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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
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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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