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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa
Proceso deFormacion de Imagenes
Leccion 02.1
Dr. Pablo Alvarado Moya
CE5201 Procesamiento y Analisis de Imagenes DigitalesArea de Ingenierıa en Computadores
Tecnologico de Costa Rica
I Semestre, 2017
P. Alvarado — TEC — 2017 Formacion de Imagenes 1 / 32
Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa
Contenido
1 Conceptos de formacion de imagenes
2 Fuentes de energıaEnergıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa
¿Por que revisar la formacion de imagenes?
Mientras mas controlado sea el proceso de formacion de imagen⇓
menor complejidad algorıtmica para alcanzar un objetivo
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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa
Cuatro elementos de la formacion de imagenes
z
x y
y’
x’
Fuente de energıa
Imagen/SensorObjeto Camara
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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa
Configuracion de escena
La interaccion de los cuatro elementos
fuente(s) de energıa
objeto(s)
camara
sensor
en una determinada configuracion de escena determinan
1 calidad de la imagen y
2 factibilidad de rescate de informacion del entorno a partir deimagen
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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa
Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
1. Fuentes de energıa
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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa
Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Fuentes de energıa
Las fuentes de energıa se eligen de modo que extraigan lainformacion buscada del entorno:
Energıa acustica
Energıa cinetica en haces de partıculas
Energıa mecanica en barrido por contacto
Energıa electromagnetica
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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa
Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Fuentes de energıa
Las fuentes de energıa se eligen de modo que extraigan lainformacion buscada del entorno:
Energıa acustica
Energıa cinetica en haces de partıculas
Energıa mecanica en barrido por contacto
Energıa electromagnetica
P. Alvarado — TEC — 2017 Formacion de Imagenes 7 / 32
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
1.1 Energıa acustica
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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa
Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Energıa acustica
Choudhary et al. 2007
Imagen de ultrasonido de un hombro lesionado
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Energıa acustica
Ondas longitudinales mecanicas:
Compresion
Decompresion
λ
Transductor
Direccion de Propagacion
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Energıa acustica (2)
Compresion
Decompresion
λ
Transductor
Direccion de Propagacion
Presion isotropica ⇒ ondas acusticas longitudinales
Compresion uniforme
Deformaciones en direccion de propagacion
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Energıa acustica (3)
ρ : densidad local
ρ0 : densidad estatica
p : presion local
u : rapidez del sonido
βab : compresibilidad adiabatica: βad = − 1
V
dV
dP
Ecuacion de onda
∂2ρ
∂t2= u2∆ρ,
∂2p
∂t2= u2∆p con u =
1√ρ0βad
A menor densidad y comprensibilidad ⇒ mayor rapidez sonica
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Rapidez u del sonidoEn funcion de la temperatura T en Celsius
Medio Rapidez u[m/s]
Aire (0◦C < T < 20◦C) 331,3√
1 + T273,15◦C
Agua (0◦C < T < 100◦C) 1402,39 + 5,04T + 0,058T 2
Sangre 1570Grasa 1465Musculos 1529-1580Huesos 2650-4040
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Longitud de onda
λ =u
f
Pero u depende del material y temperatura
Ejemplo 1:
Longitud de una onda acustica de 3 kHz en el aire
Aproximadamente 10 cm
Ejemplo 2:
Longitud de una onda acustica de 3 MHz en musculoAproximadamente 0,5 mm
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Longitud de onda
λ =u
f
Pero u depende del material y temperatura
Ejemplo 1:
Longitud de una onda acustica de 3 kHz en el aireAproximadamente 10 cm
Ejemplo 2:
Longitud de una onda acustica de 3 MHz en musculoAproximadamente 0,5 mm
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Longitud de onda
λ =u
f
Pero u depende del material y temperatura
Ejemplo 1:
Longitud de una onda acustica de 3 kHz en el aireAproximadamente 10 cm
Ejemplo 2:
Longitud de una onda acustica de 3 MHz en musculo
Aproximadamente 0,5 mm
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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa
Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Longitud de onda
λ =u
f
Pero u depende del material y temperatura
Ejemplo 1:
Longitud de una onda acustica de 3 kHz en el aireAproximadamente 10 cm
Ejemplo 2:
Longitud de una onda acustica de 3 MHz en musculoAproximadamente 0,5 mm
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Ultrasonido en aplicaciones medicas
Hipersonido
Rango de diagnostico medico
Ultrasonido
Rango audible
Infrasonido
0
1
10
102
103
104
105
106
107
108
109
f [Hz]
Rango medico: 3 MHz a 10 MHz.
Longitudes de onda en tejido entre500 µm y 150 µm
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Energıa acustica: Deteccion
Reflexion ocurre solo si objetos > longitud de onda λ
⇒ detalles observables dependen de λ = u/f
mientras mas pequena λ (mayor f ) mayor detalle observableen un mismo medio (u cte)
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Principio de funcionamiento
a
Transductor
Cuerpo
∆r
∆θ
Campo visual θ
rmax
apertura a
pulsos de duracion∆t cada T
⇒ ancho espacial∆r = u∆t
T limita profundidadmaxima rmax = uT/2
disipacion energetica∝ frecuencia f
mayor frecuencia ⇒menor profundidad!
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Resolucion axial
Sea r(t) un pulso rectangular dado por
r(t) =
{1 si − 1 ≤ t ≤ 1
0 en el restoF {r(t)} = saω
Sea p(t) un impulso acustico de duracion ∆t modulado confrecuencia fc
−∆t/2 ∆t/2
cos(2πfct)
t
∆t
p(t)
p(t) = r
(2
∆tt
)cos(2πfct)
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Espectro de impulso acustico
Con propiedades de escalamiento y modulacion:
P(jω) =∆t
4
[sa
(∆t
2(ω + ωc)
)+ sa
(∆t
2(ω − ωc)
)]P(j2πf ) =
∆t
4[sa (π∆t(f + fc)) + sa (π∆t(f − fc))]
P (j2πf)
−fc fc
B
f
B = 2/∆t
Mayor resolucion axial(menor ∆t) ⇒ mayor anchode banda B
Ancho de pulso no puede serinferior a 1/fc
fc ≥ B2
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Resolucion angular
r(y)
d
θ
θx
y
p(t)
P
a2
−a2
α
Infinitos emisores esfericos emiten pulso p(t)
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Senal total sobre punto P
S(t) =
∫ a/2
−a/2cos
[2πfc
(t − r(y)
u
)]dy
r(y)/u es tiempo que tarda pulso emitido en y para alcanzar PSe cumple asumiendo que d � a que α ≈ 90◦ y
S(t) ∝ a sa [πfca sen θ/u]
con lobulo principal de ancho
∆θ = 2 arc sen
(u
afc
)Resolucion angular mejora si aumenta a o fc
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
1.2 Energıa cinetica
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Haces de partıculas
6000× Laboratorio de Nanotecnologıa, ITCR
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Haces de partıculas
2500× Laboratorio de Nanotecnologıa, ITCR
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Haces de partıculas
0500× Laboratorio de Nanotecnologıa, ITCR
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Haces de partıculas
0150× Laboratorio de Nanotecnologıa, ITCR
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Haces de partıculas
0080× Laboratorio de Nanotecnologıa, ITCR
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Haces de partıculas
0050× Laboratorio de Nanotecnologıa, ITCR
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Comportamiento como onda
Se aprovecha comportamiento de haces de partıculas comoondas
f = E/h, λ = h/m
λ hasta 3 ordenes de magnitud menores que luz visible
Factores de amplificacion entre 10 – 750000, con resolucionesen el orden de 1 nm (SEM, TEM)
Video: TEM
Video: SEM
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
SEM contra TEM
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
1.3 Energıa mecanica
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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa
Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Barrido por contacto
Resoluciones en el orden de fracciones de nanometro(Mas de 1000× mayor que lımite de difraccion optico)
Ejemplos:
AFM (Atomic Force Microscope)STM (Scanning Tunneling Microscope)
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Microscopio de Fuerza AtomicaAtomic Force Microscope (AFM)
Muestra
Laser
Fotodiodo
Micropalanca
Escáner piezoeléctrico
Sistema de medición y
control
Wikipedia
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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa
Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Microscopio de Fuerza AtomicaAtomic Force Microscope (AFM)
Nanotubos de CarbonoJ.S. ChavesLaboratorio de Nanotecnologıa, ITCR
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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Microscopio de Efecto TunnelScanning Tunneling Microscope (STM)
biloculas.net
Video: Efecto tunel
Video: STM
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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa
Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
Microscopio de Efecto TunnelScanning Tunneling Microscope (STM)
GrafenoJ.S. ChavesLaboratorio de Nanotecnologıa, ITCR
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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa
Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto
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© 2005-2017 Pablo Alvarado-Moya Area de Ingenierıa en Computadores Instituto Tecnologico de Costa Rica
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