3.6.3
Defectos en las imágenes:
Debido a algunos fenómenos físicos y naturales, las imágenes pueden presentar algunos defectos.
3.6.3.1
Distorsión de la Lente:
Al utilizar una lente se pueden presentar errores de tipo óptico como la distorsión por barril y la distorsión de almohadilla estos defectos pueden corregirse mediante el uso del OpenCV (OpenCV group, s.f.).
3.6.3.2
Errores debidos al movimiento del satélite:
Su causa principal es debida a los movimientos típicos del satélite denominados Cabeceo (Pitch), Alabeo (Roll) y Giro lateral (Yaw), estos movimientos son aleatorios y por tanto impredecibles en el momento de la captura de la imagen, pero si se detectan y registran junto con la imagen, pueden corregirse como será demostrado en el proceso de corrección de la perspectiva más adelante en esta sección.
3.6.3.3
Interferencias atmosféricas:
Existe un efecto químico entre el objeto y el sensor el cual se comporta como un filtro para las diferentes longitudes de onda que quieren capturarse. El vapor de agua en particular afecta enormemente la linealidad de las imágenes en la banda del infrarrojo cercano e incluso en algunos casos llega a interferir totalmente haciendo que se haga imposible la detección de masas de agua por ejemplo haciendo la imagen inservible. De manera similar partículas como los denominados Aerosoles y todo tipo de gases son más críticos aun como se describe en (Burke, 2003) afectando las demás longitudes de onda.
3.7Sensor
En la terminología de las imágenes satelitales se le denomina “sensor” al satélite en sí, pero en este trabajo en particular el término “sensor” hace referencia al elemento electrónico o dispositivo encargado de capturar las imágenes y digitalizarlas de manera que se obtenga un conjunto de matrices con las diferentes informaciones de las bandas R, G y B.
3.7.1
Tipos de sensor
Hoy día existen dos tipos de tecnologías para los sensores: la tecnología CCD (Charged Couple Device) y la CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).
Los sensores CCD tienen mayor sensibilidad a la luz, más calidad y también precio más alto, los de tipo CMOS son menos sensibles y de menor calidad, sin embargo son más sencillos de fabricar y por ello son más baratos.
Tradicionalmente se utilizaron los CCD para las cámaras profesionales y semiprofesionales y los CMOS para las cámaras de aficionados y las Web-cam.
Hoy día la tendencia es contraria y se ha mejorado mucho la tecnología de sensores CMOS haciendo de estos superiores en calidad, resolución y economía por lo cual se han popularizado.
En un sensor CCD toda la información es transmitida a través de las mismas celdas vecinas hacia sus bordes, donde la información es recolectada, el sensor CMOS tiene capacidad de transmisión en cada una de las celdas. Esto evita el efecto de “blooming” o de contaminación entre pixeles vecinos cuando hay situaciones de sobre exposición y, además, permite mejores opciones de interpolación de la imagen.
Los sensores CCD, cuya fabricación debe hacerse en plantas especializadas a partir de materias primas no comunes a diferencia de los sensores CMOS los cuales pueden fabricarse en las líneas de producción normales de semiconductores a partir de materias primas de uso común y muy baratas.
En la medida en que la tecnología CMOS se adapta de manera eficiente a las cámaras digitales y puesto que hoy día la producción es masiva, los sensores han bajado de precio cada vez más. Por las características de su fabricación, los CMOS son también más fáciles de interconectar a nuevos sistemas que los CCD porque puede considerarse al sensor CMOS como un microprocesador. Esto quiere decir que los CMOS son una alternativa flexible para los fabricantes y permiten nuevos desarrollos. Todavía el CMOS es muy sensible al ruido de imagen, tiene un rango dinámico reducido y presenta poca sensibilidad, pero sus características estructurales son mejores que las del CCD.
En realidad CMOS frente a CCD no es de menor calidad de imagen. En sus inicios eran algo peores que los CCD, pero hoy día es un mal que está prácticamente subsanado. La tecnología
CCD ha llegado a su límite y es ahora cuando se está desarrollando la CMOS (Grupo Xataka, s.f.).
Fue por ello por lo que el CMOS empezó a implementarse en las cámaras de gama baja compactas, donde la baja calidad no era un gran problema. Ha sido tras la evolución de la tecnología cuando se ha empezado a implementar en cámaras semi profesionales y profesionales.
3.8Elección del sensor
Debido a las características de menor consumo eléctrico, mayor economía y mayor popularidad hoy día, el sensor a trabajar es un sensor CMOS. Por otro lado, realizando la selección de elementos por conveniencia y economía y pensando en que el modelo debe emularse en un sistema comercial, se elige en sensor implementado dentro de la cámara denominada RaspBerry Cam o RasPiCam.
Figura 17 RaspBerry Pi Cámara. Versión 1.3
Tabla 3 Características generales de la cámara RaspBerry Pi (Raspberry Group, s.f.) Precio en la red USD 25
Tamaño alrededor de 25 x 20 x 9 mm
Peso 3 g
Modos de video 1080p30, 720p60 y 640x480p60/90
Integración Linux Driver V4L2
API de programación en C OpenMAX IL y otros
Sensor OmniVision OV5647
Resolución del Sensor 2592 x 1944 pixeles Área de imagen del sensor 3.76 x 2.74 mm Tamaño del pixel 1.4 µm x 1.4 µm
Tamaño óptico ¼”
Lente equivalente 35 mm Relación Señal/Ruido 36 dB
Rango dinámico 67 dB @ 8x de ganancia Densitividad 680 mV/lux-sec
“Dark current” 16 mV/sec @ 60°C Capacidad de rueda 4.3 Ke-
Foco fijo 1 m al infinito Longitud focal 3.60 mm +/- 0.01 Campo de vista horizontal 53.50 +/- 0.13 grados Campo de vista vertical 41.41 +/- 0.11 grados Relación focal (F-Stop) 2.9
Tabla 4 Características de Hardware en la cámara RaspBerry Pi (Raspberry Group, s.f.)
Disponibilidad Implementado
Chief Ray Angle Correction Yes
Global and 45rea45ng shutter Rolling shutter
Automatic exposure control (AEC) No – done by ISP instead Automatic 45rea45 balance (AWB) No – done by ISP instead Automatic black level calibration (ABLC) No – done by ISP instead Automatic 50/60 Hz luminance detection No – done by ISP instead Frame rate up to 120 fps
max 90fps. Limitations on frame size for the higher frame rates (VGA only for above 47fps)
AEC/AGC 16-zone size/position/weight control No – done by ISP instead
Cropping No – done by ISP instead (except 1080p mode)
Lens correction No – done by ISP instead
Defective pixel canceling No – done by ISP instead
10-bit RAW RGB data Yes , format conversions available via GPU Support for LED and flash strobe mode LED flash
Support for internal and external frame synchronization for frame exposure mode No Support for 2x2 binning for better SNR in low light conditions
Anything output res below 1296x976 will use the 2x2 binned mode
Support for horizontal and vertical sub-sampling Yes , via Binning and skipping On-chip phase lock loop (PLL) Yes
Standard serial SCCB interface Yes Digital video port (DVP) parallel output interface No MIPI interface (two lanes) Yes 32 bytes of embedded one-time 46rea46ng46ura
(OTP) memory No
Embedded 1.5V regulator for core power Yes
Nota del Autor: En vista de la cantidad de terminología específica utilizada en la Tabla 4, esta se deja sin traducción.
Tabla 5 Características de Software de la cámara RaspBerry Pi (Raspberry Group, s.f.)
Picture formats JPEG (accelerated) , JPEG + RAW , GIF , BMP , PNG, YUV420 , RGB888
Video formats raw h.264 (accelerated)
Effects
negative , solarise , posterize , whiteboard , blackboard , sketch , denoise , emboss , oilpaint , hatch , gpen , pastel , watercolour, film , blur , saturation
Exposure modes
auto , night , nightpreview , backlight , spotlight , sports , snow , beach , verylong , fixedfps , antishake, fireworks
Metering modes Average , spot , backlit , matrix
Automatic White Balance modes Off , auto , sun , cloud, shade, tungsten, fluorescent , incandescent , flash, horizon
Extra modes
demo , burst/timelapse , circular buffer , video with motion vectors , segmented video , live preview on 3D models
Nota del Autor: En vista de la cantidad de terminología específica utilizada en la Tabla 5, esta se deja sin traducción.
3.8.1
Modo de conexión y formas de operación de la cámara RaspBerry Pi
La cámara RaspBerry Pi se conecta directamente al puerto CSI (mipi alliance group, s.f.) en la tarjeta RaspBerry Pi, este es un puerto diseñado y dedicado a cámaras que nació como un estándar para dispositivos móviles.
Puede funcionar directamente desde la consola de Linux o desde las API diseñadas para trabajarse en lenguaje C o en lenguaje Phyton.
Para el trabajo realizado, se utiliza la API de programación de Phyton.
El aplicativo realizado deja las imágenes obtenidas en el módulo de memoria no volátil tipo flash (SD) de la tarjeta RaspBerry Pi. Cada imagen almacenada tiene como nombre de archivo un identificador único e irrepetible en función de la fecha y hora en que la misma se capturó.
La RaspBerry Cam utiliza un sensor Omnivision OV5647 con las siguientes características obtenidas directamente de la hoja técnica del fabricante:
Tabla 6 Especificaciones técnicas del Sensor OV5647
Active array size: 2592 x 1944 maximun image transfer rate: QSXGA (2592x1944): 15 fps
Power suply: 1080p: 30 fps
Core: 1.5V ± 5% (internal regulator) 960p: 45 fps analog: 2.6 to 3.0V 720p: 60 fps
I/O: 1.7 to 3.0V VGA (640x480): 90 fps QVGA (320x240): 120 fps 47rea47ng47ura range:
operating: -30°C to 70°C shutter: 47rea47ng shutter/global shutter stable image: 0°C to 50°C
Máximum exposure interval: output formats: 8/10 bit raw RGB data 1968 x tROW
lens chief ray angle: 24° well capacity: 4.3 Ke-
input clock frequency: 6 to 27 MHz dark current: 16mV/sec @60°C S/N ratio: 36 dB fixed pattern noise:
<1% of VPEAK-TO-PEAK
dynamic range: 68 dB
image Area: 3673.6µm x 2738.4µm sensitivity: 680 mV/(lux-sec)
die dimensions: 5520 µm x 4700 µm
De la Tabla 6 de especificaciones podemos obtener y/o deducir, entre otros, datos importantes:
3.8.2
Potencia
El sensor funciona con 3 fuentes de alimentación, una de 1,5V para el núcleo del circuito, la parte análoga trabaja con 2,6V a 3,0V y las interfaces de entrada salida con 1,7V a 3,0V. Dependiendo del reloj utilizado entre 6 y 27MHz sabemos por la física de semiconductores que proporcionalmente será el consumo de potencia total.
3.8.3
Sensibilidad
La sensibilidad de 680 mV/(lux-sec)
3.8.4
Tamaño Pixel
1,4 µm x 1,4 µm; en una tecnología patentada por el fabricante a la cual denomina “Arquitectura de pixel de iluminación del lado trasero OminiBSI™ de 4 micrones”, un tamaño del arreglo de celdas de 2592 x 1944 proporcionando así una imagen de 5 Megapixeles. Teniendo las características completas del sensor, podemos entonces aplicar la física óptica tal como se hizo en (Segura Torres, 2013) para realizar los cálculos relevantes a la imagen y las variables de interés en cuanto a:
3.8.5
Diagrama funcional de bloques
En la Figura 18 se observa el diagrama funcional de bloques del sensor en el cual podemos destacar que es un dispositivo controlado serialmente por medio de I2C con sus señales
características SDA (Serial Data) y SCL (Serial Clock); tiene un bus paralelo de salida de la información de 10 bits puesto que el conversor análogo digital (ADC) es de 10 bits, sin embargo puede trabajarse a 8 o a 10 bits de salida RGB.
Figura 18 Diagrama funcional de bloques sensor CMOS OV5647
3.9Almacenamiento de la imagen
Para llegar a una expresión que permita determinar el tamaño de la imagen son necesarias las siguientes definiciones, Rs que es la resolución del sensor se relaciona en la Ecuación 9.
𝑅𝑠 = 𝑝𝐻 × 𝑝𝑉