Nastanek slike. Nastanek slike (1/3) Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko. Iz vsebine. Nastanek slike (2/3)

Transcript

1 Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko Nastanek slike Stanislav Kovačič Nastanek slike (1/3) Proces nastajanja slike (upoabljanja) je okaj zapleten. Rezultat upoabljanja pa je slika. Slika je upoobitev - preslikava - (3D) realnega sveta v (D) slikovni ravnini. Digitalna slika (vzorčenje, kvantizacija) je polje slikovnih elementov. Na koncu je slika (samo še) D polje števil (matrika). Naloga RV je, a na polagi slikovne matrike priobi opis (kvantitativno, kvalitativno) 3D prizora. Iz vsebine Nastanek slike (/3) Osnovno o merjenju svetlobnih učinkov Oko Fotometrična enačba leče 3D D igitalizacija Nekaj o lečah in kamerah Nekatere tehnike osvetlitve Leča Senzor matrika številk Barve, zaznavanje barv in barvni prostori 1

2 Nastanek slike (3/3) Na nastanek slike vpliva veliko ejavnikov : prostorske/geometrične lastnosti raiometrične/otometrične lastnosti svetila, premeta in senzorja. Geometrične lastnosti: Namestitev svetila in senzorja glee na objekt zanimanja Osvetlitvena krogla Fotometrične lastnosti: Sevanje, širjenje energije in njeni učinki Brez svetlobe / energije ni slike Senzor Surace normal Svetilo Osvetlitev spreaj Osvetlitev zaaj Svetloba na površini Oboj: Diuzni oboj rcalni oboj Prehajanje skozi snov: Prosojnost Lom Fluorescenca Fosorescenca Razmisli: kakšna je slika rečega maeža na črni polagi, če ga osvetlimo z zeleno svetlobo? Vir svetlobe λ Svetloba na površini (1/9) Svetloba na površini Oboj: Diuzni oboj rcalni oboj Prehajanje skozi snov: Prosojnost Lom Fluorescenca Fosorescenca? λ Vir svetlobe Oboj: Diuzni oboj rcalni oboj Prehajanje skozi snov: Prosojnost Lom Fluorescenca Fosorescenca Vir svetlobe λ Iealni iuzni oboj (Lambertov oboj): Vpana svetloba se obije (razprši) enako v vse smeri. Lambertova površina je vieti enako svetla iz vseh smeri.

3 Svetloba na površini Svetloba na površini Lambertova površina Obojnost enaka za vse točke na površini ρ albeo > 0 Svetlost ploskve (L) neovisna o kje gleamo I n i L ρ I T n ρ I (i,n) Premet L(P,) Oboj: Diuzni oboj rcalni oboj Prehajanje skozi snov: Prosojnost Lom Fluorescenca Fosorescenca Vir svetlobe λ Svetlost ploskve (L) ovisna o (cosinusa) vpanega kota Svetloba na površini Svetloba na površini Oboj: Diuzni oboj rcalni oboj Prehajanje skozi snov: Prosojnost Lom Fluorescenca Fosorescenca Vir svetlobe λ Oboj: Diuzni oboj rcalni oboj Prehajanje skozi snov: Prosojnost (iuzni preho) Lom Fluorescenca Fosorescenca Vir svetlobe λ Iealni zrcalni oboj je nasprotje Lambertovega oboja. Vpani žarek se obije po enakim kotom (glee na normalo na ploskev) 3

4 Svetloba na površini Svetloba na površini Oboj: Diuzni oboj rcalni oboj Prehajanje skozi snov: Prosojnost Lom Fluorescenca Fosorescenca n 1 sinα 1 n sinα α α 1 Vir svetlobe λ n 1 n Oboj: Diuzni oboj rcalni oboj Prehajanje skozi snov: Prosojnost Lom Fluorescenca Fosorescenca tn Vir svetlobe t1 Do loma prie na meji me snovmi z različno optično gostoto. Lom svetlobe opisuje Snell-ov sinusni zakon (Osnove izike!) Razmisli: kakšna je optična gostota narisane ploskve glee na okolico: [večja/manjša]? Svetloba na površini Svetoba Oboj: Diuzni oboj rcalni oboj Prehajanje skozi snov: Prosojnost Lom Fluorescenca Fosorescenca λ > λ 1 λ Vir svetlobe λ 1 Svetloba je elektromagnetno valovanje. Pojmovanje barve svetlobe je posleica človeškega zaznavanja. Vina svetloba Vijolična Mora elena Rumena Oranžna Reča

5 Svetloba Svetloba Vina svetloba ( nm) Olympus Svetloba akaj zaznavamo vini spekter? Sevanje črnega telesa Sončna svetloba Peter Corke: Robotics, Vision an Control, Springer 013, str 4. Ker sonce seva v tem spektru Oko zaznava svetlobo, ki pae na retino Čepki (angl., cones) Občutljivi na barvo in večje intenzitete (oko ima več kot 6M čepkov) Paličice (angl., ros) Bolj občutljivi, a niso spektralno selektivni ( oko ima več kot 10M paličic) 5

6 Oko Kaj pa občutljivost slikovnega senzorja? Tri vrste čepkov Občutljivi na različne valovne olžine (R, G, B) O tu naprej ni popolnoma jasno kako možgani kombinirajo barvno inormacijo... elo verjetno obstajajo nevroni, ki prožijo na razlike R-G, G-B, B-R. Prav tako se kombinira vse tri kanale v akromatični kanal. olympus Spektralna občutljivost očesa Oko je najobčutljivejše na svetlobo srei vinega spektra. Mora komponenta je bistveno manjša o R in G (ni risana v pravem merilu). Razmerje čepkov: R:G:B 40:0:1 čepki Čepki opravijo iltriranje svetlobe na spektralne pasove Živčni ražljaji pa vzbujajo zaznavanje barv. B G R Slika v barvni kameri Vsak barvni kanal je ena sivinska slika RGB Leča D Senzor R G Paličice so bolj občutljive na valovne olžine bližje rečega ela spektra. npr: i [0,10,10] Bryce Bayer B 6

7 aznavanje(svetlobe) Vina svetloba Bližnjeval. inra reča svetloba (NIR) Dolgoval. inra reča svetloba (FLIR) Teraherčna svetloba (T-ray) Merjenje svetlobe Φ, moč svetlobe, svetlobni tok: Raiometrična enota [W], Fotometrična enota [lm]. 1 W 683 lumnov pri λ 555 nm Gostota svetlobnega toka [W / m ], [lx lm / m ] (lux) E, osvetljenost [W / m ], [lx lm / m ] I, svetilnost [W / sr], [c lm / sr] L, svetlost [W / sr / m ], [c / m ] Svetilo, premet, senzor Merjenje svetlobe Svetilo Senzor E(p) I i n L(P,) Premet L - raiance, luminance E - irraiance, illuminance I - intensity 7

8 Merjenje svetlobe Fotometrična enačba leče (/9) 1 c R 1 m 1 lm/sr 1 lux 1 lm/m A 1 m δ O P θ n L δ Ω O α Ω r A Ω A/r δ Ω I p δ I E Fotometrična enačba leče (1/9) Slika nastane na polagi osvetljenosti slikovnega senzorja (E), ki je posleica izsevane (ali obite) svetlobe telesa (L). anima nas učinek obite svetlobe o površine telesa na svetlobni senzor (CCD), Samo el te svetlobe se obije tako, a jo prestreže senzor. δ O Fotometrična enačba leče (3/9) n P Θ L Ω δφ L E Moč sevane svetlobe v lečo δ Φ L ( P ) Ω ( δ O cos Θ ) 8

9 δ O P Fotometrična enačba leče (4/9) n Θ L Ω δφ δφ δ I p δ Φ E ( p ) δ I P Fotometrična enačba leče (6/9) δ O Θ δ Ω O α δ Ω O δ Ω I Ω δ Ω I δ I p E ( p ) L ( P ) Ω cos Θ Osvetljenost (E) elementa slike (p), (gostota moči) δ O δ I δ Ω O δ O cos Θ ( / cos α ) δ Ω I ( δ I cos α / cos α ) Fotometrična enačba leče (5/9) Fotometrična enačba leče (7/9) P Ω α R A Prostorski kot leče Ω A R /cos α Ω π 4 A R cos α π 3 cos α 4 δ O cos Θ ( / cos α ) δ O δ I δ Ω δ Ω O cos cos δ I cos ( / cos α Θ I α α ) 9

10 E ( p ) Ω Fotometrična enačba leče (8/9) L ( P ) Ω cos π 3 cos α 4 π 4 E ( p) L ( P ) 4 δ O δ I cos α Θ cos cos δ O δ I α Θ F# F # -(eektivna) goriščna razalja leče premer oprtine (zaslonke) V rabi so najrazličnejše oznake: F/1.4, F-1.4, 1:1.4,... Razelki na obročku zaslonke: 1.4,,.8, 4, 5.6, 8, 11, 16,,... π 1 4 E ( p) L ( P ) 4 F # vsakim razelkom se (moč) energija na senzorju razpolovi a enak svetlobi učinek se čas zaslonke (ekspozicije) povoji. cos α Fotometrična enačba leče (9/9) π 4 E ( p) L ( P ) 4 cos α Enačba tanke leče Goriščna ravnina Slikovna ravnina Osvetljenost (angl. illuminance ) slike je sorazmerna svetlosti premeta (angl. brightness ). Osvetljenost paa s četrto potenco cosinusa vpanega kota (cos 4 11 o 0.93, cos 4 o 0.74, cos 4 45 o 0.5) Osvetljenost je ovisna o optične moči leče, števila F# z 1 >> z z Slika/senzor je praktično kar v goriščni ravnini eektivna goriščna razalja 10

11 Povečava leče Obojnost premeta X m x X z Oboj na površini telesa je okaj zapleten pojav. vezo me osvetljenostjo in zaznano svetlostjo opisuje vosmerna unkcija porazelitve obojnosti. BRDF (Bierectional relectance istribution unction). m x X z z x Svetilo E i n r Premet Senzor L(r,) r δ L(r,i, ) (r,i, ) δ E(r,i) Še o otometrični enačbi π 1 α 0, m << 1 E ( p) L ( P ) 4 F # z z α 0, m, m + 1 z z z F # F # F # ( m ' 1 E ( p) π L ( P ) 4 [ F # ( m + 1) ] + 1) Obojnost premeta Posebni vrsti oboja sta: Svetilo rcalni oboj n Diuzni oboj E i Lambertova površina (iuzna) r Svetlost homogene površine je Premet neovisna o smeri opazovanja. T L ρ. E.i. n ρ. E.cosϑ ρ - albeo (koeicient obojnosti) Senzor L(r,) 11

12 Parametri leče Parametri leče Klasična leča: velikost slike premeta je ovisna o razalje o premeta. Depth O Fiel Globinska ostrina FOV DOF Fiel O View Vino polje (zorni kot) Optična moč F# / Focal Lenght Goriščna razalja senzor Ločljivost leče je praktično veno boljša o ločljivosti senzorja (t.j., premer maeža je manjši o velikosti slikovnega elementa) D.44 λ F# Npr.: λ 560 nm, F# 5.6, D 7.6 µm (Ločljivost je kar F#) Parametri leče Parametri leče Vino polje (zorni kot) FOV arctan H Širokokotna leča majhen. H oloča manjša imenzija senzorja. senzor H DOF: globinska ostrina - interval me največjo in najmanjšo razaljo, na katerem je slika ostra 1 DOF F# p m p velikost piksla orni kot leče običajno poa proizvajalec. Je pa v praksi potrebno upoštevati še velikost senzorja. Npr.: m 0., F# 16, p 11 µm, DOF 5 mm (DOF najbolje ugotoviti s poskušanjem) 1

13 Globinska ostrina Nastavek C nastavek in CS nastavek (angl. C/CS mount) Razlika je v potrebni razalji me lečo, to je nastavkom kamere za pritritev leče, in senzorjem. senzor 1.5 mm za CS - nastavek 17.5 mm za C - nastavek Globinska ostrina je ovisna o zaslonke. Pri izbiri kamere in leče je to potrebno upoštevati. Vrste leč Telecentrične leče Ozkokotne (10 o ) Normalnokotne (30 o ) Širokokotne (60 o ->) Fiksne Nastavljive Ročne Avtomatske Motorizirane Stanarne Makro (m 1) Telecentrične C - nastavek CS nastavek F nastavek Vmesni obročki Specialne Integrirane Velikost slike ni ovisna o razalje o premeta Ostrina slike ni ovisna o razalje o premeta (venar le v anem elovnem poročju) aslonka Senzor unanja telecentričnost (na strani premeta) Notranja telecentričnost (na strani senzorja) 13

14 Telecentrične leče Specialne leče Iealno: Ni napake paralakse Ni spremebe velikosti Dejansko: Napaka telecentričnosti Leča z koaksialnim svetilom Ne meče senc Pomembna poatka leče: Delovna razalja (npr. 100 mm) Premer (npr. 70 mm) Poročje telecentričnosti (sprememba razalje, ki povzroči spremembo velikosti slike za µm) Entocentrične leče Leča, ki pouarja učinek perspektive. Velikost slike je še bolj ovisna o razalje o premeta. Prie prav na primer za kontrolo kakovosti (na primer višine) izelkov. Kamere Linijske Matrične Stanarne Inustrijske Črno bele Barvne Analogne Digitalne Pravokoten Kvaraten piksel S prepletanjem Progresivne visoko ločljivostjo visoko hitrostjo Nastavek, C (17.5mm), CS (1.5mm), F Telecentrična leča Entocentrična leča Inteligentne 14

15 Matrične kamere Temno svetlo polje Stanarne velikosti (CCD) senzorja Svetlo polje Temno polje Senzor Normala Svetilo Normala Svetilo Pri izbiri leče je potrebno ormat senzorja upoštevati. Leča je lahko tui za večji ormat, ne pa za manjši. Senzor Svetloba na površini Osvetlitev spreaj Slika je rezultat svetila prizora senzorja Svetlo polje rcalni oboj Diuzni oboj n Temno polje Vpana svetloba Povratni iuzni oboj Stranska Poševna Copyright 000 Illumination Technologies, Inc. Svetlo polje Preho svetlobe Diuzni preho Temno polje Stranska osvetlitev, usmerjena, temno polje, povzroča sence, obleske izboklin, vboklin Poševna osvetlitev, obra za kotrolo ravnosti površin 15

16 Stranska osvetlitev-primer Osvetlitev zvrha Primer: usmerjena osvetlitev s strani Namen: merjenje razalje me kolutoma Pomni: kamera vii rugače kot človeško oko Osvetlitev zvrha, usmerjena ali iuzna, v svetlem polju, ne povzroča senc Koaksialna osvetlitev (poseben primer) primerna za ravne, obojne/vpojne površine (PCB) Dober kontrast Poševna osvetlitev-primer Osvetlitev zvrha - primer Namen: okrivanje površinskih napak napaka svetlo temno Obročasto svetilo pritrjeno na objektiv Namen: preprečitev senc KAMERA SVETILO ploščica napaka POKROV 16

17 Homogena osvetlitev Strukturirana osvetlitev ajemanje 3D oblike (globine) na osnovi D slik Kamera Projektor Svetlobni vzorci Diuzna - homogena osvetlitev ne povzroča senc primerna za obojne nepravilne površine Objekt Homogena osvetlitev-primer Merjenje konkavnosti plošč Diuzor Kamera Obročno svetilo kamera Ploščica Filter 1 laser plošča Vho Filter T Izho Majhen projekcijski kot -> velika občutljivost na spremembo višine plošče 17

18 Merjenje konkavnosti plošč Strukturirana osvetlitev-primer oločimo poročje zanimanja sliko binariziramo Namen: merjenje imenzij - proila izločimo ravne črte Strukturirana osvetlitev-primer Osvetlitev zaaj Namen: kontrola izpraznjenosti oroja laser kamera laser Linearni pogon kamera Slika Globinska slika iuzna, usmerjena, kolimirana neprosojni premeti obris - silhueta aje ostre in stabilne robove prosojne snovi kontrola strukture snovi Vino polje 18

19 Osvetlitev zaaj rcala,... Namen: merjenje imenzij Velike premeti, na katerih nas zanima relativno malo stvari Težko ostopni eli premetov Usmerjena osvetlitev Kolimirana osvetlitev Telecentrična osvetlitev Želimo obiti snop paralelnih žarkov, rešiti problem paralakse. Plošča Plošča rcalo Osvetlitev zaaj svetilo iuzor zaslonka premet Slikovna ravnina Svetilo lleča zaslonka premet Slikovna ravnina 19