Kamer k s k palkot s
Download
1 / 72

Kamerák és képalkotás - PowerPoint PPT Presentation


  • 133 Views
  • Uploaded on

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

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Kamerák és képalkotás' - erica


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



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



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 megfelelő távlatpontban

VPL

H

VPR

VP1

VP2

Különböző irányokhoz különbözőtávlatpontok tartoznak

VP3


K vetkezm ny az rz kel sben
Következmény az érzékelésben* megfelelő távlatpontban

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 megfelelő távlatpontban

Logaritmikusa természetben

Térben változó ráccsal kell térképezni az érzékelés során


Perspekt vit s hat sa
Perspektívitás hatása megfelelő távlatpontban


Kamera modellek

Kamera modellek megfelelő távlatpontban

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: így helyezkedik el

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 így helyezkedik el

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 így helyezkedik el

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

Képpont (U,V,W)

Ellenőrizzük!

A kamera mátrix


P projekci geometriai tulajdons gai

Pont pontba így helyezkedik el

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

( így helyezkedik elmert vonalak vonalba)

Poliéderek poligonba képződnek


P projekci tulajdons gai

Képsíkkal párhuzamos vonal skálázódik így helyezkedik el

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 így helyezkedik el“vonal címkézés” feladata

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

Csomópontok - kereszteződések


Ortografikus projekció így helyezkedik el

  • Párhuzamos vetítő sugarak esetében

  • f “végtelen nagy”


Az ortografikus projekci m trixa
Az ortografikus projekció mátrixa így helyezkedik el

Tulajdonságok:

  • Párhuzamos párhuzamosba

  • Méretek nem változnak a kamerától mért távolság függvényében


Gyenge perspekt va weak perspective

Perspektív projekció nem lineáris így helyezkedik el

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)


Gyenge perspektíva: affin projekció így helyezkedik el

a nagyítás állandó


Gyenge perspektíva modell így helyezkedik el

HaZkonstans x= kXésy = kY,

aholk=f/Z skálázó faktor

Ortografikus projekciót és skálázást jelent


Összehasonlítás így helyezkedik el

Gyenge perspektív

Perspektív




A pinhole kamer k hat ra
A pinhole kamerák határa így helyezkedik el


A pinhole kamer k hat ra1
A pinhole kamerák határa így helyezkedik el

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 így helyezkedik el


Lencs k haszn lat nak oka
Lencsék használatának oka így helyezkedik el

  • Több fényt kell beengedni

  • (Fény)nyalábok fókuszálása


F nyt r s
Fénytörés így helyezkedik el

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 így helyezkedik el

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 így helyezkedik el

Vékony lencsék

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


V kony lencs k sszefoglal s
Vékony lencsék - összefoglalás így helyezkedik el

Vékony lencsék - összefoglalás

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


Mélységi élesség így helyezkedik el


Mélységi élesség így helyezkedik el

Hasonlóan


Mélységi élesség így helyezkedik el

Csökken d-vel, nő Z0-val

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


Eltérések a gyakorlatban így helyezkedik el

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


Leképezési hibák (aberrations) így helyezkedik el

Hibatípusok:

  • Geometriai:

    • Nagy szögekre nagyobb

    • Harmadrendű optika

  • Kromatikus

    • A hullámhossz függvénye a törés

Marc Pollefeys


Geometriai aberrációk így helyezkedik el

  • gömbi eltérés

  • asztigmatizmus

  • Torzítás

  • kóma

Lencsékkel redukálhatóak ezek a hibák


Gömbi eltérés - szferikus aberráció így helyezkedik el

  • 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 így helyezkedik el

  • 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 így helyezkedik el

  • 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 így helyezkedik el“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


Kromatikus aberráció így helyezkedik el

A különböző hullámhosszú fények különböző helyen fókuszálnak

Nem lehet teljesen megszüntetni

Marc Pollefeys


Vignetting így helyezkedik el


Kamera t pusok

Kamera típusok így helyezkedik el

Két fő típus:

1. CCD

2. CMOS


CCD így helyezkedik el

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 így helyezkedik el


CMOS így helyezkedik el

  • 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 így helyezkedik el

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 így helyezkedik el

Három típus:

  • Prizmás (3 szenzorral)

  • Szűrő mozaikos

  • Szűrő kerekes

    … és minden háromszorozva


Prizm s sz nes kamera
Prizmás színes kamera így helyezkedik el

  • Három nyalábbá elkülönített fény prizma segítségével

  • 3 szenzort és precíz beállítást igényel

  • Jó színfelbontás


Prizm s sz nes kamera1
Prizmás színes kamera így helyezkedik el


Sz r mozaik
Szűrő mozaik így helyezkedik el

  • Szűrőbevonat direkt a szenzoron


Sz r ker k
Szűrő kerék így helyezkedik el

  • Lencse előtt forgó szűrők

Csak statikus képekhez


Prizma vs mozaik vs kerekes
Prizma vs. mozaik vs. kerekes így helyezkedik el

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 így helyezkedik el

gyorsabb pixelek

Jobb képminőség


Emberi szem így helyezkedik el

Szem metszete

A szem optikai tengelye


Szenzorok s k palkot s
Szenzorok és képalkotás így helyezkedik el

Light

Light

RGB + B/W


Szem r szei
Szem részei így helyezkedik el


Csapok s p lc k
Csapok és pálcák így helyezkedik el

A csapocskák és pálcikák eloszlása a retinában

Rods and cones in

the periphery

Foveában az eloszlás