Tecnologías para adquisición de imágenes Bloque 2

Tecnologías para adquisición de imágenes
Bloque 2
Profesor: Manuel Rivas Pérez
Despacho: F061
Horario de tutorías:
– Lunes de 16:00h a 18:00h
– Miércoles de 10:00h a 12:00h
– Viernes de 11:00h a 13:00h
E-mail: mrivas ’arroba’ atc.us.es
Cámaras Fotográficas: Clasificación I
1. Compactas de 35mm (incluyendo las desechables)
•
Menor peso (carece de penta prisma)
•
Error de paralaje (a distancias cortas)
2. A.P.S. (Advanced Photo System).
•
Más pequeñas que las de 35mm.
•
Cambio de película a la mitad de rollo,
indicadores de estado, impresión de datos, etc.
3. Cámaras instantáneas
•
Película autorevelable (Polaroid)
4. Réflex (SLR de 35 mm)
•
Las más sofisticadas y versátiles.
•
Visor pentaprisma , ópticas intercambiables…
•
Muy utilizadas en fotografía científica y profesional.
•
Son de mayor tamaño, peso y de difícil manejo.
Cámaras Fotográficas: Clasificación II
5. Cámaras digitales
• Actualmente las más vendidas.
• Más caras que las de película.
• Mayor comodidad… (almacenamiento…)
6. Cámaras especiales
• Panorámicas (gran ángulo de visión..hasta 360º)
• Submarinas
• Aéreas (satélite, cartografía..)
• Espía (uso científico y militar)
Cámaras Fotográficas
• Existen otros muchos tipos de dispositivos de captura,
usados con imágenes de información no luminosa.
• Ejemplos.
Imagen de ultrasonidos
(ecografía)
RMN
Resonancia
Cámaras de película: Estructura
· Aunque existen diferencias estructurales entre ellas, todas las cámaras
modernas se componen de los siguientes elementos básicos
Cuerpo
Obturador
Diafragma
Objetivo
· Estos elementos se encargan de exponer la
controlada a la luz
película
de manera
Cámaras de película: Estructura
OBJETIVO (Sistema de lentes): Es un conjunto de lentes ópticas de cristal,
que permiten al fotógrafo:
- Enfocar una imagen sobre la película consiguiendo una imagen más
nítida. determina la profundidad de campo (anillo de enfoque)
- Aumento (zoom): establecer el ángulo de visión y la distancia
focal.
OBTURADOR:
OBTURADOR es un dispositivo mecánico, que sólo deja pasar la luz a la
cámara durante un cierto tiempo de exposición. (= Velocidad)
– Se encarga de:
• Control de la luminosidad.
• Congelación del movimiento
– Se mide en segundos. Lo habitual en fotografía
es ~1/125 s.
– Problema: si el tiempo es muy grande, la imagen
puede aparecer movida
Cámaras de película: Estructura
DIAFRAGMA:
DIAFRAGMA es una abertura circular situada detrás del objetivo que
funciona en sincronía con el obturador para dejar pasar la luz a la cámara.
– Se encarga de:
• Control de la luminosidad
• Control de la zona de nitidez
PP
P
P
’
P’
Círculo de confusión
– Esta abertura puede ser fija, o regulable.
PELÍCULA:
CULA material fotosensible, formado por haluros de plata.
– Se descompone al recibir dosis de radiación electromagnética, formando un
germen de plata metálica-> La imagen en negativo.
– La sensibilidad de los foto-detectores se miden por su valor ISO. Desde
3200 ISO (muy sensible) hasta 50 ISO (poco sensible
Cámaras de película: Funcionamiento
• La luz penetra por el objetivo.
• Atraviesa el diafragma, regulando
su entrada.
• La lente enfoca la imagen hacia la
película.
• El obturador se abre permitiendo la
entrada de luz.
obturador
diafragma
• La imagen llega invertida a la película
quedando impresionada en ésta.
imagen
invertida
• El obturador se cierra controlando así la
exposición de la película.
película
lente
objeto
Cámaras de película
Globo ocular Cuerpo de la cámara
Cristalino Lente
Pupila (Iris) Diafragma
Retina Película (Material fotosensible)
Ojo
Cámara
Imágenes Tridimensionales
Imágenes bidimensionales
sensibilidad variable
sensibilidad fija (película fotograf.)
Alta capacidad de enfoque
Limitada capacidad de enfoque
Visión selectiva
Enfoca lo 1º que puede (lo +cerca)
Cámaras digitales
• Una cámara digital usa un sensor electrónico (CCD ó CMOS) en vez
de una película para transformar las imágenes en datos electrónicos.
• Almacenan los datos en tarjetas
de memoria y permiten conectarse
vía usb, firewire, bluetooth ó
wifi.
Se clasifican en:
- Cámaras fotográficas digitales estándar (Digicams):
- reúne a la mayoría parte de las cámaras.
- Muy sencillas de usar: autofoco…
- Gracias a su tamaño poseen una distancia focal muy corta.
- Cámaras réflex digitales (DSLR):
- Similares a las SLR permitiendo usar los mismos objetivos.
- El sensor de imagen es de mayor tamaño (mayor calidad de
imagen y mayor sensibilidad al menor ruido)
Cámaras digitales: Funcionamiento
• La apertura del obturador permite el paso
de luz
• Laz luz incidente es filtrada mediante
filtros de color.
• La luz filtrada es transformada en cargas
eléctricas mediante el CCD (matriz de
celdas sensibles a la luz).
• El obturador se cierra bloqueando la
entrada de luz.
• Las cargas del CCD son transferidas al
ADC como señales eléctricas.
• El ADC digitaliza las señales
(cuantificación).
• El DSP las procesa para su posterior
almacenamiento en memoria.
Cámaras digitales: Zoom
• Zoom óptico: Objetivo multifocal (que permite variar la distancia focal) o
lo que es lo mismo, es un objetivo que combina diferentes distancias
focales. Acerca o aleja el objeto que queremos fotografiar.
• Zoom digital: es un simple proceso que consiste en recortar la imagen y
aumentarla mediante un sistema de interpolación. El zoom digital no
mejora la información ni la calidad de las imágenes, sino todo lo contrario.
Podríamos realizar la misma operación a posteriori con cualquier programa
de tratamiento de imágenes.
Con zoom digital
Con zoom óptico
Cámaras Digitales
• ¡OJO! la imágenes capturadas por una cámara no
siempre corresponden a lo que ve el ojo humano pues
los chips CCD y los CMOS son sensibles a la
radiación infrarroja... (Ej: la emitida por un mando a
distancia.)
Cámaras Digitales: Filtros
• El detector es independiente del color
Filtros de color (microfiltro).
• Distribución típica de los filtros de color
en el CCD (patrón de Bayer).
• En el ojo humano existe el
doble de detectores de verde
que de rojo y de azul, por tanto,
es mucho más sensible al verde.
Cámaras Digitales: Sensores
• Sensores más utilizados
– CCD (cámaras digitales, fotos y vídeo)
• Más sensible a la luz.
• Mejor color e imágenes más realzadas.
• Mejor calidad.
– CMOS (vídeo vigilancia, Webcams)
• Más baratos.
• Más rápidos.
En cada aplicación la mejor opción puede ser
diferente.
Cámaras Digitales: CCD
•CCD: Charge-Coupled Devices (Dispositivo de cargas
interconectadas)
• Los más populares son los basados en Se han
impuesto en muchos
ámbitos: fotografía digital,
vídeo digital, cámaras de TV,
astronomía, microscopía,
escáneres, etc.
– Utilizan sensores de silicio.
– El CCD es un chip que integra
una matriz de fotodetectores.
CCD: Funcionamiento I
• El CCD está construido en un
semiconductor de silicio.
• Cuando llega un fotón, el
semiconductor libera electrones.
• Cada celda es un pozo, que
acumula los electrones que han
saltado (similar a un
condensador).
• El nº de electrones es
proporcional a la intensidad de
luz.
CCD: Funcionamiento II
• ¿Cómo se leen los valores de los píxeles?
• Hay un desplazamiento de la carga de los pozos,
hasta salir por un extremo.
Desplazamiento
de filas
Registro serie
Desplazamiento de píxeles
• Esto es el llamado “full frame CCD”.
Salida
CCD: Funcionamiento III
Controlador de
A/D
Amplificador
Placa de circuito de la Cámara
Regulador de lectura
Generador de
impulsos para la
cámara
Fuente de energía
líneas
Sensor CCD
CCD: Limitaciones I
• Pero también tienen sus limitaciones:
Mayor cuanto peor es la cámara
QUICKCAM PRO
SONY DFW500
– Corriente oscura (dark current): los electrones saltan al
llegar un fotón, pero también pueden hacerlo por el calor.
– Campo de estrellas: las imperfecciones provocan algunos
píxeles con alta corriente oscura. Aunque no llegue luz,
aparecen iluminados.
CCD: Limitaciones II
Ruido fotónico:
debido a la
naturaleza cuántica
de la luz. Es mayor
con escasa
iluminación.
Rebosamiento
(blooming): cuando
un pozo se llena de
electrones, se
desparrama su
contenido a los
píxeles cercanos.
CCD: Ventajas
•Los CCD se utilizan por que…
• Son dispositivos extremadamente lineales y
por lo tanto efectúan una conversión
directamente proporcional a la cantidad de
carga acumulada.
• La relación señal/ruido es muy buena, por lo
que la señal producida es muy limpia.
CCD: Super CCD de Fuji
• Distancia menor entre
las direcciones hor. y
vert.
• Mayor resolución hor.
y vert.
• Especialmente
ventajoso para
entornos de malas
condiciones de luz
• CCD’s mas pequeños
SENSORES: CMOS I
• CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor.
– También basados en semiconductores de silicio.
– Diferencia con CCD: cada píxel incorpora su propia circuitería,
se pueden leer y seleccionar independientemente (sin
necesidad de desplazamientos).
A/D
Controlador de
líneas
Amplificador de líneas
Unidad de lectura vertical
Unidad de lectura horizontal
Generador de
impulsos para la
lectura
Fuente de energía
Puerto de
conexión
Fuente de energía
SENSORES: CMOS II
Convertidor de corriente/tensión sobre cada píxel
Placa de circuito
de la Cámara
Sensor CMOS
SENSORES: CMOS III
• Ejemplo. Aplicación en foto-finish.
Capturado
aprox. a 1.000
columnas por
segundo.
http://www.swatch.com/sport
szone/olympics2004/doc/ath
ens2004/at_photofinish.php
CMOS: Ventajas e inconvenientes
• Ventajas:
–
–
–
–
–
Mayor rapidez en las capturas (lectura simultánea mayor)
Menor consumo
Más económicas
Disminuye el blooming considerablemente.
Requiere menos circuitería externa (pues en CCD los e- son
transportados a exterior).
• Inconvenientes:
– Menos superficie de luz por pixel Necesitan más luz.
– Aparecen irregularidades en la intensidad para la misma luminosidad
en diferentes puntos (interferencias y ruido).
• Las cámaras fotográficas digitales suelen usar CCD.
• Las cámaras de videoconferencia suelen usar CMOS, aunque las de
más calidad usan CCD.
• Las diferencias entre unas y otras son cada vez menores.
Escáneres
Definición: periférico de entrada de datos que se utiliza para convertir,
mediante el uso de la luz, originales (principalmente en papel) a formato
digital (por ejemplo texto, imagen fijas...) para su posterior manipulación.
•Las dos utilidades básicas de un escáner son:
- La obtención de imágenes de tipo
fotográfico que posteriormente se pueden
tratar y modificar mediante programas
adecuados.
- La obtención de textos que más adelante
se pueden modificar y tratar a través de unas
aplicaciones denominadas OCR
(Reconocimiento Óptico de Caracteres).
• Es como dotar del sentido de la vista a
nuestro ordenador personal.
Escáneres: Clasificación
• De sobremesa: El documento permanece apoyado
y lo que se desplaza es la fuente de luz.
– Es el tipo más versátil y se utilizan para los
objetos planos.
– Sus precios pueden variar de acuerdo con la
resolución de la imagen, normalmente no se
necesita adquirir uno de un costo tan alto
• De tambor rotatorio (rodillo): Un rodillo de
goma arrastra la hoja pasando por el elemento
capturador de imagen (fuente de luz fija).
– Son relativamente modernos, se basan en un
sistema muy similar a los fax.
• De mano: el desplazamiento de la fuente de luz se
hace manualmente sobre el documento.
– Es el menos costoso y actualmente está en desuso.
Escáneres: Características
• Resolución: grado de exactitud con el que se puede realizar el análisis de la
imagen. Se mide en puntos por pulgada.
- Los fabricantes indican dos tipos de definición:
- Óptica: determinada por el número de elementos CCD y la resolución
de la lente..
- Interpolada: se obtiene mayor números de ppp generando a posteriori
puntos intermedios. Utilizado por los fabricantes para aumentar sus
ventas.
- El software permite seleccionar la resolución a utilizar aunque debe tenerse
cuidado para evitar ficheros innecesariamente grandes (suelen oscilar desde
75 a un máximo de 2400).
• Profundidad de análisis de color: se expresa en número de bits.
- 8 bits, se obtendrías una imagen de 256 tonos de grises
- 24 bits (8 bits por componente de color) hasta 16'7 millones de colores.
- 30 bits, permite sobrepasar los mil millones de tintas.
- 36 bits.
• Existe una relación directa entre la resolución de la imagen y su número de
colores, con el tamaño del fichero de imagen resultante de la acción de escanear.
Escáneres: Funcionamiento I
•El fondo es de color uniforme que la
aplicación puede usar como punto de
referencia para determinar el tamaño del
documento automáticamente.
• La lámpara utilizada para iluminar el
documento puede ser:
-Fluorescente de cátodo frío.
-De xenon
•La imagen del documento se refleja en los
espejos.
•Puede contener dos o tres espejos y están
curvados para enfocar la imagen en una superficie
menor.
•El último espejo refleja en la lente quien enfoca la
imagen a través de un filtro en el CCD.
•La cabeza (formada por espejos, lentes, filtros y el
sensor) se desplaza lentamente gracias a un moto
paso a paso.
Escáneres: Interfaz Twain
• Norma que se definió para que cualquier escáner pudiera ser
usado por cualquier aplicación compatible con twain de una
forma estandarizada e incluso con la misma interfaz para la
adquisición de la imagen independiente de su fabricante.
• Los fabricantes sólo deben preocuparse de proporcionar el
controlador TWAIN apropiado, generalmente en versiones para
Windows 9x, NT y a veces 3.x. Desgraciadamente, sólo los
escáneres de marca relativamente caros traen controladores
para otros sistemas operativos como OS/2 o Linux.
Impresoras: Clasificación
• De semitonos: genera la gama de colores agrupando puntos de colores
primarios
– Matriciales: Similar a una máquina de escribir pero con una cabeza de
agujas que punzan sobre la cinta formando el carácter. (60-90 ppp)
– De chorro de tintas: con pequeñísimos microtubos con diámetro
inferior a un cabello humano (50um) por donde arrojan pequeñas gotas
de tinta que se dispersan al tocar el papel.
– Térmicas: el cabezal está fijo y ocupa el ancho del papel a imprimir.
Los puntos que entintan el papel son producidos por elementos
puntuales que actúan por calor, derritiendo puntos de una cera sólida
que recubre una cinta multicolor.
– Electrofotográficas (Láser): el papel es magnetizado con un polvotinta muy fino que al ser fundido con un haz láser crean un documento
de alta calidad (similar al de una fotocopiadora).
Impresoras: Clasificación
• De tonos continuos: realizan la mezclan de colores y su calidad es similar
a la obtenida en fotografía con sales de plata.
– Térmicas por difusión de tinta: en la cual el colorante de la
supercinta se funde sobre el papel, produciendo colores más densos a
mayor temperatura. Así es posible generar 256 colores en los puntos
impresos.
– Filmadoras de películas: Utilizado en presentaciones en diapositivas o
cuando se desean impresiones de alta calidad. Se basan en un rayo láser
para producir la imagen que actúa sobre una película fotosensible o
bien con un papel con una capa de resina para su posterior procesado.
– Impresoras en papel fotográfico: la impresora ilumina con la imagen
el papel fotográfico. Se obtiene una gran calidad pero el papel es muy
costoso.
Impresoras: El modelo de color CMYK
•Dos formas de mezclar colores:
- Síntesis aditiva del color:
• Se basan en el modelo de color RGB.
• Implica la emisión de luz.
• Las longitudes de onda de cada color se suman.
- Síntesis sustractiva del color:
• Utilizan el modelo de color CMYK
• Explica la teoría de la mezcla de tintas, etc…
• Se basan en la absorción de las longitudes de ondas
de la fuente externa que la ilumina.
• Los colores primarios CMYK absorben las ondas
de los complementarios Cada color primario posee
un complementario
- Ej: el color rojo no lo vemos por la emisión de
luz roja (pues de ser así se vería en la oscuridad)
sino por la ausencia de cyan.
Impresoras: Semitonos
• En una imagen impresa
normalmente está realizada
por una trama de semitonos
compuesta de una mezcla
de diminutos puntos que
varían en tamaño.
•Para controlar estas agrupaciones se definen
celdas de semitonos.
•Una celda de semitonos de 4x4 genera 17 niveles
de grises. Una impresora de 300 dpi contiene 75
celdas de 4x4 en cada dirección.
•Cada celda de semitono corresponde a un pixel de
17 niveles de grises
•En imágenes a color es aún más complejo pues las
celdas de semitonos por cada color se superponen.
•Para evitar el efecto moire las celdas están giradas
un determinado ángulo.
C:15º, M:75º, Y:0º , K:45º
Impresoras de inyección: funcionamiento
• Por burbuja tinta
– Tecnología usada por canon y HP
– Cada inyector tiene un calentador
que vaporiza una burbuja de tinta.
– La burbuja se expande desplazando
una gota de tinta y proyectándola
contra el papel.
• Por un Piezoeléctrico:
– Posee un cristal piezoeléctrico en la
parte trasera del depósito de tinta de
cada inyector.
– Cuando el cristal recibe una pequeña
carga eléctrica vibra.
– Esto provoca que una pequeña
cantidad de tinta salga por el inyector
Impresoras de inyección
• ¿Por qué son tan caras las tintas?
– Los fabricantes venden las impresoras de
chorro de tintas muy baratas (incluso con
pérdidas).
– Añaden chips inteligentes a los cartuchos que
obliga la compra de consumible originales.
• ¿Cómo influye el papel utilizado?
– Factores que afectan a la calidad de la imagen
cuando usamos un papel estándar
• Brillo: Determinado por la rugosidad del
papel. Un papel liso refleja mejor la luz, y
por tanto la imagen impresa parece más
brillante.
• Absorción: Al pulverizar la tinta, ésta no
debe ser completamente absorbida para
evitar formas irregulares.
Impresoras láser: Funcionamiento
• La corona de transferencia carga
positivamente el tambor de selenio.
• Mediante un espejo movible, el láser barre
linealmente el tambor descargándolo
eléctricamente y dibujando un patrón.
• El tambor es impregnado de tóner (un
polvo negro muy fino cargado
positivamente) adhiriéndose solo a las
partes descargadas (los cuerpos con la
misma carga se repelan).
• La hoja de papel (cargada positivamente)
pasa por el tambor captando el toner del
tambor.
• El papel se somete a alta temperatura
para derretir el toner adherido.
Dispositivos de almacenamiento
•El almacenamiento de imágenes en formato digital requieren un espacio
importante.
•Los dispositivos de almacenamiento difieren en
-La tecnología de L/E que utilizan.
-La cantidad de información que almacenan.
-El tiempo de acceso y transferencias de datos.
-Seguridad con que mantienen la información.
-Coste por Megabyte almacenado.
•Clasificación
•Magnéticos
-Disquetes
-Discos duros
-Cintas magnéticas
•Ópticos
-CD
-DVD
•Memorias flash
-CF
-SD/MMC
-MemoryStick
Dispositivos magnéticos: funcionamiento
• Basado en las propiedades magnéticas de
algunos materiales.
• Constituido por un superficie metálica,
recubierta por un capa de un material
magnetizable.
• Los datos se almacenan cambiando el sentido
del campo magnético de dicha sustancia (cabeza
de lectura y grabación por cada superficie de
disco).
•La cabeza está conformada por un electroimán
que puede inducir un campo magnético o
detectar el sentido del cambio magnético.
• La cabeza se mueve radialmente mientras que
el disco gira en un sentido.
Dispositivos Ópticos
• Proceso de grabación
-Los datos se convierten en pulsos de
luz láser de alta intensidad que inciden
sobre un disco altamente reflectante.
-La incidencia del láser crea un
superficie menos reflectante
(hundimientos) permaneciendo el
resto igual (planos).
• Proceso de lectura
-Un láser de baja intensidad incide en
el disco reflejándose o no según incida
en los hundimientos o en los planos.
-El lector lee la luz reflejada.
• Codificación
- El paso de hundimientos a planos y
viceversa se consideran unos.
- El resto son ceros.
- Utiliza un código corrector de errores
00000100000100000001001001001000
Dispositivos Ópticos
¿Por qué cabe más información en un
DVD respecto a los CD-ROMs?
•Poseen mayor densidad hundimientos/planos.
•Almacenar información en varias capas.
•Es necesario un láser mucho más sensible.
•CD
•Tipos: CD-ROM , CD-R y CD-RW
•Capacidades: 650 MB, 700 MB, 800 MB, 900 MB.
•DVD
• Tipos: DVD-ROM, DVR-R, DVD-RW, DVD-RAM, DVD+R, DVD+RW,
DVD-R DL, DVD+R DL, DVD-RW DL, DVD+RW DL
•Capacidades:
-DVD-5: un lado, capa simple, 4.7 GigaBytes.
-DVD-9: un lado, capa doble, 8.5 GB.
-DVD-10: dos lados, capa simple en ambos lados, 9.4 GB.
-DVD-14: dos lados, capa doble en un lado,capa simple en otro13.3 GB.
- DVD-18: dos lados, capa doble en ambos lados, 17.1 GB
Memorias flash
• Sistema de almacenamiento informático para
dispositivos portátiles como cámaras digitales,
reproductores de MP3 o impresoras.
• Son memorias semiconductoras basadas en
NOR o en NAND (más modernas y rápidas).
• Hay una gran variedad de formatos
- Compact Flash (CF)
- Micro Drive
- Memory Stick (Duo y Pro)
- Multimedia (MMC)
- Secure Digital (SD)
- SmartMedia (SM)
- xD Photo Card
• Son no volátiles, robustas, de poco consumo,
resistentes a golpes (mientras no se doblen).
* Se pueden escribir 1.000.000 (margen amplio).
Memorias flash
•CompactFlash
-De los formatos más antiguos, baratos y exitosos.
-Velocidad de 10Mb/Segundo.
-Variedad de marcas (estándares de una asociación).
- Dos tipos de tarjetas la Type I y Type II que tienen mas capacidad, son mucho
más rápidas.
•MemoryStick
-Comercializado exclusivamente por Sony.
-Existe multitud de formatos, los más extendidos son:
•Estándar
- Velocidad máxima de escritura: 14.4Mbit/s
- Velocidad máxima de lectura: 19.6Mbit/s
•Dúo
- Mayor velocidad de transferencia y menor velocidad de escritura
- Pensada para manejar contenido digital con copyright.
•Pro:
- Las más rápidas, pensadas para cámaras de alta velocidad.
- Velocidad mínima de escritura: 15Mbit/s.
- Transferencia: 160Mbit/s
Memorias flash
•Secure Digital
- Se basan en el formato de las precedentes MMC.
- Incorpora hardware encriptación para evitar la piratería (poco utilizado).
- En general tienen mayor velocidad de acceso (sobre un 15%) que las CF.
- Se distinguen dos tipos según su velocidad.
• Estándar: transferencias entorno a los 20Mbit/s
• De alta velocidad: 100Mbit/s. Algunos dispositivos que requieren
este tipo para grabar video con fluidez.
- La asociación no permite controladores de código abierto, por tanto los
fabricantes de dispositivos tienen que:
- Utilizar un evoltorio de código abierto de un controlador SD de
código cerrado
- Utilizar exclusivamente el antiguo modo MMC.
•MMC
- Su forma es prácticamente igual a las SD.
- Su diferencia más palpable es que carece de una pestaña para evitar la
información contenida en ella.
- Su tasa de transferencia ronda los 20Mbit/s.