avaliados experimentalmente com a ajuda de extensômetros para medição direta das deformações. O campo de deformações identificado pelo sistema de visão computacional é comparado com os valores obtidos pelos extensômetros e por simulações feitas no programa de Elementos Finitos ANSYS. Os resultados obtidos mostram que o campo de deformações pode ser medido utilizando a técnica SIFT, gerando uma nova ferramenta visual de medição para ensaios mecânicos que não se baseia nas técnicas tradicionais de correlação de imagens. / [en] This thesis presents a methodology for measurement of strain fields in materials by applying the SIFT technique (Scale Invariant Feature Transform). The images analyzed are captured by a digital camera at different stages during the deformation process of a material when it is subjected to mechanical stress. SIFT is one of the modern computer vision techniques and an efficient filter for extraction and description of relevant feature points in images. These interest points are largely invariant to changes in scale, illumination and rotation. The methodology is based on the calculation of the gradient of the functions that represents the corresponding strain field in the material during a mechanical test under different boundary conditions. The functions are calibrated with the application of inverse analysis on the set of homologous points of two images extracted by the SIFT algorithm. The formulation of the solution to the inverse problem combines the experimental data processed by the SIFT and linear least squares method for the estimation of strain parameters. The proposed models for different specimens are evaluated experimentally with strain gauges for direct measurement of the deformations. The strain field identified by the computer vision system is compared with values obtained by strain gauges and simulations with the ANSYS finite element program. The proposed models for different types of measurements are experimentally evaluated with strain gages, including the estimation of mechanical properties. The results show that the strain field can be measured using the SIFT technique, developing a new visual tool for measurement of mechanical tests that are not based on traditional techniques of image correlation.