Tema 1. Elementos de un sistema de Visión por Computador. Esquema general de un sistema de visión por computador

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18/02/2009

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

Tema 1: Elementos de un sistema de Visión por Computador

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.

Tema 1: Elementos de un sistema de Visión por Computador

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

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