Princip pořízení obrazu – P1
Optická soustava Optická vinětace objektivu
Optická soustava Mechanická vinětace objektivu
Optická soustava Hloubka ostrosti – závislá na použitém objektivu, velikosti pixelu a nastavené cloně
Optická soustava Další vady : • Chromatická aberace (kompenzace LD členy – nízkorozptylová skla) • Geometrické zkreslení – hlavně soudkovitost • Zpětný odraz od okolí senzoru – hlavně digitální zrcadlovky • Přirozená vinětace – čím větší úhel lomu, tím větší útlum
princip aberace
Senzor Hlavní funkce – převod světelného „signálu“ na elektrický
Využití vlastností fotoelektrického jevu v polovodičích Fyzikální omezení – energie fotonu, velikost pixelu kontra vlnová délka, rozlišení senzoru, citlivost, vinětce čipu
Spektrum světla – sluneční záření
Citlivost CCD kamer
Sony – ICX285AL – B&W HDTV, progressive scan, 1300x1030
Sony – ICX285AQ – color HDTV, progressive scan, 1300x1030
Spektrum světla – sluneční záření
Citlivost lidského oka
Citlivost CCD kamer
Sony – ICX285AL – B&W HDTV, progressive scan, 1300x1030
Sony – ICX285AQ – color HDTV, progressive scan, 1300x1030
Rozdělení kamer Dle technologie • CMOS • CCD Dle struktury • Řádkové (běžně 7500pix) • Plošné (běžně 3Mpix) Dle spektrální citlivosti • Černobílé • Barevné (řádkové – 3x CCD out) • Speciální (UV, infra)
Rozdělení plošných kamer • S barevným kódováním • Se třemi výstupy (RGB) Barevné - dle systému barevného kódování • Aditivní barevný model (Bayer) • Subtraktivní barevný model
Aditivní model
Subtraktivní model
Rozdělení plošných kamer Dle struktury • Čtvercové • Hexagonální • Jiné
Způsob vyčítání náboje
CCD čip + Linearita: CCD senzory pracují na principu přeměny fotonu na pár elektron-díra a integrování získaného náboje. + Nízký šum: je dán integrační povahou měření. Nechlazený čip při televizním vyčítání má SNR asi 60 dB. + Účinnost: Současné senzory mají vysokou účinnost asi 40% – Vyčítání: jen celého čipu najednou. – Rychlost: horizontální pixelové hodiny zpravidla do 30MHz – Omezený rozsah intenzit: je dán maximální kapacitou jednotlivého kondenzátoru.
CMOS čip + Logaritmická citlivost: CMOS senzory pracují na principu fotodiody. Měří se protékající proud v okamžiku vyčítání. + Vyčítání: lze v jakémkoliv pořadí, např. můžeme číst pouze oblast zájmu (přímé adresování). + Kamera i procesor na 1 čipu: CMOS technologie je dobře zvládnutá (procesory, paměti). Chytrá kamera (smart camera). – Vyšší šum – Nižší citlivost šum – Rychlost i 150MHz
Senzor – shrnutí degradace – Ztráta rozlišení, maximální detail – Shannon-Kotelnik – Ztráta světelného spektra, barvy – Přidání šumu – Rozmazání obrazu pohybujícího se objektu vlivem délky expozice
ADC - digitalizace • Převod elektrického (spojitého?) signálu do digitální podoby • Platí zde pravidla pro digitalizaci jako pro obecný spojitý signál • Elektrický signál není spojitý ve smyslu nosné informace – volba vzorkovací frekvence podle rozlišení senzoru Degradace • Kvantování – omezený počet úrovní (volit s ohledem na kvalitu vstupního signálu a požadavky na pozdější zpracování) • Aditivní šum
Zpracování obrazu – ZV smyčka
Regulátor i senzor (zpracování obrazu)
Zpracování obrazu Cílem je nalézt analytický popis reálné scény
3 základní kroky • Předzpracování • Detekce objektů nebo relevantních příznaků • Klasifikace příznaků, reprezentace výsledku
Předzpracování Cílem je připravit a „vylepšit“ data takovým způsobem, aby byla snáze použitelná pro další operace geometrické transformace – potlačení zkreslení jasové transformace - zvýšení kontrastu zájmových kvantizačních hodnot, gama korekce, ekvalizace histogramu, logaritmické korekce, eliminace vinětace čipu a objektivu základní filtry, konvoluční masky - filtrace šumu, vyhlazování, detekce hran, morfologické operace prostorové transformace – přechod mezi matematickými modely scény
Detekce příznaků Cílem je nalézt relevantní informace v obraze. Prvky příznakového vektoru musí splňovat tyto tři základní kriteria : • nezávislost – při změně jednoho příznaku není v podstatné míře změněna hodnota jiného příznaku • spolehlivost – hodnota příznaku se nesmí významně lišit pro různé objekty spadající do stejné skupiny (třídy) • diskriminantnost – hodnota příznaku se musí významně lišit pro objekty spadající do odlišných skupin (tříd)
Návrh detektoru – vždy s přihlédnutím k charakteru obrazu, často nutnost znalosti širších souvislostí, zkušenosti
Klasifikace příznaků, reprezentace výsledku Cílem je z předložených příznaků reprezentovat výsledek, klasifikovat typ objektu…
Typy klasifikátorů • • • •
Statistický Plavidlový, syntaktický Neuronový …
Výstup z klasifikátoru – samotná zkoumaná veličina analyticky nebo numericky popsaná, nyní je možné navrhnout regulátor nebo s daty dále pracovat.
Zpracování obrazu – celý popsaný řetězec plní funkci senzoru měřené veličiny
V které fázi dochází k největší ztrátě informace? Na co se zaměřit?
Finty při pořizování obrazu Monochromatický filtr - může potlačit okolní osvětlení, sníží vliv barevných vad. Polarizační filtr - odstraní nebo vybere polarizovaný obraz (například odlesk krycího skla přístroje). Synchronizace expozice se stroboskopickým osvětlením – kratší expoziční doba, potlačení vlivu okolního světla. Použitelné s LED a výbojkami
Použití polarizačního filtru proti efektu reflexe. Další příklad – eliminace odlesků na automobilu
Kamery – z hlediska vlastností Rozlišení čipu – od PAL (televizní - 768x576) až po 81MPix (Fairchild Imaging) Citlivost čipu – [V/lx*s] Spektrální citlivost Velikost čipu – zpravidla 1/4“, 1/3“, 1/2", 2/3“ Velikost pixelu – čtverec, obdelník (hlavně u řádkových kamer)
Kamery – výstup Analogové rozhraní – prokládané, neprokládané (zpětná kompatibilita s TV normou)
Kamery – digitální výstup Camera-Link – fyzická vrstva je založena na LVDS (low voltage differential signaling). V praxi je využíváno hlavně pro nejnáročnější aplikace, hlavní nevýhodou jsou cena a maximální délka kabelu 10 metrů. USB (Universal seriál bus) – je univerzální sériová sběrnice pro připojení periferií. Verze USB 2.0 umožňuje díky teoretické rychlosti až 480Mbit/s připojit zařízení náročnější na datový přenos, jako jsou právě kamery. Maximální délka kabelu bez opakovače je 5 metrů. Velkou nevýhodou je konstrukce řadiče, který není vybaven podporou DMA přenosu – data musí přejít přes procesor počítače, čímž roste jeho vytížení. FireWire – rychlá sériová linka vyvinutá firmou Apple a později převzata jako standard pro komunikaci periferních zařízení (fotoaparáty, kamery, datová úložiště…). Díky konstrukci řadiče, který podporuje DMA přenos dat, je vhodnější než USB. Teoretická rychlost je 400Mbit/s (1394a) nebo 800Mbit/s (1394b). Maximální délka kabelu bez opakovače je 4,5 metru.
Gigabitový ethernet – je dnes již standardem, který svými vlastnostmi v mnohém předčí ostatní digitální rozhraní. Díky masivnímu nasazení v oblasti lokálních sítí jej výrobci zařadili i do portfolia různých zařízení – kamery, tiskárny, síťová úložiště. Metalickým kabel 1Gbit třídy kat6e až do vzdálenosti 100 metrů. Nízká cena všech komponent.
Literatura, zdroje
R. Gonzalez and R. Woods Digital Image Processing, Addison-Wesley Publishing Company, 1992, R. Haralick and L. Shapiro Computer and Robot Vision A. Jain Fundamentals of Digital Image Processing, Prentice-Hall, 1986. http://homepages.inf.ed.ac.uk http://cmp.felk.cvut.cz/ D. Vernon Machine Vision, Prentice-Hall, 1991
