(Umělé) osvětlování pro analýzu obrazu Václav Hlaváč České vysoké učení technické v Praze Centrum strojového vnímání (přemosťuje skupiny z) Český institut informatiky, robotiky a kybernetiky 166 36 Praha 6, Jugoslávských partyzánů 3 http://people.ciirc.cvut.cz/hlavac, vaclav.hlavac@cvut.cz také z Centra strojového vnímání, http://cmp.felk.cvut.cz Poděkování: Vladimír Smutný. Prerekvizita: Přednáška Pořízení obrazu. Osnova přednášky: Polarizované světlo. Osvětlovače, taxonomie. Použití (fotografických) filtrů. Zvláštní uspořádání osvětlovačů.
Polarizace světla (1) 2/15 V teorii elektromagnetického pole je záření vyjadřeno jako oscilující elektrické a magnetické pole. Vektorová pole popisující intenzitu elektrického pole E a intenzitu magnetického pole B jsou řešením systému Maxwellových lineárních diferenciálních rovnic. V obecném případě se 3D směr vektoru E mění. Např. Slunce díky krátkým emisním jevům a žhnoucí žárovky jsou zdrojem převážně náhodné směsí vln E všech orientací, tzv. nepolarizované světlo. Polarizačním filtrem lze ze směsi vybrat jen vlny v jedné rovině, tzv. lineárně polarizované světlo.
Polarizace světla (2) 3/15 Harmonická rovinná vlna je zvláštním řešením Maxwellových rovnic ve volném prostoru (bez elektrických potenciálů a proudů). Nepolarizované světlo, např. ze slunce, je polarizováno po průchodu světla polarizačním filtrem. Přírodním polarizačním filtrem je např. dvojlomý vápenec. Prakticky používané polarizační filtry se skládají z rovnoběžných vláken dlouhých molekul orientovaných v jednom směru. Příklad použití: polarizované brýle pro rybáře. Polarizovaný filtr na objektiv fotoaparátu.
Zdroje světla podle emise (1) 4/15 Denní osvětlení nebliká, časově i barevně nestálé, velmi dobré podání barev. Žárovka nebliká, hřeje, velký příkon a náběhový proud, časté výměny, dobré barevné podání. Halogenová žárovka nebliká, hřeje, velký příkon a náběhový proud, časté výměny, dobré barevné podání (lepší než žárovka), menší než žárovka. Zářivka bliká (lze budit vysokou frekvencí nebo synchronizovat), spec. napájení, doba mezi výměnami dlouhá, špatné barevné podání, blízká plošnému zdroji.
Zdroje světla podle emise (2) 5/15 LED modulovatelné osvětlení, nehřeje, malé rozměry, nízká spotřeba, nízká intenzita, monochromatické (interferenční jevy možné) i bílé, dlouhá životnost. Laser (akronym: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Zařízení pro vytváření paprsku silného světla o jedné velmi čisté barvě. Modulovatelný, monochromatický,koherentní, velmi malá divergence svazku (mm na 1km), problémy s interferencí, malý příkon, dlouhá životnost (u polovodičových laserů) Výbojky např. xenonové, pro zábleskové aplikace s velkým výkonem, velmi drahé.
Zdroje světla podle rozložení (1) 6/15 Bodové například halogenová žárovka, LED, laser. Zdůrazňují drsnost povrchu. Silné odlesky. Plošné, difuzní například odraz od bílých stěn, papíru, světlo s velkými matnicemi, zářivky. Potlačují drsnost povrchu. Zadní difúzní výhodné tam, kde nás zajímá jen obrys předmětu a pozorovaný předmět je tenký (snímání tvaru plechu, kůže,... ). Velmi používané v aplikacích, protože maximálně zjednodušuje segmentaci na objekty a pozadí. Vhodné pro měření rozměrů.
Zdroje světla podle rozložení (2) 7/15 Zadní telecentrické osvětlovače s kolimátory. Použitelné jen pro malé předměty (do průměru vstupního členu objektivu), kombinovat s telecentrickými objektivy. Výhodné tam, kde nás zajímají jen obrysy objektů, jejichž tloušťka je nezanedbatelná. Temné pole šikmé osvětlení, kdy paprsky přímo nemíří do objektivu, na předmětu se odráží do objektivu.
Optické filtry mohou pomoci 8/15 Monochromatický filtr může potlačit okolní osvětlení, sníží vliv barevných vad. Polarizační filtr odstraní nebo vybere polarizovaný obraz (například odlesk krycího skla přístroje).
Vliv polarizačního filtru 9/15 Před kameru bylo svisle umístěno čiré sklo skloněné k optické ose o zhruba 45. V obou obrazech je vidět dvojitý lom na skle. Svislá polarizace. Odraz okna ve skle. Vodorovná polarizace. Odraz ve skle zmenšen. Je vidět skrz.
Směrové osvětlení 10/15 Jas matného (ideální případ: lambertovského) povrchu závisí na směru. Proto lze určovat sklon povrchu (shape from shading). Jednou z prvních aplikací bylo zjišťování tvaru kosmických těles. Hrany mezi stěnami objektu mohou způsobovat stíny. Ty se mohou plést s hranicemi objektů. Zrcadlová složka odrazivosti povrchu způsobuje odlesky. Pro ně se většinou směrové osvětlení nehodí.
Rozptýlené (difúzní) osvětlení 11/15 Přirozené denní světlo při zatažené obloze, mlha. Technická realizace: prstenec LED, polokoule z LED. Hodí se i na povrchy s významnou zrcadlovou složkou odrazivosti. Velké hrany mezi stěnami způsobují částečně ztmavlé oblasti = polostíny (angl. penumbra).
Zadní osvětlení 12/15 Zvláště vhodné, hledá-li se obrys plochého neprůhledného objektu. Zjednodušuje segmentaci. Zajímavé pro poloprůhledné objekty, kde lze pozorovat škálu interakcí světla s hmotou (lom, pohlcení, rozptyl světla). Jsou vidět místní nehomogenity hmoty. Příklady: rentgen. Též spektrální analýza u spektrálně závislé pohltivosti.
Osvětlení ve světlém poli 13/15 Osvětlovač svítí přímo do kamery. Objekty mezi osvětlovačem a kamerou jsou vidět tmavěji díky lomu, pohlcení, rozptylu. Objekty jsou tmavé na světlém pozadí. Používá se pro pozorování malých částic.
Osvětlení v temném poli 14/15 Paprsky osvětlovače kamera přímo nevidí. Vidět je odraz, rozptyl, lom světla, který dopadne do kamery. Objekty jsou světlé na tmavém pozadí. Používá se pro vizualizaci malých částic, kovové povrchy v mikroskopii (hliníkové vodiče v mikroelektronice).
Telecentrické osvětlení 15/15 Kolimátor zajistí rovnoběžné paprsky. Použití čoček o velkém průměru (často Fresnelovy čočky = stupňovitá čočka ze soustředných prvků). Měření rozměrů invariantní ke vzdálenosti od kamery telecentrickým objektivem.