Tema 1 Elementos de un sistema de Visión por Computador
Índice
Esquema general de un sistema de visión por computador
Esquema de un proceso de visión por computador
Estructura típica de un sistema
Fundamentos ópticos: modelo pinhole.
Iluminación: tipos y fuentes de luz.
Propiedades de los objetos
Tipos de iluminación
Fuentes de luz
Cámaras. Tipos.
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Tema 1: Elementos de un sistema de Visión por Computador
ESQUEMA GENERAL
Estructura típica – visión humana
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Estructura típica – visión artificial
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FUNDAMENTOS ÓPTICOS
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Formación de imágenes digitales sensor (plano imagen: 1 sensor/píxel)
escena Yolanda González Cid - UIB
lente 7
cámara
imagen digital
Fundamentos ópticos
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES:
PUNTO FOCAL DISTANCIA FOCAL BRILLANTEZ (F = f/D)
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Modelo pinpin-hole
MODELO MÁS SIMPLE CADA PUNTO DE UN OBJETO DEL ESPACIO SE PROYECTA EN UN PUNTO DEL PLANO IMAGEN
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Modelo geométrico: Pin-hole
Ecuaciones: Modelo Pin-hole X
profundidad Z
M
distancia focal f m x
X Z
Relación entre en punto tridimensional M el punto bidimensional m en función de la distancia focal f y de la profundidad Z:
x=
f X Z
y=
f Y Z
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Efecto de la posición del plano imagen
• Detrás del Centro Optico
• Delante del Centro Optico
Características en la Formación de la imagen
EL TAMAÑO MÁXIMO DEL OBJETO CUYA IMAGEN PUEDE SER CONTENIDA DENTRO DEL PLANO IMAGEN DEPENDE DE:
TAMAÑO DE ZONA SENSIBLE DE LA CÁMARA DISTANCIA A LA QUE SE SITUA EL OBJETO ENFOCADO DISTANCIA FOCAL
ANGULO VISUAL
w = 2 arctan
CCD 2f
CCD: TAMAÑO DE LA ZONA SENSIBLE
PROFUNDIDAD DE CAMPO
DETERMINA LA ANCHURA DE LA ZONA ENFOCADA, EL RANGO DE DISTANCIA DELANTE Y DETRÁS DEL OBJETO ENFOCADO EN EL PLANO IMAGEN
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Modelo de lente fina
O I = o − f f O I = f i − f
Aberraciones • Hasta ahora hemos supuesto que los rayos que intervienen en la formación de las imágenes eran paraxiales y la luz monocromática (de una sola longitud de onda). En realidad esto no es así. • Por un lado, los rayos forman ángulos grandes con el eje óptico haciendo que las imágenes formadas por los sistemas ópticos no sean geométricamente semejantes a los objetos. A estos defectos de las imágenes se les llama aberración geométrica. • Las aberraciones geométricas a su vez se clasifican en aberración esférica, coma, astigmatismo, curvatura de campo y distorsión. • Por otro lado si se emplea luz no monocromática (de varias longitudes de onda como la luz blanca) los rayos de distinta longitud de onda se dispersarán al atravesar el sistema óptico, y no convergerán en un mismo punto. A estos defectos de las imágenes se les denomina aberración cromática.
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Aberraciones cromáticas
DEBIDAS A LOS DIFERENTES ÍNDICES DE REFRACCIÓN SEGÚN SU LONGITUD DE ONDA
Aberraciones geométricas
ABERRACIONES BÁSICAS:
ESFERICA O DEFECTO DE ABERTURA COMA ASTIGMATISMO CURVATURA DE CAMPO DISTORSIÓN
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Aberraciones geométricas
Esférica
Es una aberración simétrica que se produce para puntos que están situados sobre el eje óptico del sistema.
Círculo de confusión mínima
Rayos periféricos
Aberración esférica transversal
Rayos paraxiales Aberración esférica longitudinal
Lente
Aberraciones geométricas
Coma:
Es una aberración no simétrica que se produce para puntos que están situados fuera del eje óptico del sistema. Se puede eliminar usando diafragmas
Zona 1
Zona 1 Zona 3
Zona 2
Zona 2
Zona 4
Eje óptico
Zona 3
Zona 4
Lente
Imagen comática
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Aberraciones geométricas
Astigmatismo:
Se produce cuando el cono de rayos que atraviesa el sistema óptico es asimétrico
Plano focal meridional
Plano focal sagital
Eje óptico Círculo de confusión mínima
Lente Objeto puntual
Aberraciones geométricas
Curvatura de campo: Ocurre cuando la imagen de un objeto situado en un plano normal al eje óptico se forma en una superficie curva.
Lente Objeto plano Imagen curvada
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Aberraciones geométricas
Radial:
Se produce cuando el aumento lateral varía en función de la posición del punto objeto.
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ILUMINACIÓN
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Propiedades de los objetos
Cuando la luz incide en un objeto, puede ocurrir…
…que se refleje
…que se absorba
…que se transmita
Propiedades de los objetos
Propiedades reflexivas:
Propiedades absorbentes:
Materiales especulares, difusos, reflectores, … Materiales selectivos al espectro Materiales no selectivos al espectro
Propiedades transmisivas:
Materiales transparentes Materiales translúcidos Materiales selectivos al espectro
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Propiedades de los objetos
Materiales especulares.
Materiales difusos
Materiales reflectores
Propiedades de los objetos
Materiales trasparentes.
Materiales translucidos.
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Propiedades de los objetos Materiales selectivos o no al espectro
Tipos de iluminación
Iluminación direccional
Iluminación difusa
Haz altamente direccional orientado al objeto Mucho contraste, presencia de sombras Haces luminosos desde todas las direcciones Mínimo contraste, ausencia de sombras
Iluminación a contraluz
Iluminar el objeto por detrás, direccional o difusa Prácticamente sólo 2 niveles de gris: objeto y fondo Pérdida de todos los detalles Deslumbramiento
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Tipos de iluminación
Iluminación oblicua
Iluminación estructurada
Caso particular de iluminación direccional Objetivo: creación de sombras Proyección de un patrón de luz (puntos, franjas, rejillas…) Patrón de luz conocido localización del objeto Distorsión del patrón características 3D del objeto
Iluminación coaxial
Imagen libre de sombras Mayor coste que iluminación difusa
Tipos de iluminación
Iluminación dark-ground o dark-field
Para materiales transparentes Similar a contraluz
Luz polarizada
Para materiales transparentes
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Tipos de iluminación
Iluminación direccional
Tipos de iluminación
Iluminación difusa
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Tipos de iluminación
Iluminación oblicua
Tipos de iluminación
Iluminación coaxial
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Tipos de iluminación
Luz estructurada
Tipos de iluminación Ejemplos
Direccional
Difusa
Oblicua A contraluz
Estructurada
Coaxial
Dark-ground/dark-field
Polarizada
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Fuentes de luz Fuentes incandescentes Fluorescentes Diodos LED Luz estroboscópica Láser Fibra óptica
Fuentes de luz
Fuentes incandescentes
Ventajas
Coste bajo Fáciles de usar Pueden funcionar largos periodos de tiempo Normalmente se puede ajustar la intensidad
Desventajas Gran calor que desprenden
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Fuentes de luz
Fluorescentes
Ventajas
No generan calor Tienes tamaños y colores variables Gran aplicación en la iluminación difusa
Desventajas
No operan a bajas temperaturas Disminuye el nivel de iluminación con el tiempo
Fuentes de luz
Diodos LED
Ventajas
Disponen de una gran variedad de colores Tienen un periodo de vida largo Coste muy reducido
Desventajas
Intensidad de luz muy pequeña
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Fuentes de luz
Luz estroboscópica
Ventajas
Ideales para analizar objetos en movimiento Iluminación intensa
Desventajas
Necesitan una fuente de tensión Su intensidad va decreciendo con el tiempo
Fuentes de luz
Láser
Ventajas
Permite tomar medidas tridimensionales Permite generar puntos y lineas muy finas
Desventajas
Necesidad de añadir sist de seguridad para evitar daños oculares
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Fuentes de luz
Fibra óptica Este tipo de tecnología esta asociado a la no trasmisión de calor, por eso se usa principalmente para la iluminación de pequeñas áreas
Fuentes de luz Ejemplos
Incandescente
Fluorescente Diodos LED
Luz estroboscópica
Láser
Fibra óptica
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Tema 1: Elementos de un sistema de Visión por Computador
CÁMARAS. TIPOS.
Cámaras de tubo
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Cámaras de estado sólido: CCD
Estructura del dispositivo CCD El elemento sensible que se compone de fotosensores, denominados fotosites, dispuestos en forma lineal o matricial.
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Estructura del dispositivo CCD
-
Matriz de píxeles (3 colores) que guardan los electrones de los fotones (efecto fotoeléctrico) en condensadores
-
Estos valores de potencial son guardados para representar los tres colores (RGB) de cualquier imagen
Tamaños estándar de los CCD
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Cámara de vídeo
Forma de la señal de vídeo
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Transmisión de la señal: Modo entrelazado
+
=
MUESTREO DE LA SEÑAL
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Transferencia de la carga eléctrica dentro del dispositivo:
Tipos de cámaras digitales Según la disposición de las células, las imágenes pueden ser
Unidimensionales: asociadas a cámaras lineales.
Bidimensionales : asociadas a cámaras matriciales
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Esquema CCD lineal:
Esquema CCD matricial blanco y negro
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Esquema CCD matricial color
1xCCD color: Fotosides con filtro de rojo, verde y azul.
3xCCD: 3 sensores monocromos independientes y un separador de haz.
Arquitecturas CCD matriciales
Arquitectura frame transfer
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Arquitecturas CCD matriciales
Arquitectura inter-line transfer
Arquitecturas CCD matriciales
Arquitectura frame-inter-line transfer
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Tipos de salida de la cámara de vídeo
Vídeo compuesto: En una única señal esta toda la información.
Salida YC: Se tienen dos señales: la señal Y es la luminancia (intensidad) y la C, la crominancia (color).
RGB: La salida está compuesta por tres señales, R para el rojo, G para el verde y B para el azul.
Parámetros importantes de una cámara:
Tiempo de integración Tiempo de adquisición Factor Gamma Sensibilidad absoluta Sensibilidad relativa Relación señal ruido (SNR) Ganancia