Kamer k s k palkot s
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 72

Kamerák és képalkotás PowerPoint PPT Presentation


  • 94 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Kamerák és képalkotás. Vámossy Zoltán 2004 (Stanford, Berkeley, CMU, Birmingham, ELTE, SZTAKI, SzTE anyagok alapján). Egy kép többet jelent, mint tízezer szó!. Témakörök. A képkeletkezés geometriai és optikai elemei Digitális képek vételezése és reprezentációja

Download Presentation

Kamerák és képalkotás

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Kamer k s k palkot s

Kamerák és képalkotás

Vámossy Zoltán

2004

(Stanford, Berkeley, CMU, Birmingham, ELTE, SZTAKI, SzTE anyagok alapján)


Egy k p t bbet jelent mint t zezer sz

Egy kép többet jelent, mint tízezer szó!


T mak r k

Témakörök

  • A képkeletkezés geometriai és optikai elemei

  • Digitális képek vételezése és reprezentációja

  • Kamerák matematikai modellje

  • Lencsék és szenzorok


Digit lis k pek

Digitális képek

  • Intenzitás képek

    Szokásos képek, fény és szín fotografikus kódolása. Általában kamera a képvétel eszköze

  • Tartomány képek (range images)

    mélységi szenzorokat használnak az alak és a távolság mérésére: szonár vagy lézer szkennerek


Intenzit s k pek sz rke vagy sz nes

Intenzitás képek: szürke vagy színes


Alapvet optika k pf kusz l s

Alapvető optika: képfókuszálás

  • A kép fókuszban van:

    a jelenet bármely pontjáról kiinduló bármely fénysugár a képsík egy pontjába tart

  • Fókuszálás:

    • A kamera apertúrát ponttá zsugorítjuk: pinhole

    • Lencsék és apertúra használata


Kamer k f nyk pez s

Kamerák - fényképezés

  • Perspektíva vizsgálat – Brunelleschi 15. század

  • Camera Obscura – Leonardo rajzaiban


Kamer k f nyk pez s1

Kamerák - fényképezés

  • Első fénykép Niepce - 1816

  • Első megmaradt fénykép - 1822


Pinhole kamera

Pinhole kamera

  • Absztrakciós modell

    • Doboz egy kis lyukkal rajta

    • Gyakorlatban is működik

    • Fordított állású kép a képsíkon


Pinhole kamera1

Pinhole kamera


T volabbi objektumok kisebbek

Távolabbi objektumok kisebbek

Hasonlóháromszögek alapján


K vetkezm ny p rhuzamos vonalak tal lkoznak

Következmény: párhuzamos vonalak találkoznak

  • Létezik távlatpont (vanishing point)

Gyakran a filmsíkot a fókuszpont elé helyezik

A filmsík mozgatása csak skálázza a képet, invertálást elkerülik


T vlatpontok vanishing points

A párhuzamosoknak megfelelő vonalak a képen a nekik megfelelő távlatpontban “metszik” egymást

Az egy síkban fekvő egyenesek távoli pontjai a horizonton helyezkednek el

Távlatpontok - Vanishing points


Vanishing pontok

Vanishing pontok

VPL

H

VPR

VP1

VP2

Különböző irányokhoz különbözőtávlatpontok tartoznak

VP3


K vetkezm ny az rz kel sben

Következmény az érzékelésben*

Azonos méretű dolgok kisebbnek tűnnek

Párhuzamos vonalak egy pontban találkoznak

* A Cartoon Epistemology: http://cns-alumni.bu.edu/~slehar/cartoonepist/cartoonepist.html


K vetkezm ny az rz kel sben 2

Következmény az érzékelésben 2

Logaritmikusa természetben

Térben változó ráccsal kell térképezni az érzékelés során


Perspekt vit s hat sa

Perspektívitás hatása


Kamera modellek

Kamera modellek

Perspektív projekció

Gyenge perspektív projekció

Affin projekció


Perspekt v projekci modell

A világ és a kamera koordinátarendszer általában nem így helyezkedik el

Feltételezések:

A projekció középpontja azonos a világ origójával

A kamera optikai tengelye azonos a világ z tengelyével

Perspektív projekció modell


A projekci egyenletei

Elnevezések:

Vetítési középpont: O origó

Fókusztávolság: a képsík és O távolsága: f

Optikai tengely: O-n átmenő, képsíkra merőleges egyenes

Kép középpont, vagy fő pont: ahol az optikai tengely döfi a képsíkot

Derékszögű koordinátákban:

Hasonló háromszögekből: (x, y, z) -> (f x/z, f y/z, -f)

A harmadik koordinátát elhagyjuk

Ha a képsíkot a másik oldalon tételezzük fel, akkor (x, y, z) -> (f x/z, f y/z, +f)

A projekció egyenletei


Homog n koordin t kkal

Extra koordináta – skálázó faktor

2D

Ekvivalencia relációk*(X,Y,Z) ugyanaz (X,Y,Z)

3D

Ekvivalencia relációk*(X,Y,Z,T) ugyanaz (X,Y,Z,T)

Megjegyzés

Végtelen távoli pont reprezentálható

Párhuzamosok metszésével

Párhuzamos síkok ahol metszik egymást

Perspektív kamera leírása mátrixként

Homogén koordinátákkal


A kamera m trix

Homogén koordinátás forma

3D pont (X,Y,Z,T)

Képpont (U,V,W)

Ellenőrizzük!

A kamera mátrix


P projekci geometriai tulajdons gai

Pont pontba

Vonal vonalba

Síkok teljes képbe

Poligonok poligonba

Objektum méret fordítottan arányos a távolsággal

Elfajuló esetek

Fókuszponton átmenő vonal pontba (Sok az egybe leképezés)

Fókuszponton átmenő sík vonalba

P. projekció geometriai tulajdonságai


Poli derek poligonba k pz dnek

(mert vonalak vonalba)

Poliéderek poligonba képződnek


P projekci tulajdons gai

Képsíkkal párhuzamos vonal skálázódik

Kis fókusztávolságnál több pont kerül a képsíkra (széles látószögű kamera)

Nagy fókusztávolságnál kisebb látószög

Nem távolság és nem szögtartó

Távlatpontok: párhuzamos vonalak képe a képsíkon olyan vonalak, melyek meghosszabbítása egy pontban metszi egymást

Horizont vonal:

P. projekció tulajdonságai


Csom pontok keresztez d sek

A “vonal címkézés” feladata

Valós 3D képeken nem lehet a vonalakat és a kereszteződéseket címkézni

Csomópontok - kereszteződések


Kamer k s k palkot s

Ortografikus projekció

  • Párhuzamos vetítő sugarak esetében

  • f “végtelen nagy”


Az ortografikus projekci m trixa

Az ortografikus projekció mátrixa

Tulajdonságok:

  • Párhuzamos párhuzamosba

  • Méretek nem változnak a kamerától mért távolság függvényében


Gyenge perspekt va weak perspective

Perspektív projekció nem lineáris

Skálázott ortografikus projekció -> lineáris

Feltételek:

Az optikai tengelyhez közel vannak az objektumok

Az objektum méretek kicsik a kamerától mért távolságukhoz viszonyítva

Előny: egyszerű

Hátrány: rossz

Gyenge perspektíva (Weak perspective)


Kamer k s k palkot s

Gyenge perspektíva: affin projekció

a nagyítás állandó


Kamer k s k palkot s

Gyenge perspektíva modell

HaZkonstans x= kXésy = kY,

aholk=f/Z skálázó faktor

Ortografikus projekciót és skálázást jelent


Kamer k s k palkot s

Összehasonlítás

Gyenge perspektív

Perspektív


Perspekt v projekci felt telez se

Perspektív projekció feltételezése


Perspekt v projekci felt telez se1

Perspektív projekció feltételezése


A pinhole kamer k hat ra

A pinhole kamerák határa


A pinhole kamer k hat ra1

A pinhole kamerák határa

Túl nagy pinhole -

sok irányt átlagol, elmosó hatás

Túl kicsi pinhole-

elhajlás (kvantum effektus) elmossa a képet,kevés a fény

A pinhole kamerák

sötétek, mert adott pontból csak nagyon kevés fénysugár éri el a felületet.


Lencs k k palkot sa

Lencsék képalkotása


Lencs k haszn lat nak oka

Lencsék használatának oka

  • Több fényt kell beengedni

  • (Fény)nyalábok fókuszálása


F nyt r s

Fénytörés

Fénytörés

Dtn1

a1

a1

a

b

q1

F

q2

z2

d

e

Dtn2

a2

Snell’s law

Snellius –

Descartes törvény

(1621)

n1 sina1 = n2 sin a2


Paraxi lis vagy els rend optika

Paraxiális, vagy elsőrendű optika

Paraxiális, vagy elsőrendű optika

Snellius-Dscartes törvény:

n1 sina1 = n2 sin a2

Kis szögek:

n1a1 n2a2

Sin a  a = y/r

Tan b  b = y/x


V kony lencs k

Vékony lencsék

Vékony lencsék

Gömbszerű lencsefelület; Tengellyel közel párhuzamos bejövő fény; vastagság << sugár; mindkét oldalon ugyanolyan együttható


V kony lencs k sszefoglal s

Vékony lencsék - összefoglalás

Vékony lencsék - összefoglalás

http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/Lens/lens_e.html


Kamer k s k palkot s

Mélységi élesség


Kamer k s k palkot s

Mélységi élesség

Hasonlóan


Kamer k s k palkot s

Mélységi élesség

Csökken d-vel, nő Z0-val

A bejövő fény mennyisége és a kép mélységi élessége között tartsunk egyensúlyt


Kamer k s k palkot s

Eltérések a gyakorlatban

Feltevések:

  • Egy pontból kiinduló minden sugár egy pontba fókuszál

    • Vékony lencsére feltétel

2. Minden képpont a képsíkban van

3. Nagyításállandó

Az ettől történő eltérések a leképezési hibák

Marc Pollefeys


Kamer k s k palkot s

Leképezési hibák (aberrations)

Hibatípusok:

  • Geometriai:

    • Nagy szögekre nagyobb

    • Harmadrendű optika

  • Kromatikus

    • A hullámhossz függvénye a törés

Marc Pollefeys


Kamer k s k palkot s

Geometriai aberrációk

  • gömbi eltérés

  • asztigmatizmus

  • Torzítás

  • kóma

Lencsékkel redukálhatóak ezek a hibák


Kamer k s k palkot s

Gömbi eltérés - szferikus aberráció

  • A tengellyel párhuzamos sugarak nem egy pontba konvergálnak

  • A lencse külső pontjainak fókusztávolsága kisebb

    Ok: Modellezés pontatlansága - valójában nem vékony a lencse


Asztigmatizmus astigmatism

Asztigmatizmus - Astigmatism

  • A főtengelytől távolabbi pontok leképzésénél fellépő hiba

  • Ferdén beeső, keskeny nyaláb esetén

  • Pontszerű kép helyett, két egymásra merőleges képvonal eltérő távolságokban (meridiánis és szaggitális síkban)


Torz t s distortion

Torzítás - distortion

  • Nem képélességre vonatkozó hiba

  • A nagyítás és fókusztávolság nem minden pontban egyforma

Párna hiba

(tele-photo)

Hordó hiba

(wide-angle)

Korrigálható


K ma vagy st k shiba coma

Kóma, vagy “üstököshiba” - coma

  • A főtengelytől távolabbi pontok leképzésénél fellépő hiba

  • A P tárgypontból erősen ferde és nagy nyílású sugárnyaláb esik a lencsére

  • Pontszerű helyett üstököscsóvához hasonló folt

    Megoldás: rekeszeléssel és lencserendszerrel


Kamer k s k palkot s

Kromatikus aberráció

A különböző hullámhosszú fények különböző helyen fókuszálnak

Nem lehet teljesen megszüntetni

Marc Pollefeys


Kamer k s k palkot s

Vignetting


Kamera t pusok

Kamera típusok

Két fő típus:

1. CCD

2. CMOS


Kamer k s k palkot s

CCD

Elkülönített fotószenzorok szabályos elrendezésben

Töltés csatolt eszköz (CCDs)

Terület CCD-kés lineáris CCD-k

2 terület típus:

interline transferésframe transfer

fotóérzékeny

tárolás


Ccd kamera

CCD kamera


Kamer k s k palkot s

CMOS

  • Ugyanolyan szenzorelemek, mint CCD-nél

  • Minden fotószenzornak saját erősítője van

    • Több zaj esetén (redukálás ‘fekete’ kép kivonásával)

    • Alacsonyabb érzékenység

  • Standard CMOS technológiát használ

    • Más komponensek is lehetnek a chipen

    • ‘Smart’ pixels


Ccd s cmos

Régebbi technológia

Különleges technológia

Magas gyártási költség

Magasabb teljesítményfelvétel

Magasabb kitöltési tényező

Soros kiolvasás

Aktuális technológia

Standard IC technológia

Olcsó

Alacsonyabb fogyasztás

Kevésbé érzékeny

Pixelenkénti erősítés

Véletlen pixel hozzáférés

Chip-en integrált más komponensekkel

CCD és CMOS


Sz nes kamer k

Színes kamerák

Három típus:

  • Prizmás (3 szenzorral)

  • Szűrő mozaikos

  • Szűrő kerekes

    … és minden háromszorozva


Prizm s sz nes kamera

Prizmás színes kamera

  • Három nyalábbá elkülönített fény prizma segítségével

  • 3 szenzort és precíz beállítást igényel

  • Jó színfelbontás


Prizm s sz nes kamera1

Prizmás színes kamera


Sz r mozaik

Szűrő mozaik

  • Szűrőbevonat direkt a szenzoron


Sz r ker k

Szűrő kerék

  • Lencse előtt forgó szűrők

Csak statikus képekhez


Prizma vs mozaik vs kerekes

Prizma vs. mozaik vs. kerekes

Paraméterek

# szenzorok

Szeparáció

Költség

Frame rate

Jellemző

Hullámsáv

Prizmás

3

Magas

Magas

Magas

3

High-end

kamerák

Mozaik

1

Átlagos

Alacsony

Magas

Aliasing

3

Low-end

kamerák

Wheel

1

Átlagos

Alacsony

Mozgás

3 vagy több

Tudományos

alkalmazások


J sz nes cmos szenzor foveon s x3

Új színes CMOS szenzor - Foveon’s X3

gyorsabb pixelek

Jobb képminőség


Kamer k s k palkot s

Emberi szem

Szem metszete

A szem optikai tengelye


Szenzorok s k palkot s

Szenzorok és képalkotás

Light

Light

RGB + B/W


Szem r szei

Szem részei


Csapok s p lc k

Csapok és pálcák

A csapocskák és pálcikák eloszlása a retinában

Rods and cones in

the periphery

Foveában az eloszlás


Val s l t s speci lis hat sokkal

Valós látás speciális hatásokkal


Val s l t s speci lis hat sokkal1

Valós látás speciális hatásokkal


  • Login