ZPRACOVÁNÍ OBRAZU přednáška 5

Transkript

1 ZPRACOVÁNÍ OBRAZU přednáška 5 Vít Lédl vit.ledl@tul.cz TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/ , který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

2 IMAQTOOL Matlab Napsat >> imaqtool command line Možnost nastavit mnoho parametrů Podle druhu kamery 2

3 Základní principy Fotoemisní Fotovoltaický nebo fotovodivostní princip Historie - vidicon CCD CMOS SNÍMAČE Snímače obrazu - zařízení, která přeměňují energii dopadajícího světla na energii elektrického signálu. Vynález CCD 80-tá léta minulého století Nobelova cena

4 CCD Lineární, analogové, intenzitní, citlivé ve VIS a blízké IR (filtry!!) CCD jsou velmi citlivé detektory a jejich odezva na osvětlení je lineární. Jsou mechanicky stabilní a především CCD kamery poskytují snímky přímo v digitální podobě, bezprostředně zpracovatelné pomocí počítačů. 4

5 CCD -PRINCIP Přicházející světlo vytváří v polovodiči elektrický náboj (elektrony). Elektrony se nemohou volně pohybovat po čipu, neboť na čipu jsou vytvořeny svislé negativní potenciálové valy (odpuzující elektrony). Systém vodorovných elektrod, rovněž s negativním nábojem, vytváří na čipu mřížku tzv. potenciálových studní, z nich elektrony nemohou uniknout. Každá potenciálová studna vytváří (reprezentuje) jeden obrazový bod (tzv. pixel z anglického picture element), tedy nejmenší čtvereček obrazu. Pixely vystavené většímu množství světla naakumulují více elektronů a naopak. Struktura elektrod je poněkud komplikovanější, než bylo řečeno. Pokud se na elektrody přivede různé napětí, elektrony mohou být přelévány z jedné nábojové studny do sousední. Tak je možné náboj posouvat po ploše čipu. Tento proces je používán, když je potřeba informaci z CCD čipu vyčíst. Balíky elektronů, reprezentující jednotlivé pixely, jsou posouvány do výstupního zesilovače, kde je elektrický náboj převeden na napětí. Toto napětí se objeví na výstupním pinu CCD čipu. Elektronika kamery pak musí toto napětí změřit (převést na číslo pomocí analogově/digitálního převodníku, anglicky Analog/Digital Converter ADC) pro každý pixel. Informace o náboji akumulovaném v každém pixelu (a tedy o množství světla, které do každého pixelu dopadlo) tvoří datový soubor reprezentující obrázek. 5

6 CCD PRINCIP II Jedna ze základních výhod CCD čipů ve srovnání s lidským okem je schopnost akumulace náboje po dlouhou dobu. CCD tak mohou postupně nashromáždit dostatek světla i z velmi slabých světelných zdrojů. Roste ale také šum. 6

7 VLASTNOSTI CCD Analogové zařízení A/D převod různá bitová hloubka (hranice) Linearita až do saturace Rozlišení řádky x sloupce Kvantová účinnost (v závislosti na vlnové délce) FW kapacita (typicky fotoelektronů) Šum (vznik druhy) DR 7

8 Full well kapacita Read out noise Dynamický rozsah Vysvětlení Typické hodnoty Fill faktor Mikročočky FW - DR DynamicRange = FullWellCapacity Re adoutnoise 8

9 KVANTOVÁ ÚČINNOST QE 9

10 SATURACE 10

11 PROBLÉMY CCD Blooming Šum Nerovnoměrnost odezvy Zahřívání Dead pixels Hot pixels Grades (engenering Iindustrial, scientific) 11

12 CCD DRUHY - VELIKOSTI Backiluminated Frontiluminated Full frame Linear ICCD Photon multiplying CCD 12

13 CCD DRUHY VELIKOSTI II Plošné Řádkové až 8k pixelů obdélníkové photosite (citlivost) nebo čtvercové 13

14 CMOS Konstrukce Rozdíl oproti CCD Výhody Masový nástup Adresovatelnost Vyšší stupeň integrace Funkcionality rovnou na čipu 14

15 CMOS PRINCIP FUNKCE 15

16 VLASTNOSTI A PROBLÉMY CMOS Fill faktor, Šum, Drahé pokud nejsou velké série Pak velmi levné (Desítky korun) - uniformita Cena Odběr Šum Složitost CCD Drahý, protože výrobní linka musí být specializovaná na tento typ technologie. Odebírá cca 50x více energie než CMOS. Malý, velká kvalita obrazu. Velká, mnoho obvodů je mimo senzor. CMOS Levný, protože využívá standardní technologii pro "běžné" integrované obvody (paměti, procesory atd.). Malý. Díky menšímu fill faktoru a potřebě mikročoček je šum větší. Malá, vše potřebné je přímo v obvodu senzoru. Funkčnost Omezená, komplikovaný transport obsahu buněk. Vysoká, maticově adresovatelné buňky. Rychlost Nízká, sekvenční čtení. Vysoká, adresné čtení. 16

17 SNÍMÁNÍ BARVY Snímač sám o sobě není citlivý na barvu pouze na intenzitu Základní principy 3 CCD filtry, mozaiková struktura, filtry karusel Interpolace - problémy 17

18 DALŠÍ PRINCIPY SNÍMÁNÍ BARVY 18

19 KAMERA K čemu Funkcionality On board FIFO Binning Druhy pro použití v MV AOI (true partial scan), separate AOI for auto features Programmable LUT, white balance, hue, saturation Debayering Auto gain, auto exposure Color correction Shading correction High SNR mode (up to 24 db better signalto-noise ratio) Local color anti-aliasing Sub-sampling, 2x 8x binning (b/w) (only Stingray F-201C: binning with color) Low noise binning mode Defect pixel correction Sequence mode (changes the camera settings on the fly) Image mirror Deferred image transport SIS (Secure Image Signature, enhanced time stamp) Storable user settings 19

20 KAMERY DRUHY Plošné Řádkové Termovizní Chlazené Vysoce citlivé Rychlokamery Kamery citlivé v UV Analogové Digitální 20

21 POŘÍZENÍ OBRAZU - PRAKTICKY Osvětlení Uchycení Vzdálenosti Objektiv Světelnost (rychlosnímání x hloubka ostrosti) Zvětšení (zvětšení objektivu x rozlišení a velikost pixelu Kalibrace (dark frame, flat field) Kalibrace celé soustavy na měření rozměrů 21

22 VOLBA PARAMETRŮ KAMERY Rozlišení (může nastat omezení v rozlišení u barevných kamer - interpolace) Citlivost Snímková frekvence Expoziční doba - limity BW / barva (pozor pokles citlivosti u barevných kamer) Automatika Buffer Připojení 22

23 MĚŘENÍ PARAMETRŮ KOMBINACE ZOBRAZOVACÍ SOUSTAVA + ČIP Rozlišení v různých směrech Přenos kontrastu Barevná věrnost DR Šum A mnoho dalšího 23

24 GRETAG MACBETH COLOR CHECKER 24

25 25