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INFORMAÇÃO TÉCNICO - COMERCIAL Salvador Giró Infaimon Tel.: +351 234 312 034 · Fax: +351 234 312 035 infaimon.pt@infaimon.com · www.infaimon.com

SISTEMAS DIGITAIS DE AQUISIÇÃO DE IMAGENS VISÍVEIS, INFRAVERMELHOS E HIPERESPECTRAIS 1ª PARTE

INTRODUÇÃO A utilização de câmaras digitais de captação de imagens tem sido amplamente utilizada no mundo da arte desde o aparecimento dos primeiros modelos, no início dos anos 80. A evolução da tecnologia de visão digital foi rápida e constante, permitindo não só o arquivamento das imagens das obras de arte em formato digital para efeitos de documentação, como também se revelou uma técnica muito eficaz nos processos de conservação e restauração. A possibilidade de utilizar a Internet como uma janela aberta, dos museus para o mundo, aumentou ainda mais, quando aplicável, a necessidade de digitalizar todas as obras de arte com a maior resolução possível, para poder oferecer, tanto ao público em geral, como a especialistas espalhados por todo o planeta, a reprodução do mais ínfimo pormenor de uma obra, com um simples clique no seu computador.

Figura 1a · Sensor CCD matricial.

No presente artigo é exposta uma breve introdução da tecnologia de captação digital, do seu estado actual e da sua evolução. Por outro lado, pretende-se abrir uma porta para uma nova tecnologia que terá, sem qualquer dúvida, uma enorme importância no mundo da arte nos próximos anos. Esta tecnologia é a espectroscopia de imagem hiperespectral, tanto visível como em infravermelhos. Embora apenas alguns institutos de restauração e museus utilizem esta tecnologia, a diversidade de potenciais aplicações que pode ter fazem dela uma ferramenta fundamental no futuro, tanto para a restauração como para estudar as técnicas, processos e materiais que os artistas utilizaram na criação das suas obras.

CÂMARAS MATRICIAIS E CÂMARAS LINEARES Um artigo como este apenas proporciona a oportunidade de apresentar uma breve descrição da tecnologia mais avançada disponível actualmente no que diz respeito aos sistemas de captação digital. Sem entrar em pormenores acerca das câmaras, é conveniente mencionar que a tecnologia actual se baseia em duas categorias de sensores: CCD (Charge Coupled Devide - dispositivo de carga acoplada) e CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor - semicondutor de óxido metálico complementar). Em ambos os casos estes sensores são compostos por elementos foto-sensíveis que convertem a luz em diferenças de potencial e, finalmente, em bits para formar uma imagem digital. Os primeiros sensores que apareceram foram os CCD e, mais recentemente, foram desenvolvidos os CMOS.

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Figura 1b · Corpo de câmara matricial Dalsa de 22 megapixéis (www.dalsa.com).

Embora estes últimos estejam a evoluir de forma muito rápida e no futuro provavelmente se utilizem em praticamente todas as situações em que seja necessária uma captação de imagem, a sua qualidade ainda não é comparável à dos sensores CCD. Para aplicações em que se exijam as mais elevadas prestações, como no caso da captação de obras de arte, continua a recomendar-se a utilização de câmaras com sensores CCD (Fig. 1a). A resolução máxima utilizada actualmente em câmaras comercializáveis é de 22 megapixéis (Fig. 1b), embora recentemente estejam disponíveis, de modo experimental, as primeiras câmaras que permitem captar imagens de até 50 megapixéis. À partida, para a maioria das obras de arte, as resoluções mencionadas anteriormente seriam suficientes para alcançar excelentes resultados. Uma câmara de 50 megapixéis tem uma resolução aproximada de


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espectrais com 10 nm de separação entre elas. (Green et al. 1998). Posteriormente, a tecnologia foi melhorando e foi desenvolvido o sistema prisma-grelha-prisma (PSP), no qual se baseiam os sistemas hiperespectrais mais avançados (Aikio, 1992). Ao mesmo tempo que os sistemas espectrográficos de imagem eram melhorados, também os sensores das câmaras evoluíam rapidamente, aumentando a sensibilidade e a qualidade e aumentando a resolução dos detectores matriciais em número de pixéis, mantendo-se a um custo relativamente acessível. Também o avanço dos sistemas informáticos tem vindo a ter um ritmo notável durante os últimos anos, permitindo proceder ao tratamento das imagens hiperespectrais de forma fácil e eficaz. Os sistemas de espectrografia de visão hiperespectral, que se presumem mais eficazes para o trabalho em obras de arte, têm por base o sistema de dispersão de imagem prisma-grelha-prisma (PGP). O desenho permite ter um espectrómetro de custo adequado, que se pode construir para diversos comprimentos de onda, como já foi mencionado anteriormente. As vantagens desta tecnologia são: -

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Os PGP proporcionam uma grande dispersão linear devido à sua grelha de difração, em comparação com um prisma de visão direta com menor dispersão e não linear. Os PGP podem ser modificados para diferentes amplitudes de comprimentos de onda, alterando os ângulos dos vértices dos dois prismas, o material dos prismas e o período da grelha. A grelha é um elemento óptico de transmissão holográfica de volume de fase, que é utilizado para uma elevada eficiência de difração (até 70%) e que tem polarização independente. As propriedades da visão direta permitem uma construção opto-mecânica tubular única para o espectrógrafo, que o faz ser muito estável, ter dimensões reduzidas e ser, portanto, fácil de transportar e de agregar a qualquer tipo de câmara.

utilizadas três categorias para classificar as imagens: escala de cinzentos, tricromática (por exemplo RGB), e multiespectral (Fig. 5). Uma imagem gerada por um espectrómetro de imagem é um conjunto de dados 3D que serão descritos posteriormente.

ESPECTROSCOPIA DE IMAGEM E DEFINIÇÃO DE CUBO DE DADOS HIPERESPECTRAIS O conceito de imagem espectroscópica é apresentado na figura 6 com um espectro medido para cada elemento numa imagem. De acordo com Willoghby et al. (1996) os espectrómetros de imagem hiperespectral geram imagens espaciais de duas dimensões, assim como uma terceira dimensão espectral utilizando um detetor matricial de duas dimensões. O conjunto de dados 3D são os dados da imagem hiperespectral ou objeto cúbico, que é definido pela resolução da imagem nas coordenadas "X" e "Y", e pelo comprimento de onda, representado pela coordenada "Z".

Figura 6 · Imagem hiperespectral (ou cubo hiperespectral) onde se apresentam cada uma das imagens pertencentes a uma banda espectral. Quando se seleciona um píxel da imagem, obtém-se a curva de resposta espectral desse píxel (imagem cedida por specim - www.specim.fi).

Neste caso, a formação deste cubo hiperespectral, como o apresentado na figura 6, é construída através de um sistema de fendas que limita o campo de entrada da imagem a uma única linha que, juntamente com o sistema de imagem espectrométrico, permite dispersar os elementos dessa linha sobre um detetor (sensor de visão) 2D, para apresentar a dimensão espectral e a dimensão espacial simultaneamente.

Figura 5 · Uma imagem é composta pelas suas diferentes bandas espectrais. Dentro do espectro visível entre 400 nm (violeta) e 700 nm (vermelho). Figura 7 · Esquema de um sistema hiperespectral PSP. Utiliza-se uma linha do objeto que, através de um sistema prisma-grelha-prisma (PSP), se converte em "n" linhas de diferentes comprimentos

SISTEMAS HIPERESPECTRAIS Cada sistema de imagem tem a sua própria largura de banda espectral de trabalho, definida pelo filtro utilizado, pelo sensor ou por ambos. Os sistemas multiespectrais utilizam vários filtros (normalmente entre 3 e 12), como no caso das câmaras RGB de 3CCD. Os sistemas hiperespectrais são aqueles que têm dezenas ou centenas de bandas espectrais e uma resolução espectral relativa na ordem dos 0,01. Esta classificação baseia-se nos trabalhos de Descour e Shen 2000. Cada imagem é uma imagem espectral, uma vez é formada por radiação numa parte limitada do espectro electromagnético. Em colorimetria são

de onda que se dispersam sobre o sensor da câmara.

Desta forma obtêm-se os diferentes comprimentos de onda de uma única linha (Fig. 7). Para obter os diferentes comprimentos de onda de uma imagem de duas dimensões, devem captar-se linha a linha, até construir a imagem completa, da forma que foi mencionada anteriormente na secção das câmaras lineares (Fig. 3). Isto pode efectuar-se movendo o objeto que se encontra em frente ao sistema ou movendo o sistema de acordo com o objeto a analisar. [Continua na próxima edição] robótica [73]

Sistemas digitais de aquisição de imagens visíveis, infravermelhos e hiperespectrais - 1ª parte  
Sistemas digitais de aquisição de imagens visíveis, infravermelhos e hiperespectrais - 1ª parte  

Autor: Salvador Giró; Revista: robótica nº83