Curs 2010-2011

Processament de Senyal II: Imatge i Vídeo (12452)

Titulació / estudis: Enginyeria en Informàtica i Enginyeria tècnica en Informàtica de Sistemes / Estudis d'Informàtica
Curs: 2n a EI, 3r a ETIS
Període: 1r trimestre
Nombre de crèdits ECTS: 4
Nombre total d'hores de dedicació a l'assignatura: 100
Llengua de docència: català

1. Presentació de l'assignatura

L'assignatura de Processament de Senyal II: Imatge i Vídeo es una assignatura que es cursa dins dels estudis d'Enginyeria Informàtica i Enginyeria Tècnica en Informàtica de Sistemes. En la primera d'elles es cursa en el primer trimestre del segon curs mentre que es cursa en el primer trimestre del tercer curs. Es una assignatura obligatòria, de 5 crèdits en el Pla d'Estudis oficial actual, és a dir, de 4 crèdits ECTS.

Processament de Senyal II: Imatge i Vídeo està dedicada a una introducció al processament d'imatges. La estructura del curs tracta de desenvolupar tots els aspectes que estan presents en un model bàsic d'adquisició d'imatges i els processos que permeten passar d'una imatge analògica a una digital. De forma breu aquestos són: les deformacions provocades per l'òptica, les correccions de contrast dels sensors, el mostreig espacial (i temporal en el cas de vídeo) de la imatge, la quantització dels seus valors, i la presència eventual de soroll. Estudiem cadascun d'aquestos processos i els problemes que plantegen de cara a l'extracció d'informació d'una imatge. Estudiarem també el problema de la compressió d'imatges.

Les competències que s'assoleixen en l'assignatura Processament de Senyal II: Imatge i Vídeo es completen en l'assignatura optativa de Processament de Senyal III. Permeten també assolir maduresa ja que incorporen coneixements d'altres assignatures.


2. Prerequisits per al seguiment de l'itinerari formatiu

Els coneixements previs que pressuposa aquesta assignatura són:

- Àlgebra i Matemàtica Discreta I i II: el coneixement de les matrius, dels espais vectorials, de les translacions, rotacions, canvis d'escala, el coneixement dels grafs i les estructures de dades són una eina útil per a comprendre aquesta assignatura.
- Anàlisi Matemàtica I i Ampliació d'Anàlisi Matemàtica: són assignatures fonamentals ja que en elles s'han estudiat la transformada discreta de Fourier i els seus prerequisits.
- Anàlisi Numèrica: tenir un coneixement d'algorismes numèrics per resoldre sistemes lineals d'equacions.
- Processament de Senyal I: Àudio. Aquesta assignatura és important ja que conceptes com sistemes lineals o el significat de la transformada de Fourier, de filtres, etc es d'una gran ajuda per comprendre l'assignatura present.
- Estadística: els coneixements bàsics sobre variables aleatòries son indispensables. De tota manera farem un repàs d'ells durant el curs.

3. Competències a assolir en l'assignatura

Competències generals

Competències específiques

Instrumentals 1. Capacitat de comprendre i analitzar els problemes tecnològics lligat a l'ús de les imatges 2. Capacitat d'abstracció 3. Capacitat de sistematització Interpersonals 4. Capacitat de treball en equip, de resoldre en equip els problemes plantejats 5. Exposició de resultats obtinguts 6. Critica i correcció dels resultats obtinguts pels companys Sistèmiques 7. Capacitat per treballar autònomament en la resolució de problemes

1. Coneixement bàsic dels sistemes d'adquisició d'imatges 2. Tenir una comprensió bàsica sobre el color i les seves representacions 3. Conèixer la transformada ràpida de Fourier i el seu ús en processament d'imatges 4. Entendre el problema del mostreig, eina bàsica per passar de l'analògic al digital. Nocions bàsiques de la geometria del mostreig en dues dimensions 5. Nocions bàsiques sobre quantització aplicades a imatges: una altra eina bàsica per passar de l'analògic al digital 6. Equalització de l'histograma d'una imatge. Canvis de contrast: models de canvis d'iluminació global 7. Morfologia matemàtica: una eina bàsica per a l'anàlisi de formes 8. Una petita introducció a la teoria de la informació: concepte de entropia i teoremes de Shannon 9. Compressió d'imatges: l'estàndard JPEG

4. Avaluació

Durant el transcurs del curs farem una avaluació continuada per tal de veure com es van adquirint les diferents competències. Els mecanismes d'avaluació seran:

- Avaluació inicial: control tipus test de coneixements bàsics d'àlgebra, càlcul i geometria. Aquesta avaluació té un caire merament informatiu del nivell inicial de l'alumne que resultarà útil tant per al docent com per al propi alumne. Desprès d'aquesta avaluació, el docent proposarà exercicis de reforç per als alumnes que així ho necessiten.

- La realització de les pràctiques en les classes corresponents és un requisit indispensable per a aprovar l'assignatura. És necessari tenir aprovades el 80 per cent de les pràctiques per a poder presentar-se a l'examen final.

- Controls: farem un control a mitjans del trimestre amb preguntes curtes o de tipus test per tal de fer un seguiment dels conceptes explicats a les classes de teoria i a les classes de pràctiques o exercicis. Es realitzarà a una sessió de seminari, a principis de novembre. Aquest control compta un 15% de la nota final.

- Examen Final: l'examen final constarà de dues parts, una sobre aspectes teòrics i exercicis tipus explicats a les classes teòriques i de seminaris (aquesta part compta el 60 per cent de la nota final), i una altra part que consistirà en preguntes relacionades amb les pràctiques de l'assignatura (que comparà el 25 per cent de la nota final). Per poder fer mitjana, serà imprescindible que la nota de la primera part de l'examen sigui superior o igual a 4.

- Setembre: els alumnes que hagin suspès l'assignatura tindran una segona opció d'aprovar-la al setembre. Caldrà que resolguin totes les pràctiques que els faltaven, i facin un examen extraordinari. L'examen extraordinari constarà de dues parts: una primera part (70% de la nota final) d'exercicis teòrics, i una segona part (30% de la nota final) de preguntes relacionades amb les pràctiques de l'assignatura. Per poder fer mitjana, serà imprescindible que les dues parts de l'examen estiguin aprovades.


5. Continguts

5.1 Blocs de contingut

L'assignatura està organitzada en els cinc blocs següents:
1. Introducció. El sistema visual humà. Algunes lleis perceptuals bàsiques. El color i la seva representació.
2. La transformada de Fourier i les seves aplicacions al processament d'imatges: el problema del mostreig. Aliasing.
3. Quantització d'imatges. Equalització d'imatges. Conceptes de probabilitats aplicats a imatges.
4. Morfologia matemàtica: operacions bàsiques. Filtres bàsics de la morfologia matemàtica.
5. Nocions bàsiques de teoria de la informació. Compressió d'imatges. L' estàndard JPEG

5.2 Organització i concreció dels continguts

Bloc de contingut 1. Introducció. El sistema visual humà. Algunes lleis perceptuals bàsiques. El color i la seva representació.

Conceptes	Procediments	Actituds
1. La llum. 2. El sistema visual humà: la retina i els seus receptors 3. La llei de Weber. 4. Fonaments de color. 5. Sistemes d'adaptació i reproducció del color.	- Experimentació de les paradoxes del sistema visual. - Incitació a les lectures sobre psicofísica. - Exercicis sobre el càlcul associat als sistemes de representació del color. - Experimentació.	- Esforç - Interès i per conèixer i ampliar la informació - participació activa

Bloc de contingut 2. La transformada de Fourier i les seves aplicacions al processament d'imatges: el problema del mostreig

Conceptes	Procediments	Actituds
1. La transformada discreta de Fourier i la transformada ràpida de Fourier. 2. Aplicacions al càlcul de trasllacions, interpolació (zoom), rotacions. 3. El problema del mostreig: el teorema de Shannon. Aliasing. 4. Les retícules de mostreig en dues dimensions i en vídeo.	- Exercicis de familiarització amb la transformada de Fourier i les seves aplicacions. - Experimentació per comprendre la FFT com a eina pràctica. - Experimentació per a comprendre el problema de mostreig. - Experiments per a explicar l'aliasing.	- Esforç - Interès i per conèixer i ampliar la informació - participació activa

Bloc de contingut 3. Quantització d'imatges. Equalització d'imatges. Conceptes de probabilitats aplicats a imatges.

Conceptes	Procediments	Actituds
1. Repàs de variables aleatòries. 2. L'histograma d'una imatge. Equalització de l'histograma d'una 3. Quantització òptima d'una variable aleatòria. Aplicació a imatges.	- Exercicis sobre variables aleatòries i equalització d'histogrames d'imatges. - Experimentació sobre canvis de contrast. - Experimentació sobre la quantització d'imatges.	- Esforç. - Interès i per conèixer i ampliar la informació. - participació activa.

Bloc de contingut 4. Morfologia matemàtica: operacions bàsiques. Filtres bàsics de la morfologia matemàtica.

Conceptes	Procediments	Actituds
1. Morfologia matemàtica i els invariants bàsics per canvis d'iluminació. 2. Els operadors bàsics de la morfologia matemàtica. Filtres. Eliminació de soroll. Anàlisi bàsic de formes	- Experimentació bàsica amb els filtres de la morfologia matemàtica. - Exercicis de càlcul sobre els operadors bàsics de la MM.	- Esforç - Interès i per conèixer i ampliar la informació - participació activa

Bloc de contingut 5. Nocions bàsiques de teoria de la informació. Compressió d'imatges. L'estàndard JPEG

Conceptes	Procediments	Actituds
1. Introducció a la teoria de la informació: entropia i teoremes de Shannon. Codificació entròpica. 2. Compressió d'imatges. 3. L'estàndard JPEG.	- Exercicis sobre el concepte d'entropia i la codificació de Huffman. - Exercicis i experiments bàsics sobre JPEG.	- Esforç - Interès i per conèixer i ampliar la informació - participació activa

6. Metodologia

Enfocament metodològic de l'assignatura

Tindrem un grup de teoria. Aquest grup de teoria es desdobla en 2 grups de pràctiques i quatre de seminaris.
El fet de diferenciar entre tres tipus de sessions ens permetrà potenciar i avaluar les diverses competències que pretenem que assoleixin al llarg de l'assignatura. En això cal emfatitzar en el fet que les sessions de seminaris es dedicaran a la resolució d'exercicis per part de l'alumne.

Sesssions plenàries:

Es tracta de nou sessions de dues hores de duració on assisteix tot el grup. El pes de la sessió el porta el professor que es dedicarà a explicar en pissarra els conceptes teòrics de l'assignatura per poder-los aplicar desprès a la pràctica. El professor s'encarregarà de proposar i resoldre exemples de problemes tipus per tal de clarificar la teoria i per tal que els alumnes tinguin una primera aproximació a allò que es trobaran a la classe de seminaris.

•· Sessió 1 [T(1)]: Introducció al sistema visual humà. Llei de Weber. Color.
•· Sessió 2 [T(2)]: Sistemes de reproducció del color i la seva representació. Introducció a la transformada ràpida de Fourier.
•· Sessió 3 [T(3)]: La transformada ràpida de Fourier i aplicacions.
•· Sessió 4 [T(4)]: Mostreig. Teorema de Shannon. Aliasing.
•· Sessió 5 [T(5)]: Repàs de probabilitats. Equalització de l'histograma d'una imatge. Quantització.
•· Sessió 6 [T(6)]: Morfologia Matemàtica: fonaments. Filtres.
•· Sessió 7 [T(7)]: Operador i filtres de la morfologia matemàtica. Aplicacions.
•· Sessió 8 [T(8)]: Introducció a la teoria de la informació.
•· Sessió 9 [T(9)]: Compressió: JPEG.

Sesssions de pràctiques:

Són 5 sessions dues hores de duració en les quals el professor proposa realitzar una de les pràctiques de la llista que els alumnes tindran prèviament. La dinàmica d'aquestes sessions és la següent: En primer lloc, el professor fa una explicació breu de la pràctica a desenvolupar i desprès els alumnes treballen per a la realització de la pràctica que entregaran a la carpeta del professor al acabar la classe.

•· Sessió 1 [P(1)]: Intoduccion a Octave. Operaciones con matrices y aplicacion a conversion de sistemas de color.
•· Sessió 2 [P(2)]: Aplicacions de la FFT: trasllacions, zoom.
•· Sessió 3 [P(3)]: Pràctica sobre mostreig i aliasing: la geometria del mostreig., els efectes d'aliasing.
•· Sessió 4 [P(4)]: Equalització de histogrames. Filtres de la morfologia matemàtica.
•· Sessió 5 [P(5)]: Pràctica de compressió: JPEG.

Sesssions de seminaris:

Aquestes són quatre sessions en petit grup de dues hores de duració. En aquestes sessions es resoldran exercicis pràctics sobre el contingut del temari explicat a les classes de teoria.

•· Sessió 1 [S(1)]: Dedicada a exercitar-se amb la transformada ràpida de Fourier
•· Sessió 2 [S(2)]: Dedicada a exercitar-se en el problema del mostreig
•· Sessió 3 [S(3)]: Dedicada a exercitar-se sobre la morfologia matemàtica.
•· Sessió 4 [S(4)]:Dedicada a exercitar-se sobre la teoria de la informació i la compressió


7. Fonts d'informació i recursos didàctics

7.1. Fonts d'informació per a l'aprenentatge. Bibliografia bàsica (suport paper i electrònic)

Apunts de l'assignatura de Procesament d'Imatges. C. Ballester, V. Caselles, A. Solé, J. Verdera.
K.R. CASTLEMAN,Digital Image Processing,Prentice Hall, 1996
R.C. GONZALEZ and R.E. WOODS, Digital Image Processing, Addison-Wesley, 1992.
A. ROSENFELD and A. KAK. Digital Picture Processing, Academic Press, 1992.


7.2. Fonts d'informació per a l'aprenentatge. Bibliografia complementària (suport paper i electrònic)

J. SERRA, Image Analysis and Mathematical Morphology. Academic Press, 1982
M. VETTERLI and J. KOVACEVIC. Wavelets and subband coding. Prenticve Hall 1995.
A. MURAT TEKALP. Gigital Video Processing. Prentice hall 1995.
S. MALLAT. A wavelet tour to signal Processing. Academic Press 1999.


7.3. Recursos didàctics. Material docent de l'assignatura

A cada sessió de teoria li correspondrà una material docent que el professor lliurarà l'alumne a través de l'Aula Global.
A cada sessió de seminaris li correspondrà un full d'exercicis que el professor lliurarà a través de l'Aula Global.
Per a cada sessió de pràctiques hi haurà una guia pràctica que el professor lliurarà l'alumne a través de l'Aula Global abans de la realització de la pràctica.