Komputerowa akwizycja obrazów

Transkrypt

1 Percepcja wrażeń wzrokowch przez człowieka PWN Komputerowa akwizcja obrazów P. Strumiłło

2 Percepcja wrażeń wzrokowch przez człowieka Człowiek uzskuje ponad 90% informacji o świecie zewnętrznm za pomocą zmsłu wzroku. Wmagania techniczne stawiane komputerowm sstemom przetwarzania obrazów są pochodną sprawności oka ludzkiego, tj.: zdolności rozróżniania dwóch obiektów położonch blisko siebie (θ=1 =1 /60=pi/10800); zdolności rozróżniania efektów świetlnch o podobnej jasności; zdolności postrzegania kolorów; bezwładności oka;

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

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

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

6 Charakterstka czułości spektralnej wzroku człowieka pręciki czopki µm ultrafiolet podczerwień

7 Percepcja wrażeń wzrokowch przez człowieka Subiektwna jasność postrzegana przez oko przebiega wg charakterstki logartmicznej. Zakres natężenia oświetlenia, na które może reagować oko wnosi ok Zakres adaptacji oka granica olśnienia Lokaln zakres adaptacji oka Log [lm]

8 Krzwa Webera ΔI I I+Δ I I 2% I [cd/m 2 ] Krzwa Webera obrazuje zdolność oka ludzkiego do rozróżniania efektów świetlnch o różnch jasnościach.

9 Obraz kodowan 16 poziomami jasności 4 bit/piksel MIT

10 Pas Macha PWN Taka charakterstka odpowiedzi układu wzrokowego wnika ze zjawiska hamowania obocznego w warstwie receptorów wzrokowch (funkcja kapelusza Mekskańskiego ).

11 Iluzje wzrokowe

12 Percepcja wrażeń wzrokowch przez człowieka PWN Komputerowa akwizcja obrazów P. Strumiłło

13 Tor wizjn sstemu przetwarzania obrazów Tor wizjn - zespół układów optcznch i elektronicznch służącch do przetwarzania obrazu optcznego na sgnał elektrczn oraz odwzorowania obrazu na urządzeniach wświetlającch. 3D 2D Przetwornik optoelektroniczn Układ formowania obrazu Układ opto-elektr. przetwarzania obrazu Wizualizacja obrazu

14 Model formowania obrazu 2D 3D (α,β) Układ formowania obrazu (UFO) (,) f(,) Płaszczzna obrazu (przetwornika optoelektrcznego)

15 Model formowania obrazu Obraz dwuwmiarow rozkład jasności f(,)>0 odwzorowując energię świetlną padającą w punktach przestrzennch o współrzędnch (,) (,) 2D f(,) f (, ) = i(, ) r(, ) 0 < i(, ) < - światłość w pkt. (,) 0 < r(, ) < 1 - współcznnik odbicia w pkt. (,) światłość: słoneczn dzień cd/m 2, pochmurn dzień cd/m 2, światło księżca cd/m 2, wsp. odbicia: czarn welur , biała kartka papieru - 0.8, śnieg

16 Model formowania obrazu Dla linowego procesu akumulacji energii w płaszczźnie obrazu: f (, ) = f ( α, β ) h(,, α, β ) dα dβ h(.) - tzw. funkcja rozmcia punktu (ang. point spread function) opisująca wpłw promieniowania otoczenia wbranego punktu obiektu (α,β) na energię odpowiadającego mu punktowi obrazu (,).

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

18 Próbkowanie sgnału jednowmiarowego f() F(u) -Ω Ω u s() S(u) Δ -1/Δ 1/Δ u s()f() S(u)*F(u) Δ... -Ω Ω... u

19 Dskretzacja przestrzenna obrazu Zakładam, że obraz analogow charakterzuje się ograniczoną szerokością widma Fourierowskiego. ω ω ma -ω ma F ( ω ω ), ω ma ω -ω ma

20 Dskretzacja przestrzenna obrazu ( ) ( ) = = Δ Δ = ,, M i N k k i S δ W komputerowm sstemie przetwarzania obrazów, obraz analogow (o ograniczonm widmie) jest próbkowan i kwantowan za pomocą dwuwmiarowej funkcji próbkującej: obraz spróbkowan: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = = Δ Δ Δ Δ = = = ,,,,, M i N k s k i k i f S f f δ Δ Δ

21 Dskretzacja przestrzenna obrazu ( ) ( ) = = Δ Δ Δ Δ = , 1, M i N k s k i F 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: Δ = Δ Δ = Δ 1, 1 ω ω Δω Δω

22 Powielenie okresowe widma obrazu spróbkowanego Δω ω ma Ω ma < Δω Δω = 2 1 2Δ ω ma ograniczone widmo obrazu

23 Efekt nakładania widm - przkład 500 dpi Obraz skanowane: 100 dpi (ang. dots per inch)

24 Przetwarzanie obrazu optcznego na sgnał elektrczn Akwizcja obrazu jest procesem zamian energii świetlnej pochodzącej od punktów obserwowanej scen na sgnał elektrczn dogodn do rejestracji i przechowwania. Urządzenia do elektronicznej rejestracji obrazów: kamera wideo CCD cfrow aparat fotograficzn skaner digitizer

25 Przetwarzanie obrazu optcznego na sgnał elektrczn Zadaniem przetwornika opto-elektrcznego jest zamiana rozkładu energii f(,) na sgnał elektrczn, proces ten jest nazwan wbieraniem obrazu. Podstawowe sposob zamian obrazu optcznego na sgnał elektrczn: bez akumulacji fotoładunków (np. skaner optczn), z akumulacją fotoładunków (np. widikon, matrca CCD)

26 Przetwornik bez akumulacji fotoładunków, np. skaner kierunek wbierania obrazu R s(,) + fotodioda wbierająca obraz matówka

27 Scalon analizator obrazu (z akumulacją ładunków) Scalon analizator obrazu wkorzstuje efekt fotoelektrczn wewnętrzn. Φ U F <0 izolator Kondensator akumulując studnia potencjału n ~10µm

28 Tablica Baera Format Raw CCD M M N N Wznacz obraz RGB stosując interpolacje kolorów składowch

29 Piim Digital Piel Sstem (DPS) Oddzieln przetwornik A/C dla każdego punktu obrazu Pojedncz przetwornik A/C

30 Matrca firm FOVEON

31 Przetworniki obrazu CMOS Zalet: tania technologia (stosowano do produkcji modułów pamięci VLSI), mał pobór moc (100 mniejsz niż CCD!), dostęp do dowolnego obszaru obrazu, nie ma rozpłwania ładunku jak dla CCD, możliwa integracja przetwornika A/C i modułów przetwarzania obrazu na jednej kostce. Wad: bardziej podatna na zakłócenia niż CCD, mniejsza czułość (duża liczba tranzstorów dla jednego punktu obrazu). OmniVision

32 Scalone analizator obrazu - zalet Zalet scalonch przetworników obrazu: + małe wmiar, + duża odporność na udar mechaniczne (70 G), + pomijalne zniekształcenia geometrczne matrc CCD, + niskie napięcie zasilające (12 V, 1.4W), + dnamika prac ~70 db, + przetwarzanie liniowe (regulowan współcznnik gamma), + zerowa bezwładność, + rozdzielczość porównwalna lub lepsza od lamp widikonowch, + duża trwałość i niezawodność, + niska cena.