Percepcja wrażeń wzrokowych przez człowieka PWN. Komputerowa akwizycja obrazów

Transkrypt

1 Percepcja wrażeń wzrokowych przez człowieka PWN Komputerowa akwizycja obrazów

2 Percepcja wraŝeń wzrokowych przez człowieka Człowiek uzyskuje ponad 90% informacji o świecie zewnętrznym za pomocą zmysłu wzroku. Wymagania techniczne stawiane komputerowym systemom przetwarzania obrazów są pochodną sprawności oka ludzkiego, tj.: zdolności rozróŝniania dwóch obiektów połoŝonych blisko siebie (θ=1 =1 /60=pi/10800); zdolności rozróŝniania efektów świetlnych o podobnej jasności; zdolności postrzegania kolorów; bezwładności oka;

3 Budowa anatomiczna oka człowieka soczewka siatkówka receptorów 1, włókien PWN

4 Gęstość elementów światłoczułych (czopków i pręcików) w oku człowieka 5050 um Webvision PWN

5 Widmo fal elektromagnetycznych Częstotliwość, Hz prom. X mikrofale promieniowanie gamma fale radiowe ultrafiolet Promieniowanie świetlne podczerwień [nm]

6 Charakterystyka czułości spektralnej wzroku człowieka pręciki czopki µm ultrafiolet podczerwień

7 Percepcja wraŝeń wzrokowych przez człowieka Subiektywna jasność postrzegana przez oko przebiega wg charakterystyki logarytmicznej. Zakres natęŝenia oświetlenia, na które moŝe reagować oko wynosi ok Zakres adaptacji oka granica olśnienia Lokalny zakres adaptacji oka Log [lm]

8 Krzywa Webera I I I+ I I 2% I [cd/m 2 ] Krzywa Webera obrazuje zdolność oka ludzkiego do rozróŝniania efektów świetlnych o róŝnych jasnościach.

9 Krzywa Webera I I I o =3 I o =30 I o =300 I o =3000 I I+ I I 0 I [cd/m 2 ] Oko osiąga maksymalną rozróŝnialność jasności gdy I I 0

10 Iluzje wzrokowe

11 Obraz kodowany 16 poziomami jasności 4 bity/piksel MIT

12 Pasy Macha PWN Taka charakterystyka odpowiedzi układu wzrokowego wynika ze zjawiska hamowania obocznego w warstwie receptorów wzrokowych (funkcja kapelusza Meksykańskiego ).

13 Percepcja wrażeń wzrokowych przez człowieka PWN Komputerowa akwizycja obrazów P. Strumiłło

14 Tor wizyjny systemu przetwarzania obrazów Tor wizyjny - zespół układów optycznych i elektronicznych słuŝących do przetwarzania obrazu optycznego na sygnał elektryczny oraz odwzorowania obrazu na urządzeniach wyświetlających. 3D 2D Przetwornik optoelektroniczny Układ formowania obrazu Układ opto-elektr. przetwarzania obrazu Wizualizacja obrazu

15 Model formowania obrazu y 2D 3D (α,β) Układ formowania obrazu (UFO) (,y) f(,y) Płaszczyzna obrazu (przetwornika optoelektrycznego)

16 Model formowania obrazu Obraz dwuwymiarowy rozkład y jasności f(,y)>0 odwzorowujący energię świetlną padającą w punktach przestrzennych o współrzędnych (,y) (,y) 2D f(,y) f (, y) = i(, y) r(, y) 0 < i(, y) < -światłość w pkt. (,y) 0 < r(, y) < 1 - współczynnik odbicia w pkt. (,y) światłość: słoneczny dzień cd/m 2, pochmurny dzień cd/m 2,światło księżyca cd/m 2, wsp. odbicia: czarny welur , biała kartka papieru - 0.8, śnieg

17 Model formowania obrazu Dla linowego procesu akumulacji energii w płaszczyźnie obrazu: f (, y) = f ( α, β ) h(, y, α, β ) dα dβ h(.) - tzw. funkcja rozmycia punktu (ang. point spread function) opisująca wpływ promieniowania otoczenia wybranego punktu obiektu (α,β) na energię odpowiadającego mu punktowi obrazu (,y).

18 Model formowania obrazu JeŜeli funkcja rozmycia punktu jest niezmienna względem przesunięcia to układ formowania obrazu opisuje całka splotowa: f = (, y) f ( α, β ) h( α, y β ) dα dβ h(, y ) 2 + y = ep 2 2σ 2

19 Próbkowanie sygnału jednowymiarowego f() F(u) -Ω Ω u s() S(u) -1/ 1/ u s()f() S(u)*F(u)... -Ω Ω... u

20 Dyskretyzacja przestrzenna obrazu Zakładamy, Ŝe obraz analogowy charakteryzuje się ograniczoną szerokością widma Fourierowskiego. ω y ω may ω ma F ( ω ω ), y ω ma ω ω may

21 Dyskretyzacja przestrzenna obrazu ( ) ( ) = = = ,, M i N k y k y i y S δ W komputerowym systemie przetwarzania obrazów, obraz analogowy (o ograniczonym widmie) jest próbkowany i kwantowany za pomocą dwuwymiarowej funkcji próbkującej: obraz spróbkowany: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = = = = = ,,,,, M i N k s y k y i y k i f y S y f y f δ y

22 Dyskretyzacja przestrzenna obrazu ( ) ( ) = = = , 1, M i N k y y y s k i F y F ω ω ω ω ω ω W dziedzinie widma Fouriera, próbkowanie przestrzenne obrazu odpowiada splotowi widma obrazu oraz widma funkcji próbkującej. Widmo funkcji spróbkowanej: gdzie: y y = = 1, 1 ω ω ω ω y

23 Powielenie okresowe widma obrazu spróbkowanego ω y ω may Ω ma < ω ω 2 = 1 2 ω ma ograniczone widmo obrazu

24 Efekt nakładania widm - przykład 500 dpi Obrazy skanowane: 100 dpi (ang. dots per inch)

25 Przetwarzanie obrazu optycznego na sygnał elektryczny Akwizycja obrazu jest procesem zamiany energii świetlnej pochodzącej od punktów obserwowanej sceny na sygnał elektryczny dogodny do rejestracji i przechowywania. Urządzenia do elektronicznej rejestracji obrazów: kamera wideo CCD cyfrowy aparat fotograficzny skaner digitizer

26 Przetwarzanie obrazu optycznego na sygnał elektryczny Zadaniem przetwornika opto-elektrycznego jest zamiana rozkładu energii f(,y) na sygnał elektryczny, proces ten jest nazywany wybieraniem obrazu. Podstawowe sposoby zamiany obrazu optycznego na sygnał elektryczny: bez akumulacji fotoładunków (np. skaner optyczny), z akumulacją fotoładunków (np. widikon, matryca CCD)

27 Przetwornik bez akumulacji fotoładunków, np. skaner kierunek wybierania obrazu R s(,y) + fotodioda wybierająca obraz matówka

28 Scalony analizator obrazu (z akumulacją ładunków) Scalony analizator obrazu wykorzystuje efekt fotoelektryczny wewnętrzny. Φ U F <0 izolator Kondensator akumulujący studnia potencjału n ~10µm

29 Tablica Bayera Format Raw CCD M M N N Wyznacz obraz RGB stosując interpolacje kolorów składowych

30 Piim Digital Piel System (DPS) Oddzielny przetwornik A/C dla każdego punktu obrazu Pojedynczy przetwornik A/C

31 Matryca firmy FOVEON

32 Przetworniki obrazu CMOS Zalety: tania technologia (stosowano do produkcji modułów pamięci VLSI), mały pobór mocy (100 mniejszy niŝ CCD!), dostęp do dowolnego obszaru obrazu, nie ma rozpływania ładunku jak dla CCD, moŝliwa integracja przetwornika A/C i modułów przetwarzania obrazu na jednej kostce. Wady: bardziej podatna na zakłócenia niŝ CCD, mniejsza czułość (duŝa liczba tranzystorów dla jednego punktu obrazu). OmniVision

33 Standardy telewizji monochromatycznej europejski CCIR (625 (575) linii, czas wybierania linii 64us, 50 półobrazów na 1 sek., parametry sygnału 1Vpp, 75Ω) amerykański RS170 (525 (484) linii, czas wybierania linii 63,5 us, 60 półobrazów na sek., parametry sygnału 1.4 Vpp, 75Ω) amerykański RS-343 (875 linii, 60 półobrazów, przeznaczona dla systemów CCTV, zastosowania naukowe, )

34 Pole obrazu telewizyjnego dla systemu CCIR MIPS-512

35 Kamera CCD firmy COHU Specification Highlights Imager: 1/2" interline transfer CCD Picture Elements: RS-170A: 768 (H) 494 (V); CCIR: 752 (H) 582 (V) Piel Cell Size: RS-170A: 8.4 µm (H) 9.8 µm (V); CCIR: 8.6 µm (H) 8.3 µm (V) Resolution: RS-170A: 580 horizontal TVL, 350 vertical TVL; CCIR: 560 horizontal TVL, 450 vertical TVL Synchronization: Crystal/H&V/Asynchronous, standard Shutter: 1/60 to 1/10,000 AGC: 20 db Integration: 2-16 Fields Sensitivity: Full video, No AGC: 0.65 lu; 80% video, AGC on: 0.04 lu; 30% video, AGC on: lu S/N Ratio (Gamma 1, gain 0 db): 55 db

36 Scalone analizatory obrazu - zalety Zalety scalonych przetworników obrazu: małe wymiary, duŝa odporność na udary mechaniczne (70 G), pomijalne zniekształcenia geometryczne matrycy CCD, niskie napięcie zasilające (12 V, 1.4W), dynamika pracy ~70 db, przetwarzanie liniowe (regulowany współczynnik gamma), zerowa bezwładność, rozdzielczość porównywalna lub lepsza od lamp widikonowych, duŝa trwałość i niezawodność, niska cena.

37 Karta akwizycji obrazu ang. frame grabber Matro CronosPlus Video capture board for PCI captures from NTSC, PAL, RS-170 and CCIR video sources, connect up to 4 CVBS or 1 Y/C trigger input, 7 TTL auiliary I/Os, 32-bit/33MHz PCI-bus master Matro Software is sold separately, includes e.g., Matro Imaging Library for Microsoft Windows