Sensores de Visión Artificial

8/20/2019 Sensores de Visión Artificial

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SENSORES DE VISIÓN

ARTIFICIAL

Adrián Fernando Moreno Cano.

Holmman Ricardo PinedaSoledad.


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Defnición:

La visión artificial, también conocida como visión

por computador o visión técnica, es un subcampo de

la inteligencia artificial. El propósito de la visión

artificial consiste en la programación de uncomputador para que entienda una escena o las

características de una imagen. Consiste en tomar

una Imagen o una secuencia de imágenes paraextraer e interpretar de manera automática la

información del mundo real !"#.


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Objetivos de la visónatifcial

La detección, segmentación, localización yreconocimiento de ciertos objetos en imágenes .

La eal!ación de los res!ltados Registro de di"erentes imágenes de !na misma escena !

objeto, es decir, #acer concordar !n mismo objeto endiersas imágenes.

Seg!imiento de !n objeto en !na sec!encia deimágenes.

Ma$eo de !na escena $ara generar !n modelo

tridimensional de la escena& este modelo $odr'a ser!sado $or !n robot $ara naegar $or la escena.

(stimación de las $ost!ras tridimensionales de #!manos. )*s+!eda de imágenes digitales $or s! contenido.


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!ano"#ica de la visiónatifcial

La Visión Artificial es un área

multidisciplinar, relacionada con:

Tratamiento de imágenes

• Reconocimiento de patrones

• Fotogrametría

• Gráficos por ordenador

• Inteligencia artificial

• Geometría proecti!a

• Teoría de control


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"na parte pe#ue$a del espectro

electromagn%tico es la &ona !isi'le (lu& !isi'le)

*sta comprende longitudes de ondaapro+imadamente desde los -- nm .asta los

/-- nm0


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La reflexión se produce cuando las ondas

(lu&, sonido, etc0) inciden so're una superficie

de separación entre dos medios, sin pasar deuno a otro0

*sta se presenta en un límite entre dos

medios diferentes como una superficie aire1

!idrio, en cuo caso parte de la energíaincidente se refle2a parte se a'sor'e0

*l ángulo entre rao incidente la normal es

el ángulo de incidencia, #ue por la Le de laRefle+ión es el mismo #ue el ángulo refle2ado0


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La parte transmitida se desvía un cierto ángulo de

refracción

El índice de refracción n# está definido como el

cociente de la velocidad c# de un fenómeno

ondulatorio como lu$ o sonido en el de un medio de

referencia respecto a la velocidad de fase v

m# endic%o medio&

m

m

v

c

n =


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'tro fenómeno a destacar es la dispersión (e)ton#

esta es la descomposición de la lu$ en sus

componentes monocromáticos al penetrar en unmedio, como consecuencia de la variación del índice

de refracción del medio, que desvía las distintas

componentes de la lu$ seg*n sus respectivas

longitudes de onda. +sí cuando lu$ blanca penetra en un prisma, este

descompone el %a$ en sus colores básicos

constituentes.


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Sistema Visual Humano


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*n el o2o .umano la lu& !isi'le es a'sor'ida o

enfocada por el cristalino, #ue act3a como lente, se

proecta en la retina0 La retina está compuesta por 4 tipos de c%lulas

fotosensi'les:

5onos: los cuales son responsa'les del color

6astones: son los responsa'les de la percepción dela intensidad0

*n general un ser .umano posee del orden de 74-

millones de 'astones 8 millones de conos

apro+imadamente0


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I#"$enes Di$itales:

Las imágenes se forman cuando un sensor por e-emplo una

cámara registra la cantidad de radiación luminosa que %a

interaccionado con los ob-etos físicos de la escena.

na imagen digital es una función bidimensional discreta f x,y# que asocia a cada punto o píxel x, y# un valor de

brillo.

El valor f x, y#, podría representar un valor de distancia u

otra cantidad física.

El tratamiento digital de imágenes consiste en destacar las

características de interés en imágenes atenuar el detalle

irrelevante# para conseguir de éstas información *til


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Parámetros ópticos: estos caracteri&an al

sensor:

1 tipo de lente, distancia focal, campo de !isión,grado de apertura angular0

Parámetros fotométricos: caracteri&an la lu&

refle2ada por el o'2eto0

5aracterísticas de la iluminación (tipo, intensidad,dirección), propiedades de reflectancia del o'2eto

!isto0

Parámetros geométricos: estos caracteri&an la

proección del o'2eto en el sensor 1 tipo de proección, posición orientación del9los

sensor9es, distorsiones de'idas a la perspecti!a


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Tipos de imágenes

• Imágenes fotográficas: son las de lu&

refle2ada

• Imágenes de rango: para o'ser!ar distancias • Imágenes de tomografía: para o'ser!ar la

densidad de te2idos

• Imágenes infrarrojas: para mirar1o'ser!artemperaturas0


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Etapas de un sistemas de VisiónArtificial.

(ta$as

Escena 3D

Modelos / HipótesisAplicaciones

Imagen(es) ordes / !egiones / "rofundidad

#uperficies / $aracter%sticas


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Elementos de un SVA: Sensores

5ámaras analógicas mas tar2etas

digitali&adoras

5ámaras 55

5ámaras de infrarro2os *scáneres 4 ;

5ámaras digitales de fotografía


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Cámara analógica

-na cámara analógica es la +!e !sa !na$el'c!la "otosensible $ara em!lsionar la"oto sobre ella, en l!gar de !sar !natarjeta de tarjeta de memoria. Por esta

razón al tomar !na "otogra"'a +!edannegatios y des$!s de esto se toman losnegatios y se mandan reelar $ara as'obtener las imágenes.


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C"#aas de video

Las cámaras devídeo, videocámaras o cámaras detelevisión son dis$ositios +!e ca$t!ran

imágenes conirtindolas en se/aleselctricas, en la mayor'a de los casos a!na se/al de 'deo, esta se/al estambin conocida como !na se/al de

teleisión. (n otras $alabras, !na cámarade 'deo es !n transd!ctor ó$tico.


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Historia:

Las $rimeras cámaras de ideo, !tilizaront!bos electrónicos como ca$tadores !nti$o de ál!las termoiónicas +!e

realizaban, mediante el barrido $or !n#az de electrones del target donde se"ormaba la imagen $rocedente de !nsistema de lentes, la transd!cción de la

l!z la c!al con"ormaba la imagen ense/ales elctricas.


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El ingeniero ruso /ladímir 0o$mic%

1vor2in en 345! desarrollo un sistema

de captación de imágenes el cual tres

a6os después fue perfeccionado por el

ingeniero escocés 7o%n Logie 8aird elcual %i$o las primeras demostraciones de

transmitir imágenes de !,9 x : cm. a una

definición de !; líneas.


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(n la $oca de los a/os 01 en el siglo 22,se desarrollaron transd!ctores de estado

sólido llamados CC3s 43is$ositios decargas aco$ladas5. (stos dis$ositios seencargaron de s!stit!ir $or !na am$liaentaja a los t!bos electrónicos,

$ro$iciando !na dismin!ción en eltama/o y el $eso de las cámaras de'deo. Además $ro$orcionaron !na mayorcalidad y 6abilidad, a!n+!e con !na

e7igencia más eleada en la calidad delas ó$ticas !tilizadas.


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Sensor:

-n sensor o tambin llamado detector es!n dis$ositio +!e mide !na cantidad "'sica y laconierte en !na se/al +!e $!ede ser le'da $or !nobserador o $or !n instr!mento. Por ejem$lo,

!n termómetro de merc!rio, este conierte latem$erat!ra medida en la e7$ansión y contracciónde !n l'+!ido el c!al $!ede ser le'do en !n t!bo deidrio calibrado. -n termo$ar conierte latem$erat!ra a !n oltaje de salida +!e $!ede serle'do $or !n olt'metro . Para mayor $recisión, lamayor'a de los sensores están calibrados conreconocidos estándares .


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Los sensores son !tilizados en los objetoscotidianos, tales como los botones de los

ascensores +!e son sensibles al tacto4sensor táctiles5 y en las lám$aras deil!minación +!e son sensibles al tacto enlas c!ales al tocar la base #ace +!e la

lám$ara se encienda. 8ambin #ayinn!merables a$licaciones $ara lossensores de los c!ales la mayor'a de las

$ersonas n!nca son conscientes. Lasa$licaciones incl!yen e#'c!los,ma+!inaria, ind!stria aeroes$acial, lamedicina, la man!"act!ra y robótica.


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Los sensores son dis$ositios los c!alesreciben y res$onde a !na se/al. La

sensibilidad de !n sensor indica lacantidad de cambios de salida delsensor. (jem$lo si el merc!rio en !ntermómetro se m!ee 9 cm c!ando la

tem$erat!ra cambia en 9 :C, lasensibilidad es de 9 cm;:C +!e esbásicamente la $endiente dy;d7

s!$oniendo +!e se $resente !nacaracter'stica lineal.


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(l aance tecnológico $ermite +!e lossensores cada ez más sean "abricados

en !na escala microscó$ica comomicrosensores +!e !tilizantecnologia M(MS 4sistemasmicroelectromecanicos5. (n la mayor'a de

los casos, !n microsensor alcanza !naelocidad signi6catiamente mayor y lasensibilidad en com$aración

con macroscó$icas en"o+!es.


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Sensor CCD

charge-coupled device o CCD ( dispositivo de carga

acoplada#. Es un circuito integrado el cual contiene

un determinado n*mero de condensadores los cuales

estan enla$ados o acoplados. 8a-o el control de uncircuito interno, cada condensador puede transferir

su carga eléctrica a uno o a varios de los

condensadores que estén a su lado en el circuito

impreso.


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CCD

Los $rimeros dis$ositios CC3 "!eroninentados $or los "'sicos de oct!bre de

9?@? en los Laboratorios )ell, ambosinentores "!eron $remiados conel Premio obel de F'sica de B11? $or larealización de este inento.


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CCD

La alternativa digital a los CC" son los

dispositivos o

sensores C


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Funcionamiento isico de un sensor CCD

Los detectores CC3, al ig!al +!elas cl!las "otooltaicas, se basan enel e"ecto "otoelctrico, la conersión

es$ontánea de l!z recibida en corrienteelctrica +!e oc!rre en alg!nosmateriales. La sensibilidad del detectorCC3 de$ende de la efciencia

cuántica del c#i$, la cantidadde "otones +!e deben incidir sobre cadadetector $ara $rod!cir !na corrienteelctrica.


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(l e"ecto "otoelctrico consiste en laemisión de electrones $or !n metal o

6bra de carbono c!ando se #ace incidirsobre l !na radiaciónelectromagntica 4l!z isible o!ltraioleta, en general5.

(l n*mero de electrones $rod!cido $or !nsensor CC3 es $ro$orcional a la cantidadde l!z recibida 4a di"erencia de la"otogra"'a conencional sobre negatio"oto+!'mico5.


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Al 6nal de la e7$osición los electrones$rod!cidos $or el sensor son trans"eridos

de cada detector indiid!al llamado"otositeD& $or !na ariación c'clica de !n$otencial elctrico a$licada sobre bandasde semicond!ctores #orizontales y

aisladas entre s' $or !na ca$a de SiEB.3e este modo, el CC3 se lee l'nea a l'nea,a!n+!e e7isten n!merosos dise/osdi"erentes de detectores.


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Las imágenes obtenidas $or !na cámaraCC3 son sometidas a !n $roceso de

corrección +!e consiste en restar de laimagen obtenida la se/al $rod!cidaes$ontáneamente $or el c#i$ $ore7citación trmica 4campo oscuro5 y

diidir $or !na imagen de !n cam$o#omogneo 4campo plano o at feld5 +!e$ermite corregir las di"erencias desensibilidad en di"erentes regiones delCC3 y corregir $arcialmente de"ectosó$ticos en la cámara o las lentes delinstr!mento !tilizado.


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Los $'7eles del CC3 registran gradacionesde los tres colores básicos +!e

son rojo, erde y az!l, $or lo c!al tres$'7eles, !no $ara cada color, "orman !nconj!nto de cl!las "otoelctricas lasc!ales son ca$ases de ca$tar c!al+!ier

color en la imagen. Para conseg!ir estase$aración de colores la mayor'a decámaras con sensor CC3 !tilizan!na máscara de )ayer.


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el 6ltro de )ayer $ro$orciona !na trama$ara cada conj!nto de c!atro $'7eles de

"orma +!e !n $i7el registra l!z roja, otro$i7el registra l!z az!l y dos $'7eles sereseran $ara la l!z erde ya +!e el ojo#!mano es más sensible a la l!z erde

+!e a los colores rojo o az!l.

Filtro de Bayer.


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Sensor C!"S

Principio de Funcionamiento: Al ig!al +!eel sensor CC3, este se basa en el e"ecto"otoelctrico& realizan !n $rocesamientodigital de las imágenes. (stá "ormado $orn!merosos "otositos, !no $ara cada $'7el,+!e $rod!cen !na corriente elctrica +!ear'a en "!nción de la intensidad de l!z

recibida. (n el CMES, a di"erencia del CC3se incor$ora !n am$li6cador de la se/alelctrica en cada "otosito y es com*n incl!irel conersor digital en el $ro$io c#i$.


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(n !n sensor CC3 se tiene +!e eniar lase/al elctrica $rod!cida $or cada

"otosito al e7terior y desde all' esta se/ales am$li6cada.

La entaja es +!e la electrónica $!edeleer directamente la se/al de cada $'7elcon lo +!e se sol!ciona el $roblema +!ees conocido como 4blooming5, $or el +!e

la rece$ción de !na gran intensidadl!m'nica en !n $!nto in!ye en los$'7eles adyacentes ya +!e!n brillo "!erte$rod!ce l'neas blancas en la imagen.


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La desentaja en este sensor es +!eentre los rece$tores de l!z 4"otositos5 se

enc!entran m!c#os com$onenteselectrónicos los c!ales no son sensibles ala l!z, lo c!al im$lica +!e no $!edaca$tar tanta l!z en !na misma s!$er6cie

del c#i$. La sol!ción de este $roblemaino no sólo $or !na mayor densidad deintegración, $or lo +!e la electrónica nosensible se red!c'a en tama/o, sino $or

la a$licación de microlentes +!e a modode l!$a logran concentrar la l!z de cadacelda en s! "otosito.


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Al ig!al +!e oc!rre con el CC3, los"otositos ca$tan *nicamente intensidadl!m'nica, $ara lo +!e se s!ele em$lear !n6ltro el c!al es conocido como máscara

de )ayer $ara la distinción de los colores.Mediante esta máscara !nos "otositostienen !n 6ltro $ara recoger solo la l!zroja, otros $ara recoger la l!z erde y

otros $ara recoger la l!z az!l.


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Sensor C!"S

(n !n CC3 se tiene +!e eniar la se/alelctrica $rod!cida $or cada "otosito ale7terior y desde all' se am$li6ca.


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Venta#as:

(conómico 4necesita $ocos com$onentes e7ternos5 Lect!ra sim!ltánea de mayor n*mero de $i7eles (l conersor digital $!ede estar integrado en el mismo c#i$ (scaso Blooming 4GSmearG5 o ine7istente Mayor e7ibilidad en la lect!ra 4Preis!alización más

rá$ida5 Los $i7eles $!eden ser e7$!estos y le'dos sim!ltáneamente Etras to$olog'as $osibles 4el sensor S!$erCC3 de la

com$a/'a F!ji6lm em$lea !na constr!cción en "orma de$anel 4octogonal5 $ara los $'7eles5

3istintos ti$os de $'7eles 4seg*n tama/o y sensibilidad5combinables M!y alta "rec!encia de imagen en com$aración a !n CC3

del mismo tama/o


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Desventa#as

Menor s!$er6cie rece$tora de la l!z $or$'7el

Menor !ni"ormidad de los $'7eles 4mayor

r!ido de $atrón 6joFP5


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Aplicaciones

3ebido a s! bajo coste, el APS 4actie$i7el sensor5 comenzó a em$learsemasiamente en Iebcams y en las

cámaras de los tel"onos móiles. (n el cam$o de las ideocámaras estos

sensores a!n sig!en !sándose, como loson las cámaras de alta de6nición Sony

H3RHC9, H3RHCJ y la Sony F2> 4+!e!tiliza J sensores CMES5. 8ambin seem$lea el APS en cámaras ind!striales.

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