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

Transcripción

1 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

2 Tema 1: Elementos de un sistema de Visión por Computador ESQUEMA GENERAL Estructura típica visión humana 2

3 Estructura típica visión artificial Tema 1: Elementos de un sistema de Visión por Computador FUNDAMENTOS ÓPTICOS 3

4 Formación de imágenes digitales sensor (plano imagen: 1 sensor/píxel) escena lente Yolanda González Cid - UIB 7 cámara imagen digital Fundamentos ópticos CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES: PUNTO FOCAL DISTANCIA FOCAL BRILLANTEZ (F = f/d) 4

5 Modelo pin-hole MODELO MÁS SIMPLE CADA PUNTO DE UN OBJETO DEL ESPACIO SE PROYECTA EN UN PUNTO DEL PLANO IMAGEN 5

6 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: f f x = X y = Y Z Z 6

7 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 CCD w = 2arctan 2 f 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

8 Modelo de lente fina o O f = I f O f = i 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

9 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

10 Aberraciones geométricas Esférica Es una aberración simétrica que se produce para puntos que están situados sobre el eje óptico del sistema. Rayos periféricos Círculo de confusión mínima Lente Rayos paraxiales Aberración esférica longitudinal Aberración esférica transversal 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 3 Zona 2 Zona 4 Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 Eje óptico Lente Imagen comática 10

11 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. Objeto plano Lente Imagen curvada 11

12 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

13 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: Materiales especulares, difusos, reflectores, Propiedades absorbentes: Materiales selectivos al espectro Materiales no selectivos al espectro Propiedades transmisivas: Materiales transparentes Materiales translúcidos Materiales selectivos al espectro 13

14 Propiedades de los objetos Materiales especulares. Materiales difusos Materiales reflectores Propiedades de los objetos Materiales trasparentes. Materiales translucidos. 14

15 Propiedades de los objetos Materiales selectivos o no al espectro Tipos de iluminación Iluminación direccional Haz altamente direccional orientado al objeto Mucho contraste, presencia de sombras Iluminación difusa 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

16 Tipos de iluminación Iluminación oblicua Caso particular de iluminación direccional Objetivo: creación de sombras Iluminación estructurada 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

17 Tipos de iluminación Iluminación direccional Tipos de iluminación Iluminación difusa 17

18 Tipos de iluminación Iluminación oblicua Tipos de iluminación Iluminación coaxial 18

19 Tipos de iluminación Luz estructurada Tipos de iluminación Ejemplos Direccional Difusa Oblicua A contraluz Estructurada Coaxial Dark-ground/dark-field Polarizada 19

20 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

21 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

22 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

23 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

24 Tema 1: Elementos de un sistema de Visión por Computador CÁMARAS. TIPOS. Cámaras de tubo 24

25 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

26 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

27 Cámara de vídeo Forma de la señal de vídeo 27

28 Transmisión de la señal: Modo entrelazado + = MUESTREO DE LA SEÑAL 28

29 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

30 Esquema CCD lineal: Esquema CCD matricial blanco y negro 30

31 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

32 Arquitecturas CCD matriciales Arquitectura inter-line transfer Arquitecturas CCD matriciales Arquitectura frame-inter-line transfer 32

33 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