Formación de las imágenes
Sistema de iluminación
Batería de cámaras
Movimientos de la banda
Línea de inspección Óptica
Escena
Formación de Imágenes
De continua a discreta Proceso:
Iluminación/superficie Óptica
Sensores Cámara
Proceso de digitalización
Calidad de una imagen
Parámetro subjetivo.
Lente Filtro IR Difusor Sensor Cristal protector
Caracterización de las imágenes
log10 señal [ ]
ruido
SNR P dB
= P
Medidas de calidad
Calidad de la ópticas (PSF) SNR (Ruido del sensor) Resolución
Factores
Iluminación Superficies Ópticas Cámaras
Digitalizadoras Entorno
3. Calidad de la medición.
Diseño de un Patrón → Ojo artificial
La calidad de la medición queda demostrada Sin embargo se verá afectada por el factor humano
Ejemplo real
3. Calidad de la Medición.
Cuantificación del factor humano en el Error Absoluto
Determinación del Error Absoluto.
Procedimiento estadístico riguroso para determinar la exactitud y repetibilidad de la medición.
Determinación de la no-linealidad del Error Absoluto.
Procedimiento para determinar la no-linealidad del error en el campo visual del sujeto.
Las mediciones incluyen sujetos con gafas, sin gafas, con lentillas y lentes intraoculares
Ejemplo real
Ejemplo real
3. Calidad de la medición.
Cuantificación del factor humano en el Error Absoluto
Dentro de los estándares de calidad según la literatura RMS < 0.05 para aplicaciones médicas
Ejemplo
Iluminación
Estructurada & no estructurada Computación Gráfica
Realismo ->interacción entre la luz y la materia Ray Tracing
Ejemplo
Halo difuso Halo especular Pico especular Luz incidente
Manantial
n
Sensor
θr
θi θi
n α
Microsuperficies planas
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( µα, σα )
σα<< λ (lisas), σα>> λ (rugosas)
Cálculo de la iluminación y la luminancia Paraxial
No paraxial
r2
I dA
d I dA
E d ⋅ r ≅
=
= φ ω
( ) ( )
αα tg
E E
d E I
H V
H
=
= ⋅cos2
Ejemplo 2.1
Una superficie está iluminada por una fuente luminosa puntual de 0.1 W/sr de intensidad constante en todas direcciones situada a 2 m de altura. Calcular la iluminancia de superficie y la iluminación vertical, si la inclinación entre la superficie y la fuente, α, es de 30º.
2
2 2 2
3
/ 72
. 18
/ 4
. 9
/ 2
. cos 16
m mW E
m mW tg
E E
m h mW
E I
H V
H
=
=
=
=
=
α α
Magnitud física Símbolo Unidad en S.I. Unidades derivadas del S.I.
Flujo luminoso Φ W Lumen(Cd sr)
Intensidad luminosa I W sr-1 Candela (Cd)
Iluminación E W m-2 Lux(Lumen/m2)
Radiación o
luminancia
L W m-2sr-1 Cd/m2
Ejemplo 2.2
Una superficie circular de 3 m de radio está iluminada por una bombilla de 50 cd de intensidad constante en todas direcciones situada a 2 m de altura sobre el centro de la plataforma. Calcular la iluminación máxima y mínima sobre la superficie.
h lx
Emax = I2 =12.5
( ) ( )
(h ) lx
E I 2.13
cos /
cos
min ⋅ 2 =
= α
α
Magnitud física Símbolo Unidad en S.I. Unidades derivadas del S.I.
Flujo luminoso Φ W Lumen(Cd sr)
Intensidad luminosa I W sr-1 Candela (Cd)
Iluminación E W m-2 Lux(Lumen/m2)
Radiación o
luminancia
L W m-2sr-1 Cd/m2
Ejercicio 1
Una luminaria se sitúa en el centro de un escenario de 5m x 2m 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 2
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:
2
2 2 2
3
/ 6
. 16
/ 0
/ 6
. cos 16
m mW E
m mW tg
E E
m h mW
E I
a
H Va
Ha
=
=
=
=
=
α α
Ejercicio 2
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 26.57º:
2
2 2 2
3
/ 5
. 11
/ 2
. 5
/ 3
. cos 10
m mW E
m mW tg
E E
m h mW
E I
b
H Vb
Hb
=
=
=
=
=
α α
Ejercicio 2
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
2 2
2 2
cos 13.3 /
4.4 /
14 /
Hc
Vc H
c
E I mW m
h
E E tg mW m
E mW m
α α
= =
= =
=
Halo difuso Halo especular Pico especular Luz incidente
Manantial
n
Sensor
θr
θi θi
Radiación o Luminancia
Superficies:
Lambertianas (rugosas)
Refleja en todas las direcciones
Especulares (lisas)
( )
2
cos r r cos r aparente
d dI dI I
L dA θ ωd dA θ dA n v S
= Φ = = ≈
⋅ r r⋅
( )
n lI Id d din
r r
⋅
= ρ
( )k
in
s s s
I = ρ I r vr r⋅
Radiación percibida por el observador
ρi coef de reflexión de la superficie
Iins,d intensidad incidente sobre la supficie
Halo difuso Halo especular Pico especular Luz incidente
Manantial
n
Sensor
θr
θi θi
Modelo de Phong de Reflexión de la luz Computación Gráfica
RGB
Sin interacción
( ) ( )k
in in in
a d s e a a d d s s e
I = I + I + +I I = ρ I + ρ I n lr⋅ +r ρ I r vr r⋅ + I
Halo difuso Halo especular Pico especular Luz incidente
Manantial
n
Sensor
θr
θi θi
Ejemplo 2.4
Una fuente luminosa de 0.1 W/sr ilumina a una superficie. Los factores de reflexión difusa y especular sobre esta superficie son:
Los ángulos de incidencia y de colocación de la cámara son:
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 4
θ π θi = π r =
5 . 0 3, 1
( )
( ) 2
1 100 cos 40.82 3 4
1100 cos 1.56
2 4 6
in
d d d
k in k
s s s
I I n l mW
sr I I r v mW
m ρ π
ρ π π
= ⋅ = =
= ⋅ = − =
r r
r r
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 (2/6)
Direccional
Inspección de piezas iluminación uniforme, fácil de implementar Brillos
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/20110117/tecnicas-imagen-tres14/395603.shtml
Técnicas de Iluminación (6/6)
Estructurada
Deformación de la luz Peligros al usuario
Ejemplos de aplicación industrial
Otros elementos de la iluminación
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
Difusa, reactancias de alta frecuencia
Láser Led
Fibra óptica
Endoscopia
Óptica
Concentrar los rayos sobre el elemento sensor.
Calidad y tamaño de los objetos.
Modelos
Pin-hole
Lente delgada
Al aumentar el tamaño del orificio, se degrada la calidad de la imagen uso de lentes
Lentes
Requiere más energía
convergentes o divergentes
La óptica es el elemento del sistema de visión que permite concentrar los rayos luminosos del entorno
sobre el plano sensor
Parámetros de la óptica
Distancia focal, f
Distancia entre la lente y el elemento sensor enfocando a infinito.
Ángulo visual, θ
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
Z Y y f
Z X
x = f =
Z f Y
y X
M = x = =
Ejemplo 2.5
Para la práctica de calibración de las cámaras se ha empleado una cuadrícula tipo de ajedrez. Los lados son de 27 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 5.6µm. 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 357x293 píxeles?. Utilícese el modelo pin-hole.
( 3)2 2
6 6
2 3
6
341 . 0 10
1 . 3
10 6 . 5 293 10
6 . 5 357
1 . 3 10 1
27
10 6 . 5 15
x m M
y Y x
X S
mm f
⋅ =
⋅
⋅
⋅
= ⋅
= ⋅
⋅
=
=
⋅ ⋅
⋅
= ⋅
−
−
−
−
−
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 µm x 5.6 µm.
El número efectivo de píxeles son 357(H) x 293(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 27mm 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:
Habrá que observar que en las filas entrar los siete cuadrados:
Por tanto, se verifica que cuando la distancia es de 0.364 m entra por completo la rejilla.
3 3
6
9 27 10
3 10 0.364
357 5.6 10
Z f Y m
y
−
−
−
⋅ ⋅
= = ⋅ =
⋅ ⋅
3 3
6
7 27 10
3 10 0.345
293 5.6 10
Z f X m
x
−
−
−
⋅ ⋅
= = ⋅ =
⋅ ⋅
Aberraciones(1/2)
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(2/2)
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)
( )
( ) u d d
d
u
d r x y
y r
k r k y
x r
k r k
x 2 2 2
4 2 2 1
4 2 2 1
1
1 = +
≅ +
+
≅ +
+
Sensores de vídeo
Cámara oscura, tubo de vacío(1923), estado
sólido(1970).
Tecnologías: CCD, CID, TDI, CMOS
Efecto fotoeléctrico Modelo radiométrico
Cuantificación y transmisión
( ) A O I
pixel r
pixel t
M F
A
n π L τ τ
2 2
4 1 +
=
Pixel Pixel
T1 T2
T3
T4
Puerta V1
V2
Carga
Modelo radiométrico
0 2 1
r aparente r
lente r S A I
d L S d
n L A A t R
φ ω
τ
≅ ⋅ ⋅
=
sor pixel sor
pixel
A n A
n
sen
= sen
0 2 1
sensor r S A O I
n L A A t
R τ τ
=
( )
0 2 2
1
pixel
pixel r A O I
n L A A t
f M τ τ
≅ + 4 2 (1 )2
r pixel
pixel A O I
n L A t
F M
π τ τ
= +
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
2
1
2
1 4 2 1 2
pe r pixel
r pixel
pe r A O I
n R n d
L A
n R t d
F M
λ λ
λ λ
λ λ λ
π λ
λ τ λ τ λ λ
=
= +
∫
∫
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
Material de Visión Artificial: http://www.infaimon.com
Iluminación, tiempo de integración y resolución
Tecnologías de vídeo
Tipos de cámaras
Lineales TDI
Matriciales
Entrelazadas Progresivas
Cámara TDI
Movimientos de la banda
Líneas de inspección Elementos TDI
Tecnologías de vídeo
Resolución & tI
& Iluminación
Modelo geométrico
Pin-hole
Conversión de mm a píxeles Aplicaciones: medición y
navegación Parámetros
Intrínsecos: f, C (centro del plano del sensor) y modelo lentes
Extrinsecos: T, R
dx y dy es la distancia entre pixeles y es un parámetro de fabricación.
dy se altera por la frecuencia de muestre de la imagen: d’y
nsy nº de sensores por columna npy nº pixeles digitalizados
( )
( )
i xi x x
i yi y y
x p c d
y p c d
− = −
− = − ′
'y y sy
py x
d d n
= n k
wi wi i
i wi
wi i
i
z y f
y z
x f
x = − = −
0 0
1 0 0 1 1
wi x
wi x
xi
wi
yi y
y wi
x
f c
z p d
y
p f c
d z
=
′
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 2D.
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 5.6µm x 5.6µm. El número efectivo de píxeles es 357 (H) x 293 (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 27mm 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:
El primer punto quedará proyectado en el píxel (200,232) y los otros tres en (229,232),(200,261) y (229,261).
0
535.71 0 146.5
0 0 535.71 178.5
1 0 0 1
1 1
0 0 1
i wi wi
x xi wi wi
xi
i wi wi
yi yi
y wi wi
f x x
d c z z
p
f y y
p c
d z z
= =
′
Formatos de ficheros
Formatos gráficos Vectoriales
Mapas de bits
raw
Con o sin pérdida de información
Compresión
Codificación, redundancia visual
Cuestiones
1. Diferencias entre la Visión Artificial y la Computación Gráfica sobre la iluminación.
2. Factores que influyen en la formación de una imagen.
3. Calidad de una imagen.
4. Técnicas de iluminación.
5. Discrepancias entre el modelo de lente delgada y el modelo pin-hole.
6. Consecuencias de variar el diafragma.
7. Tipos de aberraciones y distorsiones ópticas.
8. Diferencias entre cámaras lineales y cámaras TDI
9. Modelado geométrico y radiométrico de una cámara.
10. Cámaras CCD versus cámaras CMOS.
11. Ventajas e inconvenientes de la distintas arquitecturas de transferencia:
cuadro, interlínea, cuadro-interlínea.
12. Cámaras entrelazadas y cámaras progresivas.
13. Clasificación de las señales de vídeo.
14. Partes de una digitalizadora de vídeo de bajo costo.
15. Tipos de archivos de imágenes.
