Formación de las imágenes carlos.platero@upm.es (C-305)
Formación de Imágenes De continua a discreta Proceso: Iluminación Óptica Sensores Cámara Digitalizadora? Fuentes de degradación Calidad de una imagen? Movimientos de la banda Sistema de iluminación Escena Óptica Batería de cámaras Línea de inspección
Caracterización de las imágenes Medidas de calidad Calidad de la ópticas (PSF) SNR (tecnología cámaras) Resolución Factores Iluminación Superficies Ópticas Cámaras Digitalizadoras Entorno Pseñal SNR log 10 [ db] P ruido Cristal protector Lente Filtro IR Difusor Sensor
Ejemplo
Iluminación Estructurada & no estructurada Computación Gráfica Realismo ->interacción entre la luz y la materia Ray Tracing
Ejemplo
Iluminación Computación Gráfica Realismo ->interacción entre la luz y la materia Visión Artificial Ubicar de forma óptima: Fuentes Objetos Cámaras Modelos de superficies Textura Superficies lisas y rugosas Modelado Perfiles Aleatorios, N(, ) << (lisas), >> (rugosas) Manantial Luz incidente Halo difuso i n r n i Microsuperficies planas Sensor Pico especular Halo especular
Cálculo de la iluminación y la luminancia Paraxial E d da I d da r r I No paraxial E E H V I cos d I cos d E H tg
Ejemplo. Una superficie circular de 3 m de radio está iluminada por una bombilla de 50 cd de intensidad constante en todas direcciones situada a m de altura sobre el centro de la plataforma. Calcular la iluminación máxima y mínima sobre la superficie. I Emax 1. 5lx h I cos Emin. 13lx h / cos
Ejercicio Una luminaria se sitúa en el centro de un escenario de 5m x m y a una altura de 3m. La intensidad luminosa es entregada por el fabricante según el diagrama polar adjuntado. Calcular la iluminación en los puntos a), b) y c).
Ejercicio En el punto A, la intensidad es de 150 mw/sr y el ángulo entre la normal de la superficie y el foco es nula: E E E Ha Va a 3 I cos 16.6mW h E tg 0mW / m H 16.6mW / m / m
Ejercicio En el punto B, la intensidad es de 130 mw/sr y el ángulo entre la normal de la superficie y el foco es de 6.57º: E E E Hb Vb b 3 I cos 10.3mW / m h E tg 5.mW / m H 11.5mW / m
Ejercicio En el punto C, la intensidad es de 140 mw/sr y el ángulo entre la normal de la superficie y el foco es de 18.43º: 3 I cos EHc 13.3 mw / m h E E tg 4.4 mw / m E Vc c H 14 mw / m
Radiación d di di I L da cos d da cos da n v S r r r aparente Superficies: Lambertianas (rugosas) Especulares (lisas) Manantial Luz incidente Halo difuso i n r i Sensor Pico especular Halo especular I d I d in d n l in s s s I I r v k
Modelo de Phong de Reflexión de la luz Computación Gráfica RGB Sin interacción k I I I I I I I n l I r v I in in in a d s e a a d d s s e Manantial Sensor Luz incidente r n Pico especular Halo difuso i i Halo especular
Ejemplo.4 Una fuente luminosa de 0.1 W/sr ilumina a una superficie. Los factores de reflexión difusa y especular sobre esta superficie son: 1,0.5 3 Los ángulos de incidencia y de colocación de la cámara son: i, r 4 respecto a la normal de la superficie. Determinar la intensidad recibida Considérese que no hay interferencias de otras superficies y su emisión es nula. Utilizar el modelo de Pong. Dato: k=100. 6 in 1 mw Id d Id n l 100cos 40.8 3 4 sr in k 1 mw Is sis r v 100cos 1.56 4 6 m k Manantial Luz incidente Halo difuso i n r i Sensor Pico especular Halo especular
Técnicas de Iluminación (1/6) Tipos básicos de iluminación Direccional, Difusa, a contraluz, estructurada Tipos de haces luminosos por su geometría Puntual, línea, plano, corona
Técnicas de Iluminación (/6) Direccional Inspección de piezas iluminación uniforme, fácil de implementar Brillos Colimada Rayos paralelos
Técnicas de Iluminación (3/6) Difusión Eliminación de contrastes en el objeto y de sombras Difusores blancos Inspección de piezas metálicas Difícil de implementar Problemas bordes Superficies suaves
Técnicas de Iluminación (4/6) A contraluz Opacos: formas Extracción de siluetas Translucidos: Propiedades de la materia
Técnicas de Iluminación (5/6) A contraluz Imágenes médicas Tomografía axial computarizada No necesariamente en el espectro visible http://www.rtve.es/television/0110117/tecnicas-imagen-tres14/395603.shtml
Técnicas de Iluminación (6/6) Estructurada Deformación de la luz Peligros al usuario Polarizadores Especular: acromática y polarizada. Saturación y cromaticidad Eliminación de brillos Luces estroboscópicas
Fuentes de iluminación Incandescentes Bajo costo, diversas formas Halógenas Continua & alterna 350ºC Fluorescentes Láser Led Difusa, reactancias de alta frecuencia Fibra óptica Endoscopia http://www.youtube.com/watch?v=danjzui47zm
Óptica Concentrar los rayos sobre el elemento sensor. Calidad y tamaño de los objetos. Cámara oscura (Cardan 1550) Modelos Pin-hole Lente delgada Lentes Requiere más energía convergentes o divergentes
Parámetros de la óptica Distancia focal, f Distancia entre la lente y el elemento sensor enfocando a infinito. Ángulo visual, A mayor f menor ángulo visual. Diafragma, F Potencia luminosa que le llega al sensor. Profundidad de campo Volumen que es proyectado de forma nítida.
Modelo pin-hole Sin enfoque Teorema de Tales Magnificación x f Z X y f Z Y M x X y Y f Z
Ejemplo.5 Para la práctica de calibración de las cámaras se ha empleado una cuadrícula tipo de ajedrez. Los lados son de 7 mm y se ha puesto la rejilla a 1 metro de distancia respecto a la cámara. Se ha empleado una cámara de píxel cuadrado de 5.6m. Las aristas de las caras se ven en 15 píxeles. Cuál debe ser la distancia focal de la óptica?. Qué área se visualiza, si la cámara está constituida por 357x93 píxeles?. Utilícese el modelo pin-hole. f S 155.6 10 3 7 10 x y X Y M 6 1 3.1mm 6 357 5.6 10 x935.6 10 3 3.110 6 0.341m
Ejercicio 3 Se tiene una cámara de vídeo a calibrar. La óptica tiene una distancia focal de 3mm y el tamaño del píxel es de 5.6 m x 5.6 m. El número efectivo de píxeles son 357(H) x 93(V). Cual es la distancia mínima que podrá ponerse una rejilla de calibración respecto de la cámara, si ésta se constituye por cuadros blancos y negros de 7mm de lado y según se observa en la figura, hay 7x9 cuadrados?.
Ejercicio 3 En la mínima distancia deberá de entrar la rejilla completa. Se parte de la hipótesis que los nueve cuadros deben de entrar en las 357 columnas, por tanto: 3 Y 3 97 10 Z f 310 0.364m 6 y 357 5.610 Habrá que observar que en las filas entrar los siete cuadrados: 3 X 3 77 10 Z f 310 0.345m 6 x 935.6 10 Por tanto, se verifica que cuando la distancia es de 0.364 m entra por completo la rejilla.
Aberraciones(1/) Imperfecciones introducidas por la óptica Espectro frecuencial (Cromáticas) Alejamiento del eje axial (geométricas) Cromáticas (refracción) Geométricas o Seidel Esféricas (distancia del eje axial) Coma (rayos no paraxiales) Astigmatismo (desenfoque en el mismo plano)
Aberraciones(/) Modelos El efecto del diafragma F-> menores aberraciones F-> Más iluminación Geométricas o Seidel Curvatura del campo (efecto del ángulo sólido) Distorsión (diferencia entre la proyección ideal y la real) d d u d u d y x r y r k r k y x r k r k x 4 1 4 1 1 1
Sensores de vídeo Cámara oscura, tubo de vacío(193), estado sólido(1970). Tecnologías: CCD, CID, TDI, CMOS Efecto fotoeléctrico Modelo radiométrico Cuantificación y transmisión Puerta V1 V n pixel Lr A 4 F 1 pixel M A O t I Pixel Pixel Carga T1 T T3 T4
Modelo radiométrico d L S d r aparente r A n L A t n 0 lente r S A I R1 A n L A t R 0 sensor r S A O I 1 pixel n sen sor A A pixel sen sor AA n L t 0 pixel f 1 M r pixel n 4 F 1 M pixel r A O I LA t pixel A O I npe Rr npixel d 1 L A 4 F 1 M r pixel npe Rr A O tid 1
Cámaras matriciales CCD & CMOS CCD mayor calidad CMOS bajo costo Color 1CCD-Bayer 3CCD-Prisma Requiere más luz Aberraciones cromáticas Elección de la cámara Formato de vídeo Resolución Tipo de rosca Señales adicionales Sincronismo Autoiris Tiempo de integración
Tecnologías de vídeo Iluminación, tiempo de integración y resolución Material de Visión Artificial: http://www.infaimon.com
Tecnologías de vídeo Tipos de cámaras Lineales TDI Matriciales Entrelazadas Progresivas Cámara TDI Elementos TDI Movimientos de la banda Líneas de inspección
Tecnologías de vídeo Resolución & t I & Iluminación
Modelo geométrico Pin-hole Conversión de mm a píxeles Aplicaciones: medición y navegación Parámetros Intrínsecos: f, C y modelo lentes Extrinsecos: T, R x f i i x z wi wi d' y n y f sy dy n py k x i i y z wi wi x p c d i xi x x y p c d i yi y y f x 0 c wi d x x zwi pxi f y p 0 wi yi c d y y zwi 1 0 0 1 1
Calibración y formatos de ficheros Procedimiento Determinar con precisión un conjunto de puntos 3D del mundo exterior. Fijar sus correspondencias con las proyecciones de estos puntos 3D sobre la imagen proyectada D. Obtener mediante técnicas de optimización la mejor solución de la determinación de los parámetros intrínsecos y extrínsecos. Coplanares o no
Ejercicio 4 Se emplea una cámara con una lente de 3mm y un sensor CMOS que tiene un pixel cuadrado de 5.6m x 5.6m. El número efectivo de píxeles es 357 (H) x 93 (V). Se ha colocado una plantilla de calibración a 500 mm respecto al eje de referencia en la cámara. Sabiendo que los lados del cuadrado son de 7mm y que las coordenadas XYZ del punto indicado en la rejilla son (50,50,500). Determinar en qué píxeles de la cámara se proyectan las cuatro esquinas del cuadrado seleccionado. Considérese que no hay distorsión en la lente, el eje axial de la lente pasa por el centro del elemento sensor y que los ejes de proyección son ortonormales.
Ejercicio 4 El modelo pin-hole de la cámara quedará definido por: fi x 0 wi x c wi d xi x z wi z wi pxi 535.71 0 146.5 f 0 i ywi y p 0 535.71 178.5 wi yi c d yi y z wi zwi 1 0 0 1 0 0 1 1 1 El primer punto quedará proyectado en el píxel (00,3) y los otros tres en (9,3),(00,61) y (9,61).
Formatos de ficheros Formatos gráficos Vectoriales Mapas de bits raw Con o sin pérdida de información Compresión Codificación, redundancia visual