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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. 1 18/02/2009 Tema 1: Elementos de un sistema de Visión por Computador ESQUEMA GENERAL Estructura típica – visión humana 2 18/02/2009 Estructura típica – visión artificial Tema 1: Elementos de un sistema de Visión por Computador FUNDAMENTOS ÓPTICOS 3 18/02/2009 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) 4 18/02/2009 Modelo pinpin-hole MODELO MÁS SIMPLE CADA PUNTO DE UN OBJETO DEL ESPACIO SE PROYECTA EN UN PUNTO DEL PLANO IMAGEN 5 18/02/2009 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 6 18/02/2009 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 7 18/02/2009 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. 8 18/02/2009 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 9 18/02/2009 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 10 18/02/2009 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 11 18/02/2009 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 12 18/02/2009 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 13 18/02/2009 Propiedades de los objetos Materiales especulares. Materiales difusos Materiales reflectores Propiedades de los objetos Materiales trasparentes. Materiales translucidos. 14 18/02/2009 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 15 18/02/2009 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 16 18/02/2009 Tipos de iluminación Iluminación direccional Tipos de iluminación Iluminación difusa 17 18/02/2009 Tipos de iluminación Iluminación oblicua Tipos de iluminación Iluminación coaxial 18 18/02/2009 Tipos de iluminación Luz estructurada Tipos de iluminación Ejemplos Direccional Difusa Oblicua A contraluz Estructurada Coaxial Dark-ground/dark-field Polarizada 19 18/02/2009 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 20 18/02/2009 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 21 18/02/2009 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 22 18/02/2009 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 23 18/02/2009 Tema 1: Elementos de un sistema de Visión por Computador CÁMARAS. TIPOS. Cámaras de tubo 24 18/02/2009 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. 25 18/02/2009 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 26 18/02/2009 Cámara de vídeo Forma de la señal de vídeo 27 18/02/2009 Transmisión de la señal: Modo entrelazado + = MUESTREO DE LA SEÑAL 28 18/02/2009 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 29 18/02/2009 Esquema CCD lineal: Esquema CCD matricial blanco y negro 30 18/02/2009 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 31 18/02/2009 Arquitecturas CCD matriciales Arquitectura inter-line transfer Arquitecturas CCD matriciales Arquitectura frame-inter-line transfer 32 18/02/2009 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 33