Tecnologías para adquisición de imágenes Bloque 2

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1 Tecnologías para adquisición de imágenes Bloque 2 Profesor: Manuel Rivas Pérez Despacho: F061 Horario de tutorías: Lunes de 16:00h a 18:00h Miércoles de 10:00h a 12:00h Viernes de 11:00h a 13:00h mrivas arroba atc.us.es

2 Cámaras Fotográficas: Clasificación I 1. Compactas de 35mm (incluyendo las desechables) Menor peso (carece de penta prisma) Error de paralaje (a distancias cortas) 2. A.P.S. (Advanced Photo System). Más pequeñas que las de 35mm. Cambio de película a la mitad de rollo, indicadores de estado, impresión de datos, etc. 3. Cámaras instantáneas Película autorevelable (Polaroid) 4. Réflex (SLR de 35 mm) Las más sofisticadas y versátiles. Visor pentaprisma, ópticas intercambiables Muy utilizadas en fotografía científica y profesional. Son de mayor tamaño, peso y de difícil manejo.

3 Cámaras Fotográficas: Clasificación II 5. Cámaras digitales Actualmente las más vendidas. Más caras que las de película. Mayor comodidad (almacenamiento ) 6. Cámaras especiales Panorámicas (gran ángulo de visión..hasta 360º) Submarinas Aéreas (satélite, cartografía..) Espía (uso científico y militar)

4 Cámaras Fotográficas Existen otros muchos tipos de dispositivos de captura, usados con imágenes de información no luminosa. Ejemplos. Imagen de ultrasonidos (ecografía) RMN Resonancia

5 Cámaras de película: Estructura Aunque existen diferencias estructurales entre ellas, todas las cámaras modernas se componen de los siguientes elementos básicosb Cuerpo Obturador Diafragma Objetivo Estos elementos se encargan de exponer la pel controlada a la luz película cula de manera

6 Cámaras de película: Estructura OBJETIVO (Sistema de lentes): Es un conjunto de lentes ópticas de cristal, que permiten al fotógrafo: - Enfocar una imagen sobre la película consiguiendo una imagen más nítida. determina la profundidad de campo (anillo de enfoque) - Aumento (zoom): establecer el ángulo de visión y la distancia focal. OBTURADOR: es un dispositivo mecánico, que sólo deja pasar la luz a la cámara durante un cierto tiempo de exposición. (= Velocidad) Se encarga de: Control de la luminosidad. Congelación del movimiento Se mide en segundos. Lo habitual en fotografía es ~1/125 s. Problema: si el tiempo es muy grande, la imagen puede aparecer movida

7 Cámaras de película: Estructura DIAFRAGMA: es una abertura circular situada detrás del objetivo que funciona en sincronía con el obturador para dejar pasar la luz a la cámara. Se encarga de: Control de la luminosidad Control de la zona de nitidez PP P P P Círculo de confusión Esta abertura puede ser fija, o regulable. PELÍCULA CULA: material fotosensible, formado por haluros de plata. Se descompone al recibir dosis de radiación electromagnética, formando un germen de plata metálica-> La imagen en negativo. La sensibilidad de los foto-detectores se miden por su valor ISO. Desde 3200 ISO (muy sensible) hasta 50 ISO (poco sensible

8 Cámaras de película: Funcionamiento La luz penetra por el objetivo. Atraviesa el diafragma, regulando su entrada. La lente enfoca la imagen hacia la película. El obturador se abre permitiendo la entrada de luz. obturador diafragma imagen invertida La imagen llega invertida a la película quedando impresionada en ésta. película lente El obturador se cierra controlando así la exposición de la película. objeto

9 Cámaras de película Globo ocular Cuerpo de la cámara Cristalino Lente Pupila (Iris) Diafragma Retina Película (Material fotosensible) Ojo Imágenes Tridimensionales sensibilidad variable Cámara Imágenes bidimensionales sensibilidad fija (película fotograf.) Alta capacidad de enfoque Visión selectiva Limitada capacidad de enfoque Enfoca lo 1º que puede (lo +cerca)

10 Una cámara digital usa un sensor electrónico (CCD ó CMOS) en vez de una película para transformar las imágenes en datos electrónicos. Almacenan los datos en tarjetas de memoria y permiten conectarse vía usb, firewire, bluetooth ó wifi. Cámaras digitales Se clasifican en: - Cámaras fotográficas digitales estándar (Digicams): - reúne a la mayoría parte de las cámaras. - Muy sencillas de usar: autofoco - Gracias a su tamaño poseen una distancia focal muy corta. - Cámaras réflex digitales (DSLR): - Similares a las SLR permitiendo usar los mismos objetivos. - El sensor de imagen es de mayor tamaño (mayor calidad de imagen y mayor sensibilidad al menor ruido)

11 Cámaras digitales: Funcionamiento La apertura del obturador permite el paso de luz Laz luz incidente es filtrada mediante filtros de color. La luz filtrada es transformada en cargas eléctricas mediante el CCD (matriz de celdas sensibles a la luz). El obturador se cierra bloqueando la entrada de luz. Las cargas del CCD son transferidas al ADC como señales eléctricas. El ADC digitaliza las señales (cuantificación). El DSP las procesa para su posterior almacenamiento en memoria.

12 Cámaras digitales: Zoom Zoom óptico: Objetivo multifocal (que permite variar la distancia focal) o lo que es lo mismo, es un objetivo que combina diferentes distancias focales. Acerca o aleja el objeto que queremos fotografiar. Zoom digital: es un simple proceso que consiste en recortar la imagen y aumentarla mediante un sistema de interpolación. El zoom digital no mejora la información ni la calidad de las imágenes, sino todo lo contrario. Podríamos realizar la misma operación a posteriori con cualquier programa de tratamiento de imágenes. Con zoom digital Con zoom óptico

13 Cámaras Digitales OJO! la imágenes capturadas por una cámara no siempre corresponden a lo que ve el ojo humano pues los chips CCD y los CMOS son sensibles a la radiación infrarroja... (Ej: la emitida por un mando a distancia.)

14 Cámaras Digitales: Filtros El detector es independiente del color Filtros de color (microfiltro). Distribución típica de los filtros de color en el CCD (patrón de Bayer). En el ojo humano existe el doble de detectores de verde que de rojo y de azul, por tanto, es mucho más sensible al verde.

15 Cámaras Digitales: Sensores Sensores más utilizados CCD (cámaras digitales, fotos y vídeo) Más sensible a la luz. Mejor color e imágenes más realzadas. Mejor calidad. CMOS (vídeo vigilancia, Webcams) Más baratos. Más rápidos. En cada aplicación la mejor opción puede ser diferente.

16 Cámaras Digitales: CCD CCD: Charge-Coupled Devices (Dispositivo de cargas interconectadas) Los más populares son los basados en Se han impuesto en muchos ámbitos: fotografía digital, vídeo digital, cámaras de TV, astronomía, microscopía, escáneres, etc. Utilizan sensores de silicio. El CCD es un chip que integra una matriz de fotodetectores.

17 CCD: Funcionamiento I El CCD está construido en un semiconductor de silicio. Cuando llega un fotón, el semiconductor libera electrones. Cada celda es un pozo, que acumula los electrones que han saltado (similar a un condensador). El nº de electrones es proporcional a la intensidad de luz.

18 CCD: Funcionamiento II Cómo se leen los valores de los píxeles? Hay un desplazamiento de la carga de los pozos, hasta salir por un extremo. Desplazamiento de filas Registro serie Salida Desplazamiento de píxeles Esto es el llamado full frame CCD.

19 CCD: Funcionamiento III Controlador de A/D Amplificador líneas Fuente de energía Generador de impulsos para la cámara Regulador de lectura Placa de circuito de la Cámara Sensor CCD

20 CCD: Limitaciones I Pero también tienen sus limitaciones: Corriente oscura (dark current): los electrones saltan al llegar un fotón, pero también pueden hacerlo por el calor. Campo de estrellas: las imperfecciones provocan algunos píxeles con alta corriente oscura. Aunque no llegue luz, aparecen iluminados. SONY DFW500 QUICKCAM PRO Mayor cuanto peor es la cámara

21 CCD: Limitaciones II Ruido fotónico: debido a la naturaleza cuántica de la luz. Es mayor con escasa iluminación. Rebosamiento (blooming): cuando un pozo se llena de electrones, se desparrama su contenido a los píxeles cercanos.

22 CCD: Ventajas Los CCD se utilizan por que Son dispositivos extremadamente lineales y por lo tanto efectúan una conversión directamente proporcional a la cantidad de carga acumulada. La relación señal/ruido es muy buena, por lo que la señal producida es muy limpia.

23 CCD: Super CCD de Fuji Distancia menor entre las direcciones hor. y vert. Mayor resolución hor. y vert. Especialmente ventajoso para entornos de malas condiciones de luz CCD s mas pequeños

24 SENSORES: CMOS I CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor. También basados en semiconductores de silicio. Diferencia con CCD: cada píxel incorpora su propia circuitería, se pueden leer y seleccionar independientemente (sin necesidad de desplazamientos).

25 SENSORES: CMOS II Controlador de A/D líneas Fuente de energía Generador de impulsos para la lectura Unidad de lectura vertical Placa de circuito de la Cámara Amplificador de líneas Unidad de lectura horizontal Convertidor de corriente/tensión sobre cada píxel Sensor CMOS Puerto de conexión Fuente de energía

26 SENSORES: CMOS III Ejemplo. Aplicación en foto-finish. Capturado aprox. a columnas por segundo. szone/olympics2004/doc/ath ens2004/at_photofinish.php

27 CMOS: Ventajas e inconvenientes Ventajas: Mayor rapidez en las capturas (lectura simultánea mayor) Menor consumo Más económicas Disminuye el blooming considerablemente. Requiere menos circuitería externa (pues en CCD los e- son transportados a exterior). Inconvenientes: Menos superficie de luz por pixel Necesitan más luz. Aparecen irregularidades en la intensidad para la misma luminosidad en diferentes puntos (interferencias y ruido). Las cámaras fotográficas digitales suelen usar CCD. Las cámaras de videoconferencia suelen usar CMOS, aunque las de más calidad usan CCD. Las diferencias entre unas y otras son cada vez menores.

28 Escáneres Definición: periférico de entrada de datos que se utiliza para convertir, mediante el uso de la luz, originales (principalmente en papel) a formato digital (por ejemplo texto, imagen fijas...) para su posterior manipulación. Las dos utilidades básicas de un escáner son: - La obtención de imágenes de tipo fotográfico que posteriormente se pueden tratar y modificar mediante programas adecuados. - La obtención de textos que más adelante se pueden modificar y tratar a través de unas aplicaciones denominadas OCR (Reconocimiento Óptico de Caracteres). Es como dotar del sentido de la vista a nuestro ordenador personal.

29 Escáneres: Clasificación De sobremesa: El documento permanece apoyado y lo que se desplaza es la fuente de luz. Es el tipo más versátil y se utilizan para los objetos planos. Sus precios pueden variar de acuerdo con la resolución de la imagen, normalmente no se necesita adquirir uno de un costo tan alto De tambor rotatorio (rodillo): Un rodillo de goma arrastra la hoja pasando por el elemento capturador de imagen (fuente de luz fija). Son relativamente modernos, se basan en un sistema muy similar a los fax. De mano: el desplazamiento de la fuente de luz se hace manualmente sobre el documento. Es el menos costoso y actualmente está en desuso.

30 Escáneres: Características Resolución: grado de exactitud con el que se puede realizar el análisis de la imagen. Se mide en puntos por pulgada. - Los fabricantes indican dos tipos de definición: - Óptica: determinada por el número de elementos CCD y la resolución de la lente.. - Interpolada: se obtiene mayor números de ppp generando a posteriori puntos intermedios. Utilizado por los fabricantes para aumentar sus ventas. - El software permite seleccionar la resolución a utilizar aunque debe tenerse cuidado para evitar ficheros innecesariamente grandes (suelen oscilar desde 75 a un máximo de 2400). Profundidad de análisis de color: se expresa en número de bits. - 8 bits, se obtendrías una imagen de 256 tonos de grises - 24 bits (8 bits por componente de color) hasta 16'7 millones de colores bits, permite sobrepasar los mil millones de tintas bits. Existe una relación directa entre la resolución de la imagen y su número de colores, con el tamaño del fichero de imagen resultante de la acción de escanear.

31 Escáneres: Funcionamiento I El fondo es de color uniforme que la aplicación puede usar como punto de referencia para determinar el tamaño del documento automáticamente. La lámpara utilizada para iluminar el documento puede ser: -Fluorescente de cátodo frío. -De xenon La imagen del documento se refleja en los espejos. Puede contener dos o tres espejos y están curvados para enfocar la imagen en una superficie menor. El último espejo refleja en la lente quien enfoca la imagen a través de un filtro en el CCD. La cabeza (formada por espejos, lentes, filtros y el sensor) se desplaza lentamente gracias a un moto paso a paso.

32 Escáneres: Interfaz Twain Norma que se definió para que cualquier escáner pudiera ser usado por cualquier aplicación compatible con twain de una forma estandarizada e incluso con la misma interfaz para la adquisición de la imagen independiente de su fabricante. Los fabricantes sólo deben preocuparse de proporcionar el controlador TWAIN apropiado, generalmente en versiones para Windows 9x, NT y a veces 3.x. Desgraciadamente, sólo los escáneres de marca relativamente caros traen controladores para otros sistemas operativos como OS/2 o Linux.

33 Impresoras: Clasificación De semitonos: genera la gama de colores agrupando puntos de colores primarios Matriciales: Similar a una máquina de escribir pero con una cabeza de agujas que punzan sobre la cinta formando el carácter. (60-90 ppp) De chorro de tintas: con pequeñísimos microtubos con diámetro inferior a un cabello humano (50um) por donde arrojan pequeñas gotas de tinta que se dispersan al tocar el papel. Térmicas: el cabezal está fijo y ocupa el ancho del papel a imprimir. Los puntos que entintan el papel son producidos por elementos puntuales que actúan por calor, derritiendo puntos de una cera sólida que recubre una cinta multicolor. Electrofotográficas (Láser): el papel es magnetizado con un polvotinta muy fino que al ser fundido con un haz láser crean un documento de alta calidad (similar al de una fotocopiadora).

34 Impresoras: Clasificación De tonos continuos: realizan la mezclan de colores y su calidad es similar a la obtenida en fotografía con sales de plata. Térmicas por difusión de tinta: en la cual el colorante de la supercinta se funde sobre el papel, produciendo colores más densos a mayor temperatura. Así es posible generar 256 colores en los puntos impresos. Filmadoras de películas: Utilizado en presentaciones en diapositivas o cuando se desean impresiones de alta calidad. Se basan en un rayo láser para producir la imagen que actúa sobre una película fotosensible o bien con un papel con una capa de resina para su posterior procesado. Impresoras en papel fotográfico: la impresora ilumina con la imagen el papel fotográfico. Se obtiene una gran calidad pero el papel es muy costoso.

35 Impresoras: El modelo de color CMYK Dos formas de mezclar colores: - Síntesis aditiva del color: Se basan en el modelo de color RGB. Implica la emisión de luz. Las longitudes de onda de cada color se suman. - Síntesis sustractiva del color: Utilizan el modelo de color CMYK Explica la teoría de la mezcla de tintas, etc Se basan en la absorción de las longitudes de ondas de la fuente externa que la ilumina. Los colores primarios CMYK absorben las ondas de los complementarios Cada color primario posee un complementario - Ej: el color rojo no lo vemos por la emisión de luz roja (pues de ser así se vería en la oscuridad) sino por la ausencia de cyan.

36 En una imagen impresa normalmente está realizada por una trama de semitonos compuesta de una mezcla de diminutos puntos que varían en tamaño. Impresoras: Semitonos Para controlar estas agrupaciones se definen celdas de semitonos. Una celda de semitonos de 4x4 genera 17 niveles de grises. Una impresora de 300 dpi contiene 75 celdas de 4x4 en cada dirección. Cada celda de semitono corresponde a un pixel de 17 niveles de grises En imágenes a color es aún más complejo pues las celdas de semitonos por cada color se superponen. Para evitar el efecto moire las celdas están giradas un determinado ángulo. C:15º, M:75º, Y:0º, K:45º

37 Impresoras de inyección: funcionamiento Por burbuja tinta Tecnología usada por canon y HP Cada inyector tiene un calentador que vaporiza una burbuja de tinta. La burbuja se expande desplazando una gota de tinta y proyectándola contra el papel. Por un Piezoeléctrico: Posee un cristal piezoeléctrico en la parte trasera del depósito de tinta de cada inyector. Cuando el cristal recibe una pequeña carga eléctrica vibra. Esto provoca que una pequeña cantidad de tinta salga por el inyector

38 Impresoras de inyección Por qué son tan caras las tintas? Los fabricantes venden las impresoras de chorro de tintas muy baratas (incluso con pérdidas). Añaden chips inteligentes a los cartuchos que obliga la compra de consumible originales. Cómo influye el papel utilizado? Factores que afectan a la calidad de la imagen cuando usamos un papel estándar Brillo: Determinado por la rugosidad del papel. Un papel liso refleja mejor la luz, y por tanto la imagen impresa parece más brillante. Absorción: Al pulverizar la tinta, ésta no debe ser completamente absorbida para evitar formas irregulares.

39 Impresoras láser: Funcionamiento La corona de transferencia carga positivamente el tambor de selenio. Mediante un espejo movible, el láser barre linealmente el tambor descargándolo eléctricamente y dibujando un patrón. El tambor es impregnado de tóner (un polvo negro muy fino cargado positivamente) adhiriéndose solo a las partes descargadas (los cuerpos con la misma carga se repelan). La hoja de papel (cargada positivamente) pasa por el tambor captando el toner del tambor. El papel se somete a alta temperatura para derretir el toner adherido.

40 Dispositivos de almacenamiento El almacenamiento de imágenes en formato digital requieren un espacio importante. Los dispositivos de almacenamiento difieren en -La tecnología de L/E que utilizan. -La cantidad de información que almacenan. -El tiempo de acceso y transferencias de datos. -Seguridad con que mantienen la información. -Coste por Megabyte almacenado. Clasificación Magnéticos -Disquetes -Discos duros -Cintas magnéticas Ópticos -CD -DVD Memorias flash -CF -SD/MMC -MemoryStick

41 Dispositivos magnéticos: funcionamiento Basado en las propiedades magnéticas de algunos materiales. Constituido por un superficie metálica, recubierta por un capa de un material magnetizable. Los datos se almacenan cambiando el sentido del campo magnético de dicha sustancia (cabeza de lectura y grabación por cada superficie de disco). La cabeza está conformada por un electroimán que puede inducir un campo magnético o detectar el sentido del cambio magnético. La cabeza se mueve radialmente mientras que el disco gira en un sentido.

42 Dispositivos Ópticos Proceso de grabación -Los datos se convierten en pulsos de luz láser de alta intensidad que inciden sobre un disco altamente reflectante. -La incidencia del láser crea un superficie menos reflectante (hundimientos) permaneciendo el resto igual (planos). Proceso de lectura -Un láser de baja intensidad incide en el disco reflejándose o no según incida en los hundimientos o en los planos. -El lector lee la luz reflejada. Codificación - El paso de hundimientos a planos y viceversa se consideran unos. - El resto son ceros. - Utiliza un código corrector de errores

43 Por qué cabe más información en un DVD respecto a los CD-ROMs? Dispositivos Ópticos Poseen mayor densidad hundimientos/planos. Almacenar información en varias capas. Es necesario un láser mucho más sensible. CD Tipos: CD-ROM, CD-R y CD-RW Capacidades: 650 MB, 700 MB, 800 MB, 900 MB. DVD Tipos: DVD-ROM, DVR-R, DVD-RW, DVD-RAM, DVD+R, DVD+RW, DVD-R DL, DVD+R DL, DVD-RW DL, DVD+RW DL Capacidades: -DVD-5: un lado, capa simple, 4.7 GigaBytes. -DVD-9: un lado, capa doble, 8.5 GB. -DVD-10: dos lados, capa simple en ambos lados, 9.4 GB. -DVD-14: dos lados, capa doble en un lado,capa simple en otro13.3 GB. - DVD-18: dos lados, capa doble en ambos lados, 17.1 GB

44 Sistema de almacenamiento informático para dispositivos portátiles como cámaras digitales, reproductores de MP3 o impresoras. Son memorias semiconductoras basadas en NOR o en NAND (más modernas y rápidas). Hay una gran variedad de formatos - Compact Flash (CF) - Micro Drive - Memory Stick (Duo y Pro) - Multimedia (MMC) - Secure Digital (SD) - SmartMedia (SM) - xd Photo Card Memorias flash Son no volátiles, robustas, de poco consumo, resistentes a golpes (mientras no se doblen). * Se pueden escribir (margen amplio).

45 Memorias flash CompactFlash -De los formatos más antiguos, baratos y exitosos. -Velocidad de 10Mb/Segundo. -Variedad de marcas (estándares de una asociación). - Dos tipos de tarjetas la Type I y Type II que tienen mas capacidad, son mucho más rápidas. MemoryStick -Comercializado exclusivamente por Sony. -Existe multitud de formatos, los más extendidos son: Estándar - Velocidad máxima de escritura: 14.4Mbit/s - Velocidad máxima de lectura: 19.6Mbit/s Dúo - Mayor velocidad de transferencia y menor velocidad de escritura - Pensada para manejar contenido digital con copyright. Pro: - Las más rápidas, pensadas para cámaras de alta velocidad. - Velocidad mínima de escritura: 15Mbit/s. - Transferencia: 160Mbit/s

46 Memorias flash Secure Digital - Se basan en el formato de las precedentes MMC. - Incorpora hardware encriptación para evitar la piratería (poco utilizado). - En general tienen mayor velocidad de acceso (sobre un 15%) que las CF. - Se distinguen dos tipos según su velocidad. Estándar: transferencias entorno a los 20Mbit/s De alta velocidad: 100Mbit/s. Algunos dispositivos que requieren este tipo para grabar video con fluidez. - La asociación no permite controladores de código abierto, por tanto los fabricantes de dispositivos tienen que: - Utilizar un evoltorio de código abierto de un controlador SD de código cerrado - Utilizar exclusivamente el antiguo modo MMC. MMC - Su forma es prácticamente igual a las SD. - Su diferencia más palpable es que carece de una pestaña para evitar la información contenida en ella. - Su tasa de transferencia ronda los 20Mbit/s.