Tecnologías para adquisición de imágenesBloque 2

Profesor: Manuel Rivas PérezDespacho: F061Horario 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

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 I

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: Clasificación II

Cámaras Fotográficas

• Existen otros muchos tipos de dispositivos de captura, usados con imágenes de información no luminosa.

• Ejemplos.

Imagen de ultrasonidos (ecografía) RMN

Resonancia

·· Aunque existen diferencias estructurales entre ellas, todas lasAunque existen diferencias estructurales entre ellas, todas lasccáámaras maras modernas se componen de los siguientes elementos bmodernas se componen de los siguientes elementos báásicossicos

CuerpoCuerpo

ObturadorObturador

DiafragmaDiafragma

ObjetivoObjetivo

·· Estos elementos se encargan de exponer la Estos elementos se encargan de exponer la pelpelíículacula de manera de manera controlada a la luzcontrolada a la luz

Cámaras de película: Estructura

Cámaras de película: Estructura

OBJETIVO (Sistema de lentes): 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 visióny la distancia focal.

OBTURADOROBTURADOR : 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: EstructuraDIAFRAGMADIAFRAGMA : es una abertura circular situada detrás del objetivoque 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

– Esta abertura puede ser fija, o regulable.

PELPELÍÍ CULACULA : 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

P

P’

P

Círculo de confusiónP’

P

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

imageninvertida

película

diafragma

lente

objeto

obturador

imageninvertida

película

diafragma

lente

objeto

• La imagen llega invertida a la película quedando impresionada en ésta.

• El obturador se cierra controlando así la exposición de la película.

Cámaras de película

Globo ocular � Cuerpo de la cámara

Pupila (Iris) � Diafragma

Cristalino � Lente

Retina � Película (Material fotosensible)

Enfoca lo 1º que puede (lo +cerca)Visión selectiva

Limitada capacidad de enfoqueAlta capacidad de enfoque

sensibilidad fija (película fotograf.)sensibilidad variable

Imágenes bidimensionalesImágenes Tridimensionales

CámaraOjo

• 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 tarjetasde memoria y permiten conectarsevía usb, firewire, bluetooth ówifi.

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

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 ópticoCon zoom digital

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 coloren el CCD (patrón de Bayer).

• En el ojo humano existe eldoble de detectores de verdeque 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 muchosámbitos : 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.

• Esto es el llamado “full frame CCD”.

Desplazamiento de filas

Registro serie

Desplazamiento de píxeles

Salida

CCD: Funcionamiento III

Regulador de lectura

Controlador de

líneasA/D

Fuente de energía

Generador de

impulsos para la

cámara

Amplificador

Placa de circuito de la Cámara Sensor CCD

CCD: Limitaciones I

• Pero también tienen sus limitaciones :– 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.

SO

NY

DF

W50

0

QU

ICK

CA

M P

RO

Mayor cuanto peor es la cámara

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).

SENSORES: CMOS II

Unidad de lectura vertical

Controlador de

líneas

A/D

Fuente de energía

Generador de

impulsos para la

lectura

Placa de circuito

de la Cámara

Sensor CMOS

Convertidor de corriente/tensión sobre cada píxel

Unidad de lectura horizontal

Amplificador de líneas

Fuente de energía

Puerto de

conexión

SENSORES: CMOS III

• Ejemplo. Aplicación en foto-finish .

http://www.swatch.com/sportszone/olympics2004/doc/athens2004/at_photofinish.php

Capturado aprox. a 1.000 columnas por segundo.

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

•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.

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.

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.

•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: Funcionamiento I

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 polvo-tinta 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.

C:15º, M:75º, Y:0º , K:45º•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.

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

•Memorias flash-CF-SD/MMC-MemoryStick

•Magnéticos-Disquetes-Discos duros-Cintas magnéticas

•Ópticos-CD-DVD

• 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 magnéticos: funcionamiento

00000100000100000001001001001000

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

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

• 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

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.