medición de la luz. radiometría y fotometría. t3 ... · ruido de captura. incertidumbre...

Fundamentos de Visión por Computador

Sistemas Informáticos Avanzados

T3. Adquisición de Imagen. Sensores

2T3. Adquisición. Sensores.

Índice

Medición de la luz. Radiometría y fotometría.• Modelos de reflexión de la luz.• La función de reflectancia bi-direccional, BRDF.• Reflexión especular y difusa. El modelo dicromático.

Sensores:• Modelo del sensor.• Visión humana. Estructura del ojo:• Cámaras CCD (CMOS)

Cámaras matriciales y lineales.Vídeo analógico y digital.

• Otros sensoresRepresentación de la imagen• Muestreo y cuantización• Tipos de imágenes.


Medición de la luz. Radiometría

Proyección en el plano imagen.

Iluminación.

Reflexión superficie objeto.


Radiometría


Radiometría

Ángulo sólido

θφθθω sincos2 ddr

dAdd ==Ω=

2RA=Ω


Radiometría

Energía radiante (julios)

Flujo radiante (w)

Irradiancia (w / m2 s)

Ángulo sólido (sr)

Intensidad radiante (w / sr)

Radiancia (w / m2 sr)

dtdQ /=Φ

dAdE /Φ=

ϕθθθω ddr

dAd sincos2 ==

ωddI /Φ=

ωθω ddAd

ddAdL

cos0

22 Φ=Φ=

Q


Fotometría

Respuesta espectral del ojo humano:• 360 - 800 nm• Conos: Fotópico V(λ)• Bastones: Escotópico V’(λ)

Fotópica V(λ)Escotópica V’(λ)


Radiometría / Fotometría

LuminanciaRadiancia

Intensidad luminosaIntensidad radiante

IluminanciaIrradiancia

Flujo luminosoFlujo radiante

Energía luminosaEnergía radiante

Magnitud fotométricaMagnitud radiométrica

Medidas fotométricas: • medidas fisiológicas relativas a la eficiencia espectral

del ojo humano.

∫

∫=

=nm

nmV

nm

nmV

dVQwlmQ

dVQwlmQ

780

380'

780

380

)(')(683

)()(683

λλλ

λλλ


Reflexión de la luz en los objetos

Se asume:• La radiancia reflejada en un punto de la superficie es

debida a la radiancia recibida en este punto.• La radiancia reflejada a una cierta longitud de onda es

debida a la radiancia recibida en ese punto a la misma longitud de onda.

• Las superficies no generan luz internamente.



ωθϕθϕθϕθϕθρ

dxLxLf

iiii

rrrrriirbd cos),,(

),,(),,,( ==

),,,(),,,,,,(),,,,,(

λϕθλϕθϕθλϕθϕθ

iii

irriirrriir xdE

ExdLxf =

Función de distribución de reflectancia bidireccional (BRDF):• Proporción de la irradiancia

recibida y la radianciareflejada en una cierta dirección.

• En general:


Irradiancia imagen

Irradiancia espectral imagen Ep

απ 42

' cos'4

=zdLE rp



Superficies especulares.Superficies difusas.Superficies Lambertianas (difusas ideales):• La radiancia reflejada no depende del ángulo.• Su BRDF es una constante.

Reflexión del cuerpo

Reflexión la superficie


Modelo de reflexión dicromático

Radiancia reflejada en un punto de la superficie de un objeto (Shafer, 1985):

Si se asume dieléctrico no homogéneo:• Mismas propiedades de reflexión a lo largo de toda la

superficie del objeto:

• BRDF

),,,,(),,,,(),,,,( λϕθϕθλϕθϕθλϕθϕθ rriibrriisrrii LLL +=

)(),,,()(),,,(),,,,( λϕθϕθλϕθϕθλϕθϕθ brriibsrriisrrii cmcmL +=

)(),,,()(),,,(),,,,( λϕθϕθλϕθϕθλϕθϕθ brriisrriirriir chcgf +=

g,h magnitudes entre 0 y 1


Modelo NIR

Modelo de reflexión del interfaz neutral (NIR):• Reflexión superficial no depende de λ.

• BRDF

• La luz reflejada en la superficie tiene la misma distribución espectral que la incidente.

)(),,,(),,,(),,,,( λϕθϕθϕθϕθλϕθϕθ brriibrriisrrii cmsmL +=

)(),,,(),,,(),,,,( λϕθϕθϕθϕθλϕθϕθ brriirriirriir chsgf +=

g,h magnitudes entre 0 y 1

Interfaz neutral


Sistemas de coordenadas

Mundo W(x,y,z)Objeto B(xb,yb,zb)

Cámara C(xc,yc,zc)

Imagen real I(x’,y’)

Imagen pixel I(i,j)


Integración en el sensor

Integración en el sensor

απ 42

' cos'4

=zdLE rp

∫ ∫=t

dtdRtyxEyxQλ

λλλ )(),,','()','(

Respuesta espectral del sensor


Cámara CCD

dtddydxqyxStyxEjiIt x y

q λλλλ∫ ∫ ∫ ∫=

' '

'')()','(),,','(),(

Cámara CCD

Eficiencia quántica: número de electrones por unidad de energía.

Respuesta espacial del sensor en un punto.

dA=dx’dy’, área de un píxel

Carga eléctrica (número de electrones) recogidos en un píxel.


Modelo del sensor

qast NNNNjiIKAjiD ++++= )),((),(

CCD (Charge Coupled Device)

Ganancia del amplificador/cámara.

Defectos en la eficiencia quántica y respuesta espacial.

Ruido de captura.Incertidumbre quántica del número de electrones almacenados.

Corriente obscura. Electrones generados por energía térmica.

Ruido de del amplificador.

Ruido por efectos geométricos (jitter) en la discretizacióny de la cuantización.

K se puede modelar como una variable aleatoria de media 1 y desviación típica σK

Nq se puede modelar como una variable aleatoria de distribución uniforme en el intervalo [-q/2,q/2] y varianza q2/12


Visión humana. Estructura del ojo

Funciona como una cámara de campo visual 160ºx135º.Sufre de varios aberraciones geométricas y cromáticas.Rango de acomodación [60,68] dioptrías (1/m):• focal entre [15,17] mm.

Esquema del modelo del ojo no acomodado de Helmoltz

Componentes principales del ojo


Visión humana. Estructura del ojo

Fotorreceptores [330,730] nm:• 100 millones bastones y 5 millones conos, approx.• Fóvea: área mayor concentración conos.• Macula lútea: área de gran concentración de conos.

Bastones muy sensibles: incluso a un fotón.Campo receptor: área de la retina conectada a una neurona.

Conos en la fóvea Conos (aumentan de tamaño con la excentricidad) y bastones en la periferia.

Distribución conos y bastones en la retina


Cámaras CCD

CCD (Charge Coupled Device)Patrón de Bayer (CCD color)

Tri-CCD (CCD color)22T3. Adquisición. Sensores.

Cámaras CCD

Escaneado no progresivo

Escaneado progresivo

Vídeo entrelazado

Vídeo no entrelazado


Cámaras matriciales y lineales

Cámara lineal

Cámara matricial


Señales de vídeo

Video analógico:• Cámara convierte D/A y

amplifica.• Vídeo entrelazado y no

entrelazado.• PAL / CCIR:

Entrelazado.25 frames/seg.

• NTSC / RS-170A: Entrelazado30 frames/seg.

Video digital:• Bus digital entre cámara y ordenador.• Camera Link.• IEEE-1394 (firewire, i-link):

Estándar D-CAM


Otros sensores

Color y multiespectrales.Rayos X, MR, CT, ...Sensores de rango:• Escáner láser.• Luz estructurada.

…

CT

MR

RX

λ


Sistema de adquisición de imágenes

Iluminación

Objetos de la escena

Cámara y ópticaTarjeta de adquisición

Ordenador

Señal de video

E(x,y)

L(x,y)I(x,y)

I(i,j)


La imagen

Función I(x,y).Matriz numérica I(i,j).Píxel: • Valor intensidad luminosa.• Nivel de gris (imagen

monocromática).

Función nivel de gris I(x,y) en el plano imagen x-y

Valores de grises en la matriz numérica I(i,j)


Estructura imagen discreta

Imagen:• Estructura de datos de información discreta.

Proceso de “discretización”: • Muestreo.• Cuantización.

Cuantización

Discretización

Muestreo

I(x,y) I(i,j)

y

x

j

i


Cuantificación y muestreo

Muestreo

Cua

ntiz

ació

n


Tipos de imágenes

Imágenes monocromáticas.Imágenes binarias.Imágenes en color (multibanda).Imágenes de rango.

ColorMultiespectral

Monocroma Binaria

Rango


Formatos de ficheros imagen

Formatos de archivos imagen:• JPEG, GIF, PNG, PPM, BMP, TIFF, etc.

Métodos de compresión:• Compresión lossy (con pérdida de información)• Compresión lossless (sin pérdida de información)

Ejemplo: una imagen 225x300:• PPM: 68Kb• GIF: 40Kb• JPEG: 41-6Kb


Bibliografía

Básico:• Forsyth, D.A. and Ponce, J.; Computer Vision: A

Modern Approach, Prentice Hall, 2003.

Complementarios:• Jähne, B. Practical Handbook on Image

Processing for Scientific Applications, CRC Press, 1997.

• Jain, R.; Kasturi, R.; and Schunck, B.G.; MachineVision, McGraw-Hill Inc., 1995.

• Shapiro, L. and Stockman, G.; Computer Vision, Prentice Hall, 2000.

medición de la luz. radiometría y fotometría. t3 ... · ruido de captura. incertidumbre...

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