Visão Computacional Formação da Imagem lmarcos/courses/visao.
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Visão ComputacionalFormação da Imagem
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Sumário
• Princípios óticos e geométricos na formação de imagens de intensidade
• Natureza de imagens de intensidade, aquisição e modelos matemáticos
Mais sobre visão
Variantes
Mais variantes
Iluminação
• Fontes de luz emitem luz:
– Espectro eletro-magnético
– Posição e direção
• Superfícies refletem luz
– Reflectância
– Geometria (posição, orientação, micro-estrutura)
– Absorção
– Transmissão
– Iluminação é determinada pela interação entre fontes de luzes e superfícies
Significado de cor• O que é uma imagem?
– Irradiância: cada pixel mede a luz incidente num ponto no filme
– Proporcional à integral da radiância da cena que chega àquele ponto
• O que é cor?– Refere-se à radiancia ou irradiância medida em 3
comprimentos de onda diferentes– Cor da cena: radiância vinda das superfícies (para
iluminação)– Cor da imagem: irradiância, para renderização– Quantidades com diferentes unidades, não devem ser
confundidas
Percepção de iluminação
• A luz recebida de um objeto pode ser expressa por
I() = ()L()
• onde () representa a reflectividade ou transmissividade do objeto (albedo) e L() é a distribuição de energia incidente.
• Intervalo de iluminação do sistema visual humano: 1 a 1010
Luminância de um objeto
• A luminância ou intensidade de luz de um objeto espacialmente distribuído, com distribuição de luz I(x, y, ), é definida como:
• V() é a função de eficiência luminosa relativa do sistema visual.
f x y I x y V d, , , 0
Luminância e brilho• Luminância de um objeto é independente da
luminância dos objetos ao seu redor.
• Brilho de um objeto também chamado de brilho aparente, é a luminância percebida e depende da luminância ao redor do objeto.
• Duas regiões com mesma luminância, cujas regiões ao redor de ambas possuem diferentes luminâncias terão diferentes brilhos aparentes.
Tipos de imagens
• Imagens de intensidade– Similar a fotografias– Codifica intensidade, cor– Adquiridas por câmeras
• Imagens de profundidade (range images)– Codifica forma e distância– Adquiridas por sensores especiais (sonar,
câmeras laser)
Características comuns
• Geralmente, matriz 2D de valores (números)
• Conseqüências:– Relação exata da imagem com a cena (física) é
determinada pelo processo de aquisição que depende em última análise do sensor usado
– Qualquer informação contida nas imagens pode ser ultimamente extraída (calculada) a partir de uma matriz 2D na qual está codificada
Parâmetros físicos
• No sistema visual humano, o processo de formação de imagem começa com os raios de luz vindos da cena projetando nos foto-receptores da retina
• Uma variedade de parâmetros físicos afetam a formação das imagens num sistema artificial
Parâmetros óticos
• Caracterizam a ótica do sistema– tipo de lentes;– distância focal;– campo de vista;– abertura angular.
Parâmetros fotométricos
• Caracterizam o modelo da luz que chega ao sensor após reflexão nos objetos da cena– tipo, intensidade e direção de iluminação– propriedades de reflectância das superfícies
visualizadas– efeitos da estrutura do sensor na quantidade de
luz chegando aos fotoreceptores
Parâmetros geométricos
• Posição na imagem na qual um ponto 3D é projetado– tipos de projeção– posição e orientação da câmera no espaço– distorções de perspectiva introduzidas no
processo de imageamento
Outros parâmetros
• Propriedades físicas da matriz fotosensitiva da câmera
• Natureza discreta dos fotoreceptores
• Quantização da escala de intensidade
Ótica básica
• Formação da imagem em VC começa com o raio de luz que entra na câmera através da abertura angular (pupila num humano)
• Raio bate numa tela ou plano de imagem e o sensor fotoreceptivo registra intensidade da luz
• Muitos raios vem de luz refletida e alguns de luz direta
Focando uma imagem
• Qualquer ponto numa cena pode refletir raios vindos de várias direções
• Muitos raios vindos do mesmo ponto podem entrar na câmera.
• Para termos imagens nítidas, todos os raios vindos de um mesmo ponto P da cena devem convergir para um ponto único p no plano de imagem.
Reduzindo abertura
• Apenas um raio de cada ponto entra na câmera
• Imagens nítidas, sem distorções, mesmo à distâncias diferentes
Problemas com pin-hole
• Tempo de exposição longo
• Quantidade mínima de luz
• Difração
Introduzindo um sistema ótico
• Introduz lentes e abertura
• Introduz outros elementos para que um raio vindo do mesmo ponto 3D convirja para um único ponto na imagem
• Mesma imagem que uma pin-hole mas com tempo de exposição bem menor e abertura maior
Lentes finas
Fl Fr
Lente fina
Eixo ótico
f f
Duas restrições básicas
• 1) Qualquer raio que entra no sistema de lentes paralelo ao eixo ótico, sai na direção do foco no outro lado
• 2) Qualquer raio que entra na lente vindo da direção do foco, sai paralelo ao eixo ótico do outro lado
Lentes finas
Fl Fr
Lente fina
Eixo ótico
f fZ z
P Q
R
OS
p
s
Modelo básico
• Propriedade 1) a PQ e propriedade 2) a PR
• Defletem para se encontrar em algum ponto do outro lado
• Uma vez que o modelo de lente fina foca todos os raios vindos de P convergem para o mesmo ponto, PQ e PR se intersectam em p
Equação fundamental
• Usando similaridade entre os pares de triângulo (<PFlS>, <ROFl>) e (<psFr>, <QOFr>), obtém-se:
Zz = f2
• Fazendo Z´=Z+f e z´= z+f, encontramos:
1 /Z´ + 1/z´ = 1/f
Campo de vista
• Seja d o diâmetro efetivo das lentes (periferia pode não ser visível)
• Juntamente com f, determinam o campo de vista:
tan w = d/(2f)
• metade do ângulo subentendido pelo diâmetro, visto a partir do foco