Imágenes Digitales. Adquisición I: Naturaleza de la Luz. Hugo Franco, PhD. 25 de febrero de 2013

Transcripción

1 Adquisición de Adquisición I: 25 de febrero de 2013

2 Adquisición de Contexto: Visión por Computador Visión por computador Procesamiento adquisición (doigitalización) preprocesamiento (mejora) segmentación (detección de regiones de interés y objetos) Análisis de información (interpretación de parámetros característicos) extracción de información relevante representación de la información (sumarización, descripción, preparación para búsquedas)

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4 Adquisición de Sistema visual humano El ser humano ve con el cerebro La mayor parte del procesamiento de la información visual se hace en la corteza visual en el lóbulo occipital La información visual llega a través del sistema de axones desde el núcleo geniculado. A su vez, el núcleo geniculado obtiene la información visual cruda proveniente del ojo a través del nervio óptico

5 Anatomía del ojo Sistema Visual Humano Adquisición de El ojo humano funciona como un captador de luz (cámara oscura) a través del oricio del iris (pupila) de diámetro variable La luz se proyecta en el fondo del ojo mediante un sistema de lente de refracción variable: cristalino y sus músculos La información óptica es recogida por la retina y transmitida al cerebro por el nervio óptico

6 Adquisición de Fisiología de la percepción del color (Cromatismo) La retina concentra la mayor parte de procesamiento de colores y formas. Las células retinianas (neuronas) son fotosensibles y su estímulo genera los impulsos nerviosos que se transmiten a la corteza visual Conos: color, detalles, vista en ambientes iluminados Bastoncillos: brillo, visión periférica, visión en ambientes oscuros

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8 Adquisición de Naturaleza de la luz Teoría corpuscular Trabajos preliminares (Snell, Descartes, Newton) describieron a la luz como un fenómeno de interacción entre objetos La fuente luminosa expele cuerpos muy livianos que viajan a enorme velocidad en línea recta Se ha comprobado que los haces de luz están constituídos por fotones, partículas elementales que gobiernan todas las interacciones electromagnéticas Manuscrito de Opticks, Isaac Newton

9 Adquisición de Problemas de la teoría corpuscular Explica la reexión, pero no explica La refracción: cambio de dirección de la luz al cambiar de medio) conclusión equivocada: la luz se propaga más rápido en medios más densos La difracción: capacidad de la luz de doblar la esquina, rodeando obstáculos

10 Adquisición de Naturaleza de la luz Teoría ondulatoria Huygens explicó la refracción y la difracción mediante un modelo ondulatorio, lo que implicaba que Todos los puntos de un frente de ondas son centros emisores secundarios De todo centro emisor se propagan ondas en todas direcciones del espacio con velocidad distinta en cada medio Como la luz se propaga en espacios vacíos, se supuso que ese vacío estaba ocupado por éter, soporte de las ondas. La teoría ondulatoria explica los fenómenos citados, pero implica la existencia de una sustancia imperceptible, el éter Manuscrito de Horologium ondulatorium, Christian Huygens

11 Adquisición de Física cuántica: dualidad onda/partícula En 1924, De Broglie propuso que toda partícula de materia tiene asociada una función de onda: λ = ħ mv donde ħ = 6,626068Ö10 34 m 2 kg/s es la constante de Planck. aplica a todos los objetos materiales, pero solo es signicativa en partículas elementales Se pueden explicar los fenómenos de la presión de la radiación y el efecto fotoeléctrico, conservando las buenas propiedades de la aproximación ondulatoria

12 Adquisición de Propagación de la luz Diferentes experimentos y observaciones, desde Galileo, intentaron medir la velocidad de la luz. Michelson y Morley establecieron la velocidad de la luz con mayor precisión que experimentos previos: 290,000 km/s, Comprobaron que la luz se propaga a una velocidad constante independientemente de la velocidad relativa de la fuente, descartando la existencia del éter y causando la Crisis de la Física de comienzos del siglo XX

13 Adquisición de Frecuencia, energía, espectro A mayores energías, mayor será la frecuencia del haz de luz (y menor será su longitud de onda): E = ħν = ħc λ con ν la frecuencia, c la velocidad de la luz y λ la longitud de onda. El espectro de luz visible está entre las longitudes de onda de los 400nm y los 750nm

14 Adquisición de Al margen: Efecto Doppler El movimiento de la fuente de luz no modica la velocidad de propagación, pero sí produce la compresión de las ondas lumínicas en el sentido del movimiento Hallazgo: todas las galaxias se ven con corrimiento al rojo, luego el universo se expande

15 Adquisición de Percepción del color, frecuencia y tonalidad Los valores frecuenciales más altos en el espectro visible corresponden a colores violáceos. Los valores más bajos correspondena colores rojizos En el medio, se encuentran, sucesivamente, todos los colores visibles La respuesta del ojo a los estímulos ópticos no es lineal, presentándose preferencia por las tonalidades verdes (naturaleza) La superposición de las funciones de respuesta de los conos (retina) permite la creación de modelos de composición de color Diagrama de espacio de color por cromaticidad de acuerdo a la percepción humana, según la Comisión Internacional de Iluminación

16 Adquisición de Imágenes Digitales

17 Adquisición de Representación Matemática Una imagen se puede interpretar como una función de dos parámetros espaciales f(x, y)

18 Adquisición de Adquisición de imágenes Placas fotosensibles: fotografía clásica requería revelado basado en negativos y procesos químicos Iconoscopio: equipo de detección periódica de luminosidad en supercie (TV) consta de una placa de registro de luz (fotocátodos) y un haz catódico que los activa, generando un patrón de barrido Iconoscopio CCD (chargecoupled device): matriz de elementos fotosensibles construye una proyección discreta de una región del espacio iluminada mediante condensadores (celdas fotoeléctricas). La frecuencia adquirida (según ltro) varía según aplicación

19 Adquisición de Formación de la imagen Si c p(x, y, λ) es la proyección de la luz de una escena sobre el elemento en la posición (x, y) del instrumento de detección con una longitud de onda λ, la imagen resultante será, la función imagen f(x, y), que determina la cantidad de luz incidente que es capturada en dichas coordenadas será. ˆ f(x, y) = c p(x, y, λ)v (λ)dλ donde V (λ) es la función de sensibilidad del instrumento, dependiente de la longitud de onda λ Cada dispositivo de captura tiene una función V (λ) particular, lo que dice qué tan capaz es de captar y generar una representación para esa longitud de onda.

20 Adquisición de Discretización Implícita Formación de la Imagen Digital La discretización espacial 2D se puede modelar como el producto elemento por elemento de la función imagen por una matriz de impulsos k[x, y, λ] (correspondiente a los elementos de supercie del dispositivo de captura y su sensibilidad a cada componente frecuencial) en una medida cuantizada, así I[m, n] = m,n f(x, y)k[m, n]