MAPV

Základní fyzikální principy využitelné v počítačovém vidění





Fyzikální principy popisují svět okolo nás. Projevují se proto v každém oboru lidské činnosti. Fyzikální principy se v metodách počítačového vidění objevují v několika oblastech.

První oblastí je způsob jakým se dostává obraz scény na detektor – šíření světla. Zabývá se tedy vlastnostmi a šířením „světla“ od zdroje přes reakci s objekty v prostoru (lom, odraz ...) až po jeho nasměrování (optika) na detektor. Následující text se bude zabývat především touto oblastí. Zároveň sem také spadá část vytváření obrazu na zobrazovačích - úkolem bývá kvalitní reprodukce dat.
V této části nás zajímají parametry spojené s osvětlením scény, kam patří: zdroje a parametry světla, parametry scény, způsob šíření světla (odrazy, lomy, ztráty), zobrazení na detektor (objektiv = paprsková optika + vady optiky).

Druhou oblastí je zpracování signálu od detektoru až po uložení v paměti. Zde jde o převod „světelné“ veličiny na veličinu převážně elektrickou (náboj, napětí, proud) a její následující zpracování (digitalizace) včetně přenosů (bezdrátové nebo po vodičích). Významnou vlastností zde je rušivý vliv šumu na pořízená data.

Třetí oblastí jsou měřené a pomocné měřící veličiny. Mezi výsledné měřené veličiny (kromě těch z první oblasti) patří například poloha, natočení, hustota ... Mezi často používanou pomocnou veličinu patří čas, který ve spojitosti s měřením polohy umožní měřit rychlost.

Poslední oblastí je použití fyzikálních principů pro zdárné vyřešení úlohy. Jelikož jsou jednotlivé řešené úlohy specifické, je nutné vždy uvažovat o nejlepším řešení a neupínat se ke standardním vlastnostem z předchozích oblastí. Prakticky se dá říci, že je dovoleno využít jakékoli vlastnosti, která nám pomůže. Lze použít principy k převodům mezi veličinami, nebo ke zlepšení vlastností při zvýraznění nějaké veličiny (existují například materiály, které mění fyzikální vlastnosti na základě vnějšího vlivu – například luminiscence podle chemického složení, nebo podle místního tlaku (pnutí), existují i převodníky tlaku na barvu (podle tlaku se zbarví nanesený citlivý materiál (jednorázové použití - nevratný proces))).

Pozn.: číselné hodnoty uváděné v textu berte jako orientační, jelikož v různých zdrojích jsou uváděny odlišně.



Optika

Oblast fyziky, která popisuje zmíněnou první oblast se nazývá optika. Zabývá se šířením a vlastnostmi světla. Vzájemným působením paprsků a objektů. Z našeho hlediska je vhodné si všimnout dvou základních dělení.

První dělení je na základě přístupu k „energii“ světla. Z tohoto hlediska se dělí na radiometrii a fotometrii. Z druhého dělení jsou pro nás zajímavé dvě kategorii a to geometrická optika a vlnová optika.

V prvním přístupu (dělení podle energie) je důležitý energetický účinek světla. Radiometrie se zabývá účinkem světla „tak jak je“, neboli v jeho základní fyzikální podobě. Proto pracuje s veličinami, které jsou pro energii standardně používány. Toto jsou veličiny, které je výhodné měřit, protože odpovídají „skutečnosti“. Druhá oblast – fotometrie – se zabývá působením světla s přihlédnutím k vlastnostem lidského zraku (či detektoru). V používaných veličinách je tedy přihlédnuto pouze k té oblasti záření (světla), které je schopné vyvolat vjem v oku a to včetně síly/váhy vjemu pro danou frekvenci (oblast tohoto vjemu je ovšem jiná pro oko navyklé na světlo a navyklé na tmu). Tyto veličiny se používají v oblastech jako je snímání a reprodukce obrazů, jejichž úkolem je zprostředkování obrazového vjemu pro člověka (osvětlení, snímací zařízení (kamery, fotoaparáty), monitory, televizory, tiskárny...).
Pozn. Většina z komerčních zařízení (kamery, monitory) jsou primárně určeny pro „masové“ nasazení v televizním průmyslu. To má sice pozitivní vliv na cenu těchto zařízení, z hlediska použití pro měření však může být na škodu (například RGB filtry u kamer, přizpůsobené lidskému vjemu, nejsou zrovna ideální pro přesné měření barvy v celém rozsahu spektra, ale jsou jen jistou aproximací). Zároveň se využívají různá zjednodušení k dosažení příznivější ceny, která degradují obraz, ale lidskému oku nevadí (například použití ztrátových kompresí, snižování velikosti pixelů (větší šum a horší parametry), různé filtry (například na odstranění IR složky), ...). Z tohoto důvodu se dává při měření přednost průmyslovým kamerám před spotřební elektronikou.
Pozn. Je nutné si uvědomit, že většina snímačů se podobá lidskému oku v tom, že jsou schopny detekovat záření jen v určitém rozsahu (a jejich citlivost zde není konstantní). Jejich rozsah však zpravidla není shodný s rozsahem a citlivostí lidského oka. Jelikož tuto vlastnost zařízení je možné kalibrovat, nečiní při měření problém.

Z druhého přístupu (na základě pohledu na světlo) je možné uvést geometrickou a vlnovou optiku. Geometrická optika je část optiky, která předpokládá zjednodušený model (vhodný v případě, kdy jsou objekty větší než je vlnová délka světla) a zahrnuje v sobě předpoklad přímočarého šíření světla (lépe řečeno, že dráha je „minimální“) a dále sem patří vlastnosti jako odraz a lom. Vlnová optika již předpokládá složitější pohled na světlo a popisuje jevy jako je interference, rozklad světla, nebo polarizace.

Optika tedy tvoří podstatnou část úloh zpracování obrazu od nasvícení scény, přes šíření světla (odraz, lom ...) k optice až následnému zobrazení na detektoru.



světlo

Světlo je elektromagnetické vlnění a patří tak do široké kategorie společně s rádiovými vlnami, roentgenovým zářením, ... Důležitým parametrem je rychlost světla ve vakuu, která je přibližně, c = 3.108 ms-1. Je to maximální rychlost, které lze podle současných vědomostí dosáhnout. Při šíření světla v jiných látkách dochází ke zpomalení. Pomocí této rychlosti je (byla) definována jednotka jeden metr.

Světlo je charakterizováno svým jasem, který udává jak je záření „silné“. Dále je důležité jaké vlnové délky obsahuje. Podle dominujících složek mluvíme o barvě světla. Někdy je mezi světlo počítáno i UV (ultrafialové) a IR (infračervené) záření. Další vlastností je polarizace, která reprezentuje směry elektromagnetických složek ze kterých je světlo složeno.



Světlo sledujeme na jeho dráze v několika oblastech:
- První oblastí jsou vlastnosti zdroje. Zdrojem může být jakékoli vyzařující těleso. Hlavně se zajímáme o parametry, které mají přirozené a umělé zdroje světla, které osvětlují scény. V případě, že máme možnost zdroj definovat (=navrhnout, vybrat), snažíme se, aby měl takové parametry, které by usnadnily další zpracování (jas, barva, polarizace, stálost). Samostatné kategorie tvoří zobrazovací zařízení (tiskárny, displaye ...), které musí co nejvěrněji reprodukovat předlohy.
- Druhou oblastí je cesta světla (změny parametrů v prostředí - směr, výkon, frekvence ...).
- Třetí oblastí je interakce s okolím - srovnání parametrů před a po dopadu (odraz, lom)



jas/intenzita

Důležitým parametrem záření je jeho energie. Elektromagnetická vlna přenáší energii (blíže viz. poyntingův vektor). Na energii dopadajícího záření záleží jaký je výsledný vjem. U člověka (i některých přístrojů) tento výsledný vjem záleží nejen na energii dopadajícího záření, ale také na citlivosti na toto dopadající záření, která se mění s frekvencí světla. Proto rozlišujeme dva přístupy, první hodnotí záření z hlediska jeho skutečné energie = radiometrie, a druhý z hlediska jeho vlivu (vnímání) na lidské (běžné/normalizované) oko = fotometrie.

Oba přístupy se dále zabývají třemi „stádii“ světla – vyzařováním, cestou světla, a dopadem světla na objekt. První část popisuje vlastnost zdroje světla a nazývá se svítivost. Druhá část související s cestou světla se je popisována světelným tokem a účinek světla při dopadu na plochu se nazývá osvětlení.

Svítivost I s jednotkou Kandela [cd] je spojena se zdrojem světla (vztaženým na citlivost lidského oka) - původně svítivost svíčky definovaného materiálu za definovaných podmínek. Bere se jako energie vyslaná do daného směru. U běžné 100W (tepelný výkon, na viditelné světlo jdou řádově procenta) žárovky se uvádí cca 170cd. Celková vyslaná energie nezávisí na vzdálenosti od zdroje – v ploše koule je vždy stejná. Svítivost může být definována i jako směrová – například ±30° 120cd; -30°až +60° 40cd, jinde 0cd.

Světelný tok Φ s jednotkou Lumen [lm = cd . steradián] (cd = lm/sr neboli výkon vztažený na velikost úhlu) popisuje svítivost zdroje (pro lidské oko). Je to energie procházejícího záření zpracovaná lidským okem. (stejnou plochou v různých vzdálenostech prochází různý výkon. Ve větší vzdálenosti je stejná plocha vidět pod menším prostorovým úhlem a proto je v ní i méně lumenů – prochází jí menší výkon. Světelný tok (výkon) ve stejném prostorovém úhlu (kuželu) je však stejný a nezávisí na vzdálenosti - „teče“ stejné množství světla nezávisle na šířce kužele). Lumen je mírou „množství“ viditelného světla v daném prostorovém úhlu. 100W žárovka dává cca 1300lm. Tato hodnota se používá například u projektorů, kde se používá tzv. ANSII lumen – což znamená, že světelný tok je měřen podle normy pro dané zařízení.
Pozn. Hodnota Wattů u žárovek je pouze orientační (spotřeba), u běžných žárovek se na světlo přemění řádově procenta z této energie, většina se mění v teplo.

Osvětlení E s jednotkou lux [lx = lm/m2] udává velikost toku dopadajícího na plochu. Na rozdíl od lm zde záleží na ploše, kterou procházejí. Měsíc v úplňku má 0,2lx, jasné hvězdy 10-5 lx, zataženo v zimě 1500lx, a v létě 13000lx. Pro čtení je nutné minimálně cca 500lx. Tyto hodnoty ukazují vysokou dynamiku lidského oka, které je schopné tuto škálu obsáhnout. Osvětlení se měří fotometrem, luxmetrem. Hodnota se používá pro zjištění světla jak dopadajícího na plochu, tak plochou opětovně vyzářeného. „Využití“ k reklamě - „kamera pracuje i při hodnotě 0lx“ - citlivost detektoru je i v oblasti, kde lidské oko nevidí (přisvícení IR diodami).
Například osvětlení s vysocesvítivými „bílými“ LED pro operační sály od firmy Stryker Communications dává až 160000lx a je možné měnit barevnou teplotu v okolí 3500 až 5000K.

Nit (dříve stilb) - cd/m2 - jas L – udává jak jasným se bude jevit povrch – záření plochého difuzního povrchu – Důležitý parametr například u monitorů – 800 nitů je hranice kdy je obraz viditelný na denním světle. Standardní PC monitor do 300nitů.

V zobrazovací technice se často uvádí též tyto veličiny v poměru s Watty čímž se vyjadřuje účinnost výkonu celkového k „výkonu užitečnému“ - zpracovanému lidským okem (lm/W).

Pro radiometrii jsou následující veličiny (fyzikální energie):

zářivost I [W/sr] udávající výkon vyzářený do jednotky prostoru

zářivý tok [W = W / sr . sr] udává výkon procházející danou oblastí

a intenzita záření [W/m2] udává výkon záření po dopadu na danou plochu



Zářivost bodového zdroje vysílajícího do daného prostoru je v prostoru stejná, světelný tok je v daném úhlu (prostroru) konstantní, na jednotku plochy klesá. Intenzita (vlivu bodového zdroje) klesá s kvadrátem vzdáleností (výkon je stejný, ale (kulová) plocha se zvětšuje)

luxmetry – měří intenzitu

Jasometr – měří osvětlení a přepočítává ho na jas

k měření energie záření se používá radiometr

expozimetr je přístroj, který na základě dopadajícího světla (stálé nebo zábleskové) určí na základě zadaných parametrů parametry zbývající pro kvalitní snímání za daných světelných podmínek (ISO, čas expozice, clona ...)
spotmetr je lepší expozimetr umožňující lépe rozebrat danou scénu a tím i kvalitněji nastavit parametry snímání



Barva

Barva je pro člověka kromě intenzity základní vlastností světla. Za vnímání světla jsou odpovědné čípky, za jas tyčinky. Barevné vnímání je soustředěno do středu zorného pole, ale není tak precizní jako vnímání jasu, jehož detektorů je podstatně více. K barevnému vjemu je potřebná určitá úroveň jasu, při menších osvětleních zůstává pouze černobílý vjem zprostředkovaný citlivějšími tyčinkami. Zpracování probíhá v mozku (někdy se oko bere jako jeho předsunutá součást) a jedná se o složitý proces, jehož činnost se stále zkoumá. Zároveň se uplatňuje řada „triků“ které pomáhají s řešením vidění a jeho zpracováním. V podstatě se má za to, že čípky jsou citlivé na světelné záření s vrcholy v oblasti tří barev. Ke zpracování dochází za kombinace informace z obou očí a z původní RGB informace se spíše zpracovává rozdílová informace barevných složek. Oko se chová jako „diferenční“ detektor. Registruje spíše změny v obraze než konstantní úrovně. Proto nesou více informace hrany a pohybující se objekty. V případě konstantní scény a při dokonalé fixaci oka dojde k vymizení obrazu. U lidského vnímání se jedná o velice složitý a komplexní proces, který je těžké napodobit. Vnímání barvy je subjektivní dojem, který se pro jednotlivé jedince liší.

Při vnímání (reprodukované) barvy člověkem hraje roli i to, že zobrazovací jednotky mají pouze tři složky (přibližně s parametry odpovídajícími maximům v lidském vnímání). K „reálnému“ vyjádření některých barev by však bylo potřebné aby byly některé složky záporné, což však při součtovém zobrazování není možné. Dané barvy pak není možné věrně zobrazit. Dalším problémem při zobrazování je to, že je nutné upravovat jas (tzv. Gamma korekce) protože citlivost lidského oka není lineární. Parametrem zobrazovacích zařízení často bývá diagram vyznačující část barevné plochy (xyz diagramu zobrazujícího „všechny“ barvy) kterou dokáží pokrýt.

Obr. přiřazení „barvy“ k vlnové délce ve viditelné oblasti

Světlo je charakterizováno svou vlnovou délkou ʎ, při frekvenci f . Někdy je termínem světlo nazývána viditelná část spektra, jindy se míní i část ultrafialová, blízká a vzdálená část infračerveného světla (UV, NIR, (MW) VIR, (LW) FIR). Viditelná část spektra se rozkládá v rozmezí vlnových délek (cca) 400 až 740nm (800 až 400THz). Barva je zrakový vjem na působení světla o určité vlnové délce. Oko je nejcitlivější v zelené (zelenožluté) oblasti kolem 555 nm. Směrem k okrajům pásma citlivost oka klesá. CCD kamery mají charakteristiku podobnou, její počátek je na 400nm, ale střed/vrchol je v oblasti 720nm.

Světlo monochromatické – jednobarevné, achromatické – obsahující celé spektrum

Lambda = rychlost / f- je-li rychlost šíření menší zkrátí se vlna. Změna rychlosti se děje v jiném materiálu - s jiným indexem lomu. Pokud má materiál různé indexy lomu pro různé směry (některé krystaly) potom vlny v jednom směru se opožďují za vlnami ve směru jiném - využití pro kruhovou polarizaci.

Převod barva <=> frekvence je subjektivní. Je definováno několik doporučených převodů, které se stále upřesňují. Na následujícím obrázku jsou průběhy jasových složek několika definic a výsledný barevný obrázek, který není upraven (pouze zobrazení na monitor s gamma korekcí). V grafu je vidět i přítomnost „záporných“ barev.

S viditelným světlem sousedí na kratších vlnách světlo ultrafialové (UV záření). Toto světlo může být pro člověka nebezpečné díky vysoce energetickému vlivu (poškození oka, rakovina kůže) a možnosti změny chování materiálů. Toto světlo se používá k detekci některých látek a díky světélkování (reakce ve viditelném spektru) i k hledání chorob či živých/živočišných látek (kriminalistické expertizy). Podobný princip se používá jako ochranný prvek na bankovkách. Používá se v lékařství (léčení, foto terapie, bělení zubů, sterilizace (ovzduší a nástrojů)...).
„UV“ záření (až do hodnoty cca 485nm) je podle hygienických norem nebezpečné pro lidské oko (nevratné změny sítnice ...) a světelné zdroje by je neměly obsahovat. To je problém současných „bílých“ LED (kde je luminofor buzen modrým světlem), které jsou označeny jako „mírně škodlivé“ a je možné nalézt (v některých (konkurenčních(???)) zdrojích) doporučení vyvarovat se přímému pohledu do těchto zdrojů a omezit intenzivní práci v jejich prostředí na cca 15minut.

Na straně delších vln sousedí s viditelným spektrem infračervené záření (IR), které je spojené s vyzařovanou energií. Podle vzdálenosti od viditelného záření se odlišuje blízké a vzdálené IR záření. Blízké záření jsou schopné detekovat i běžné senzory, i když (zvláště u barevných) je tato část často odfiltrována. Senzory pro vzdálenější část jsou vhodné pro detekci teploty (tepelného záření) a používají se například v termovizích. Pixely těchto senzorů musí být přizpůsobeny frekvenci záření a proto na rozdíl od senzorů pro viditelnou část (s rozměrem pixelu 4-8um) mají větší pixely (12 a více um). Jednotlivá „okna“ IR záření (NIR, MW, LW) souvisí s „okny“ útlumu záření v atmosféře, kdy jsou pro detektory vybrány pouze části spektra s menším útlumem.

Je nutné uvést, že běžná optika a optické zařízení jsou vyráběny pouze pro viditelnou část (někdy s přesahem do NIR). Pro případ UV nebo IR je nutné pořídit speciální optiku (zařízení).

transmitance atmosféry (převzato z Baláž, Řehoř - Dosahy OE přístrojů v reálných podmínkách)



Spektormetr – pomocí hranolu nebo difrakční mřížky se rozloží světlo podle frekvencí. Pokud je vstupem neznámé světlo, pak spektrometr slouží k měření přítomných složek. Pokud je zdrojem bílé světlo, tak průchod podél rozložených složek může sloužit ke generování barev – monochromátor. Kalibraci je možné provést pomocí spektrálních čar známých prvků (Hg, Ar )

kolorimetry - měří barevnou situaci ve scéně, dokáží i navrhnout filtr pro správnou reprodukci barev

kalibry – barevné kalibry slouží pro správnou reprodukci, nebo ke kalibraci přístrojů. Pro kalibraci barev můžeme použít složitých mechanizmů (například se spektrometrem), ale většinou můžeme nastavení použít i „na oko“. Jedná se o to, že mícháním barevných složek se mění barvy a i jejich vjem může být různý. Proto například pro věrné zobrazení fotek se používá toho, že se vytvoří (na stroji, na kterém se budou vytvářet fotky) z definované předlohy fotka. Podle této předlohy a fotky se nastaví monitor, na kterém budeme provádět korekce snímků. Jako první si zobrazíme snímek z vytištěné fotky a snažíme se, aby fotka a její obraz na monitoru vypadaly stejně. Tím dosáhneme toho, že i výsledné další fotky by měly být stejné jako na monitoru.
Druhou věcí je kalibrace – na kalibru jsou políčka definovaných barev (a jasů) a na základě jejich sejmutí se snažíme vypočítat korekční koeficienty tak, aby byl výsledek podle definice.
Barvy na kalibru jsou základní barvy, někdy v několika jasech. Společně se základními barvami zde bývají i „barvy“ kůže, oblohy a listové zeleně, které většinou při nastavení pouze ze základních barev nevychází věrně a přitom se ve scéně vyskytují často.

barevný kalibr (s menším počtem barev)



Spektrum - je vyzařováno (zdroje záření), pohlcováno (průchod plynem), odráženo (tělesa)

Spektrální analýza - spektroskop - (hranoly/lom, mřížkový /difrakce na mřížce) - chemické složení látek, barevné složení povrchů + CCD detektor = spektrometr digitální. Bod na spektrum - řádková kamera. Řádka na spektrum - plošná kamera.

Roentgen - defektoskopie - převod na způsob luminiscence nebo přímo-detektory rentgen

Převod UV záření na viditelné - luminiscence





Obr. Diagram chromatičnosti bez „ořezání na podkovu“ (HDTV a CIE - jiné postavení bodů R,G,B,W a zobrazované plochy - trojúhelník) - srovnání s http://cs.wikipedia.org/wiki/CIE



Barevná teplota

Barevná teplota slouží ke rovnávání barvy vůči standardu, kterým je černé těleso, které emituje záření odpovídající dané teplotě (jelikož černé těleso pohlcuje okolní záření, není vyzářená energie ovlivněně odrazy). Některé světelné zdroje, mající podobné vlastnosti jako černé těleso, je možné porovnávat přímo, jiné zdroje musí být pro posouzení (okem) korigovány. Barevná teplota se používá pro „color management“ především při nastavováních tiskových a zobrazovacích zařízení (obecně mají různé typy displejů rozdílné vyzařovací principy a různé poměry výkonů pro jednotlivé barevné složky). Barevná teplota se udává v Kelvinech a například pro kamery a snímky se doporučuje 6500K bílý bod. Černé těleso slouží jako referenční (je přesně definováno plankovým zákonem což je jeho výhoda), nevýhodou je že máme pouze jeden stupeň volnosti (lineární stupnice barva - teplota). Barevnou teplotu často využíváme ke korekcím (či měřením) osvětlení scény - „nevýhodou“ je to, že oko se dokáže „barvě“ zdroje (žárovka je „oranžová“ (3500K), zářivka „modrá“ - a přitom v obou vidíme po adaptaci stejně) přizpůsobit, ale technika ne (proto například fotografie v místnostech osvětlených žárovkou jsou „do oranžova“). V těchto případech musíme barevnou citlivost detektoru přizpůsobit barvě zdroje. Zajímavé je, že „teplé“ světlo (žlutá, červená) má teploty 2700-3000K, zatímco „studené“ světlo (modro zelené) má teplotu větší 5000K.

h, k - konstanty planckova a boltzmannova, I intenzita záření, T teplota abs.č.t, λ vlnová délka





Obrázek ukazuje průběh barev pro jednotlivé barevné teploty. Další potom (se sníženým jasem) ukazuje odpovídající průběh složek RGB. (opět zobrazeno pro různé modely – mají i různě umístěný „bílý“ bod). Zvětšuje li se teplota, začne těleso zářit(vyzařovat energii) ve viditelné části - červená, oranžová, žlutá, bílá, modrobílá, ...



Černé těleso - abstrakce pro hodnocení pohlcování a vyzařování elektromagnetického záření - etalon. Dokonale pohlcuje záření energii. Důležitější je vyzařování (vše pohlcuje a tedy vyzařuje v závislosti na teplotě a to definovaně) - to se děje v širším spektru a závisí na teplotě tělesa, při vyšší teplotě je vyzářená energie vyšší a posouvá se ke kratším vlnovým délkám. Černé těleso plně respektuje planckův zákon. Některé zdroje ho respektují poměrně přesně, jiné velice přibližně.

Protože tělesa při dané teplotě mají stejnou barvu byl zaveden termín barevná teplota pro tuto závislost

Lze aproximovat grafitovými deskami. - slouží k testování a kalibraci IR zařízení



Polarizace

Obecně jsou v prostoru vlny s neuspořádaným směrem/sklonem složek elektromagnetické vlny. Výsledkem je nepolarizované světlo.

Je-li směr (například složky E,B) pouze jeden, hovoříme o vlně polarizované. Jsou-li výsledná E v jedné rovině, potom je vlna lineárně polarizovaná. Jinak je možná ještě polarizace eliptická nebo kruhová.

Pro polarizaci se používají polaroidy, polarizační filtry - polarizují v určitém směru (rozložíme vlnu na dvě kolmé složky, složku vlny ve směru filtrace směru ponechají, část kolmou přemění na teplo). Pro ideálně nepolarizované světlo projde poloviční intenzita

U polarizace polarizovaného světla je intenzita dána cosinem na druhou mezi úhly polarizací. Tohoto principu se využívá ke změně intenzity procházejícího záření.

K polarizaci může dojít i při rozptylu (odrazu), proto použití polarizačního filtru může "vyčistit" fotku za sluného dne (projeví se tím více, čím více jsme od přímého světla)

K polarizaci dochází i při lomu či odrazu - zde se filtry používají k odstranění reflexů od země, vodní hladiny nebo skla. U paprsku odraženého může dojít k polarizaci částečné (není ideálně polarizované), u lomu dochází k polarizaci úplné. Brewsterův úhel udává od kdy je polarizace úplná pro odraz.



Obr. Průchod nepolarizovaného světla trojicí polarizačních filtrů natočených postupně o 0, 45 90 stupňů. Vlnu rozložíme na složky rovnoběžné se strukturou polarizátoru – projde složka souhlasná se směrem polarizátoru.

V horní části je původní polarizovaná vlna (1) ta je zobrazena po průchodu destičkou se směry P a R (2) a R a P (3) (R znamená Rychlý směr – a P je pomalejší směr šíření (vlna se opožďuje)) dolní čtyři řádky potom znázorňují průchod vlny (2) střední dvojice - a (3) - dolní dvojice – destičkami s orientací PR a RP. Je vidět výsledný směr lineární polarizace.

Obr. schématické znázornění 3D kina s lineární (horní část) a kruhovou (dolní část) polarizací. „krabice“ jsou dvojice promítacích přístrojů s polarizačními filtry (může být i jeden přístroj, který vysílá různě polarizované „půlsnímky“), dole plus destička kruhové polarizace. V pravé části je plátno. Pro pozorování jsou polarizační brýle – s lineárními a kruhovými polarizačními filtry. Plátno musí být speciální – galvanizovaný povrch, aby při odrazu nedocházelo k nechtěné polarizaci.

Polarizaci lze chápat tak, že v jednom směru vlny propustí a v druhém směru nepropustí (utlumí). Představit si to lze tak, že se jakákoli vlna rozloží na dvojici (jichž je vektorovým součtem) která má osy společné s propustným a nepropustným směrem polarizátoru. Jsou-li za sebou polarizátory otočené o 90stupńů, neprojde žádné světlo. Co se stane vložíme-li mezi ně polarizátor otočený o 45 stupňů? (viz. obrázek)

V současnosti se rozšiřuje 3D projekce, která využívá toho, že se promítá dvěma projektory přes polarizační filtry, které jsou vůči sobě natočené. Pokud má divák brýle, které mají stejné polarizační roviny na příslušných stranách, přichází do každého oka jiný obraz a výsledkem je prostorový vjem (zdrojem je dvojice obrazů snímaná s vzájemným posunem - bází).

Filtry odstraní polovinu světla, které se promění v teplo.

Plátno, na které se promítá musí být pokovené/galvanizované. Na normální ploše dochází při odrazu k depolarizaci (světlo se odráží jako nepolarizované).

Nevýhodou předchozího řešení lineární polarizace je to, že pokud se osy brýlí odchýlí (například při naklonění hlavy) obraz ztrácí jas.

Toto lze odstranit použitím kruhové polarizace. Toho se dosáhne tím, že mezi filtry a plátno se vloží speciální destičky které převádí lineární polarizaci na kruhovou.

Po průchodu polarizátorem je výsledná vlna lineárně polarizovaná (je v jedné rovině) - obr1. Použijeme-li model rozkladu do dvou kolmých vln (+-45) potom si lze destičku, pro změnu na kruhovou polarizaci, představit tak, že má opět dva směry (ty souhlasí s pomocnými vlnami) - vlastnosti v těchto směrech se liší tak, že jedna vlna postupuje pomaleji. Šířka destičky je zvolena tak, aby na výstupu byla tato vlna zpožděna o čtvrtinu periody. Po opětovném složení vln je výsledkem rotující fázor. Podle volby pomalé a rychlé osy, vůči lineární polarizaci, dojde k rotaci vpravo nebo vlevo. Podobně před brýlemi tyto destičky vrátí (půl) vlnu zpět a výsledkem je vlna lineárně polarizovaná. I vlna s opačnou rotací projde jako lineárně polarizovaná, ale posunutá o 90 stupňů, takže se vždy vlna s opačnou rotací utlumí následným polarizačním filtrem a brýlemi projde jen ta správná). Lze tedy polarizátorem jednoduše vybrat tu správnou. Do oka se dostane až 45% světla vyslaného příslušným projektorem (oproti situaci bez filtrů). Výhodou je, že natočení brýlí nemá vliv na výsledný obraz.

Kruhová polarizace se používá i ve foto-technice. Pro šíření světla (například k expozimetru) se používá zrcadel. Při odrazu dochází k polarizaci. V případě, že by přicházející světlo bylo již polarizováno v opačném směru (například odrazem od vodní hladiny) nedostalo by se k expozimetru nic. Při kruhové polarizaci ke ztrátě při odrazu nedojde.





filtry

Filtry jsou důležitou součástí návrhu aplikací počítačového vidění. Slouží k úpravě procházejícího světla. Filtry se umisťují před objektiv (standardní výměnné filtry), nebo mezi objektiv a detektor (pevné filtry). Jejich funkcí je úprava světelných podmínek, která spočívá v odstranění některé části spektra (a tím zvýraznění ponechané části). Polarizační filtry upravují polarizaci a umožňují využít této vlastnosti. Umožňují též přizpůsobit snímač použitému světlu nebo barevným (odrazným) vlastnostem objektů. Slouží k odstranění nevhodných barev a tím zvýraznění vhodných. V promítací technice jsou filtry důležitou součástí projekčních zařízení. Používá se například rotující kolečko s barevnými filtry a přes ně je vysílán obraz příslušný dané části spektra. Dále je možné promítat „přes“ sebe obrazy různých barev – bílé světlo se filtry rozdělí, vytvoří se jednotlivé části obrazů a ty se ve výsledku složí. Pro 3D zobrazení je důležité použití polarizačních filtrů. Je nutné si uvědomit, že filtry ve zdroji pohlcují část energie. V TV zobrazovacích zařízeních se většinou barevné filtry napaří na svítící body (pixely) – jsou pevnou součástí bodu..

Pro filtry jsou důležité parametry – střední vlnová délka a rozsah pásma, či nejmenší a největší vlnová délka. Mohou být transmisivní (průchod) nebo reflektivní (odraz).

Polarizační filtry – světlo je obecně soubor různě polarizovaných vln (elektrické a magnetické vlny jsou kolmé na sebe ale jejich „natočení“ je libovolné/různé. Pomocí filtrů se dají vybrat vlny s daným směrem. Pomocí vzájemného natáčení dvou polarizačních filtrů umístěných za sebe je možné měnit intenzitu procházejícího světla. Můžou se chovat tak, že jednu polarizaci propouští a opačnou odráží. Výsledná polarizace je tzv. Rovinná (výsledná vlna (konečný bod) složená z obou elmag složek kmitá v rovině, protože vlny jsou posunuty o nula stupňů. To ale vadí některým přístrojům (expozimetry ...), protože okamžitá hodnota může být nulová – proto se provádí posun jedné složky a (výsledek dvou posunutých sinů je elipsa, kruh) výsledná polarizace je eliptická, která má neustále alespoň jednu složku nenulovou.

Odstranění IR složky u barevných kamer – detektor je citlivý i v oblasti neviditelného – IR záření. Aby nedocházelo k ovlivnění výsledku v této složce, přidává se IR filtr (nemusí pak být součástí napařených filtrů RGB).

Difuzéry – filtry, které rozptylují procházející světlo (je možné určit převažující směr rozptylu).



 

Obr. výběr části spektra, která (ne)nese danou informaci – pohled ve viditelné a IR části spektra – popis „zmizel“



interference

Interferometrie - měření malých rozdílů délek - dálkové nebo plošné - moire

Obr interference dvou mřížek – od maxima k maximu je rozdíl jedné periody

Newtonova skla - přesná kontrola přesných ploch. Detekce křivosti při známém světle. Detekce vlnové délky při známých parametrech čoček.

interference - měření malých změn - změna fáze obrazu je daná vlnovou délkou. Oblast měření musí být spojitá. Neměří se absolutní vzdálenost.

Interference na tenké vrstvě - měření odchylek křivosti čoček, implantátů, tloušťky vrstvy ...

Interferometry měří rozdíl fází mezi (původně) koherentními vlnami - rozdíl drah (jedna normálová, druhá měřící), odraz od různých rovin,

interferometry – měření malých posunů,



Difrakce

Difrakční mřížka – slouží k rozložení bílého světla, kdy po odrazu od mřížky se světlo odráží v závislosti na vlnové délce. Využívá se ve spektrometrech kde se zjišťuje z jakých složek je světlo složené, nebo ve zdrojích barevného světla, kdy se po rozdělení bílého světla vybere pouze jeho část – barva, která je potřeba

Difrakční mřížka - mřížka s velkým počtem malých otvorů na které dopadá koherentní světlo. Úhel procházejícího světla je závislý na frekvenci světla a zároveň pro jednotlivou vlnovou délku vytváří ostré maximum. Je-li stínítko vhodně umístěno vidíme spektrum dopadajícího světla. Je-li dopadající světlo bílé, můžeme z výsledku vybrat část - monochromátor - "generátor barevného světla"

Difrakční mřížka s krokem 0,5um - optický disk

Rozlišení - při zobrazení čočkou dochází k nežádoucím jevům (difrakce) v jejichž důsledku se bod zobrazí jako skvrna (gauss/ spíše sync). V případě, že jsou dva body blízko sebe, mohou splynout - jdou od sebe odlišit v případě, že maxima jsou vzdálena alespoň tak, aby byla "na úpatí" skvrny druhé - (přesněji) rayleighovo kriterium. Tento jev se méně projeví pro větší průměry čoček a kratší vlnové délky.



Difrakce (ohyb) vln na překážkách srovnatelných s velikostí vlny.



zdroje světla / nasvícení scény

Osvětlení je důležitou součástí aplikací počítačového vidění. Pomáhá zvětšit kontrast a přesnost (snížení šumu).
Slouží především k osvětlení scény, které je důležité v tom, že souvisí s ostatními parametry snímání, jako je expoziční doba, clona ... Obecně se dá říci, že čím více světla, tím lépe (větší hloubka ostrosti s menší clonou, nerozmazání objektů při kratších časech snímání ...). Další možností je pomoc při detekci objektů, kde se osvětlení využívá ke zlepšení orientace. Značí se barvou, směrem nebo vzorem. U aplikací počítačového vidění může správně zvolené nasvícení ušetřit dosti práce na ostatních částech systému, převážně SW.



Volba typu a směru osvětlení závisí na dané úloze, materiálu a tvaru objektů. Je třeba zhodnotit sílu a směr odrazu, tvorbu stínů, velikost kontrastu měřených detailů, požadovanou rovnoměrnost nasvícení ... Při návrhu (zvláště u lesklých ploch) musíme dávat pozor na různé varianty odražečů. Například při umístění kamery a světla „proti“ sobě dojde k odrazu do kamery. Toto lze odstranit nakloněním systému, kdy se světlo odráží mimo kameru. Problém nastává na vzájemně kolmých plochách, které vytvoří „kout“, který odrazí světlo ve stejné rovině (a tedy v rovině systému světlo kamera) do objektivu.





Způsoby nasvícení

Směrové světlo slouží k obecnému nasvícení objektů. Směr je možné volit od kamery, pod úhlem, nebo téměř tečně k objektu. Světlo od kamery pomáhá potlačovat nerovnosti povrchu, protože netvoří stíny. Nevýhodou mohou být přímé odrazy do objektivu od rovných ploch. Většinou se používají kruhová světla kolem objektivu. Naopak světlo tečné k povrchu pomáhá nerovnosti zvýrazňovat. Nevýhodou tohoto řešení je značná citlivost na vzájemné natočení směru světla a povrchu. Nevýhodou je také zastínění částí objektů (dlouhé stíny). Využívají se řádková (plošná) světla. Světla umístěná mezi těmito polohami zvýrazňují nerovnosti povrchu v závislosti na vzájemné poloze, přičemž většinou nezpůsobují přímé odlesky do kamery. Osvětlení je necitlivé na změnu vzájemné polohy, nebo na změnu polohy objektu.

Difuzní světlo („všesměrové“) vytváří rovnoměrné, monotónní nasvětlení. Jelikož nemá převažující směr, „odstraňuje“ kvalitně nerovnosti povrchu (protože netvoří stíny). Vhodné například pro snímání textu. Většinou netvoří odlesky. Je vytvářeno většinou skupinou světelných zdrojů, které svítí přes matnice (a většinou ještě s několika odrazy přes rozptylující plochy). Dá se realizovat z různých směrů, většinou spíše ve směru od kamery, než ve směru tečném na optickou osu kamery. Speciální variantou je zadní osvětlení (podsvětlení), kdy je objekt umístěn mezi světlo a detektor, což umožňuje použít pouze okraje objektu, ale s obrovským kontrastem. To zvyžuje kvalitu i rychlost detekce objektu. Je potřeba dávat pozor na vnitřní odrazy (například v otvorech). Je vhodné i pro průhledné materiály.

Definované světlo se používá ke značení povrchu (vzory, laserové značení ...). Výhodou je definovaná dodávaná informace, která pomáhá při řešení úkolů imige processingu. Zvyšuje kontrast a „dodává“ měřící body. Často se používá světelný zdroj o určité vlnové délce společně s filtrem.

Využití polarizace – jelikož je polarizace závislá na odrazu/průchodu materiálem, vzniká také při odrazu na nerovnostech, je možné pomocí polarizace odstranit nebo zvýraznit odlesky. Použití polarizace snižuje množství světla.

http://www.fotoradce.cz/polarizacni-filtr-tajemstvi-uspesnych-fotografu-1-dil-clanekid301
http://www.fotoradce.cz/polarizacni-filtr-aneb-jaky-vybrat-2-dil-clanekid302
http://www.paladix.cz/clanek.php?aid=10021&sid=42&hledej=



Speciální nasvětlení například u průhledných (transparentních) materiálů, je možné svítit „zboku dovitř“, přičemž do kamery dopadá pouze světlo odražené na nerovnoměrnostech uvnitř materiálu. Většinou má vysoký kontrast pro vady uvnitř, ale je nezávislý na tvaru povrchu.





Typy zdrojů

LASERy
jsou vlastně rezonátory, kdy světlo při odrazech „nabírá“ energii. Výsledné světlo je většinou monochromatické a směřované v úzkém paprsku, který má gaussovské rozložení (jasu). Parametrem je potom šířka svazku a jeho kvalitu udává divergence (rozptyl). Pro potřeby počítačového vidění jsou nejvýhodnější diodové lasery, které mají rozumné vlastnosti, včetně ceny a spotřeby a jsou pro velkou část aplikací dostatečně použitelné. Většinou jako zdroj přímého světla.
Převážně „červené“, vyrábějí se i IR. Jsou možné i zelené a modré (ale jsou dražší, protože je obtížnější je vyrobit a byly vyráběny později).
Často jsou ve spojení s rozmítači (rovina (čára) , roviny (rovnoběžné čáry)) nebo generátory vzorů (čtvercový rastr ...)
Výstupní výkon je důležitý nejenom z důvodu „síly“ světla, ale také z bezpečnostního hlediska. Podle výkonu dělíme lasery do tříd (které říkají jak jsou člověku bezpečné). Z tohoto důvodu musí mít každé laser označení se svou třídou a maximálním výkonem. Při práci se doporučují ochranné brýle.
Používají se ke značení (3D aktivní měření, kontrola přítomnosti, závory), kdy je potřebné zvýšit kontrast (ve spojení s filtry, které odstíní okolní frekvence).



LED
V poslední době se používají hlavně diodové osvětlení. Je možné je vytvářet v různých barvách včetně IR, pro většinu průmyslových aplikací jsou dostatečně výkonné. Jedna LED dává většinou světlo jedné vlnové délky. Vyrábějí se i různé barvy inegrované v jednom pouzdře. Pro zvětšení výkonu je možné používat pulsní režim, kdy jsou zdroje světla synchronizovány se snímačem. Realizují se jako zdroje přímého nebo difuzního světla.

Požadavky – reprodukovatelnost (ve všech parametrech), neměnnost v prostoru a čase, co nejvýhodnější vlastnosti z hlediska řešeného problému, možnost použití kde je potřeba (transport), možnost použití nasvícení vzorem







Paprsková/geometrická optika - zobrazování



Pro většinu případů stačí zjednodušené vnímání světla, které popisuje paprsková, neboli geometrická, optika. Paprsky světla se šíří přímočaře, platí zákon odrazu a lomu, směr chodu paprsků je záměnný). Tento předpoklad je splněn v případě, že neuvažujeme situace průchodu paprsků kolem objektů s velikostí srovnatelnou s vlnovou délkou. Paprsková optika vychází z toho, že světlo (světelné paprsky) se šíří přímočaře. Jevy, které tomuto předpokladu neodpovídají tedy neuvažujeme.

Tato geometrická optika popisuje především zobrazování pomocí čoček (tenkých) a zrcadel, dále pak lom a odraz.



Odraz a lom

Odraz a lom popisují situace na rozhraní dvou optických prostředí s rozdílným indexem lomu. Situace, kdy se světlo vrací do prostředí, ze kterého přišlo se nazývá odraz. Situace, kdy světlo pokračuje v druhém prostředí se používá termín lom. Odraz a lom jsou základní vlastnosti, které se využívají při konstrukci scén a optických soustav (jsou základem „činnosti“ čoček a zrcadel).

Lom a odraz spolu souvisí tím, že se jedná o jevy na rozhraní dvou prostředí. Prostředím se musí být světlo schopné šířit, jinak se mění na teplo a k jevu (lomu nedochází). Úhly při popisu těchto jevů počítáme vúči normále k ploše v místě dopadu. Všechny paprsky jsou v rovině.

Úhel odrazu se rovnán úhlu dopadu

Paprsek se láme podle indexu lomu prostředí (snellův zákon). Nsin=nsin n=c/v v hustším prostředí je světlo pomalejší. Při dopadu na hustší prostředí se láme ke kolmici/normále. Nedochází k "odrazu' přes hranici = totální odraz (využívá se v optických vláknech, odrazné hranoly (stačí sklo/vzduch)).

Index lomu je funkcí frekvence světla (procenta na viditelné části) - vytváří "duhu" na hranách, čehož lze využít - chromatická disperze.

typy odrazu (lambert, směrový zrcadlový (zrcadla), směrový zpětný (koutový odražeč))

Zrcadla - odraz zrcadlový. Plochá, kulová, parabolická, ... Náhrada čoček, (vypouklá ven - dozorová, dovnitř - zvětšující ) prodloužení optické dráhy, přesměrování paprsku, možnost vidět "za roh" ... Parabolické – katodioptrické - zrcadlo pro "360 stupnů" pohled

Difuzní odraz je „ideální“, pokud respektuje lambertův zákon odrazu - Id=kd. Id . cos ν . Intenzita odraženého světla v daném směru závisí na intenzitě dopadajícího světla. kd je koeficient množství odraženého světla (0-1), a v je úhel odrazu světelného paprsku. Pokud se na takovou plochu díváme pod úhlem, potom nezávisle na úhlu vypadá stejně jasná (pod úhlem se plocha sklopí o cos a je na ní tedy stejně energie). Lambertovské vyzařování se požaduje o zobrazovačů (monitory).

Zrcadla – na rozdíl od klasických zrcadel, kde je metalická odrazná plocha „za sklem“, u přesných zrcadel se odrazná (převážně metalická) vrstva nanáší zepředu. Tato vrstva je však velice citlivá a proto se na ni nesmí sahat. Dá se použít proti-otěrová vrstva, ta ale zhorší optické vlastnosti.

Antiraflexní odrazná vrstva na optice - odráží se (vzduch čočka ) asi 10% světla což zhoršuje kvalitu i sílu (jas) obrazu. Tenká vrstva zamezí odrazu a paprsek se nevrátí.

Odraz způsobuje fázovou změnu vln při odrazu od hustšího prostředí









Zobrazování

Základní jevy, které pomocí paprskové optiky vyšetřujeme je zobrazení bodů z předmětového prostoru (object) do prostoru detektoru – zobrazovače (image). Pro aplikace počítačového vidění jsou snímané objekty před objektivem, průmětná část je za objektivem (na druhé straně).

Pro zobrazování platí základní poučky
– paprsek rovnoběžný z optickou osou se (v místě čočky) láme do ohniska (na druhé straně).
- paprsky procházející ohniskem jsou (po průchodu čočkou) rovnoběžné s optickou osou
- paprsek procházející (čočkou) v místě optické osy pokračuje stejným směrem

Zobrazování můžeme dělit podle toho, kde se nachází zobrazované objekty (podle sestavení čoček mohou, nebo nemusí obracet obraz):
- objekt i obraz nejsou v nekonečnu (klasický případ „běžného“ zobrazení, projekce)
- objekt i obraz jsou v nekonečnu (transformace tloušťka svazku paprsků – převážně v laserové optice, teleskopy)
- jeden v nekonečnu, druhý blíže (kolimátory, získávání rovnoběžného světla (reflektory), detektory (svedení světla do bodu)...)

U jednoduchých modelů se optická soustava (složitá soustava čoček, clon, filtrů, korekčních čoček) nahrazuje pouze jednou čočkou, která soustavu reprezentuje „zvenku“



Základní vzorce se vztahují k vyjádření tzv. dírkové kamery, která reprezentuje nejjednodušší typ perspektivního zobrazení



optická rovnice



zvětšení zobrazovaného objektu




 

Závislost  vzdálenosti obrazové roviny na vzdálenosti objektu a Zvětšení zobrazovaného objektu





čočky
dírková kamera, centrální a perspektivní projekce

zobrazovací rovnice, zvětšení objektu, konstanta kamery, ostření, zaostřená vzdálenost, hloubka ostrosti, clonové číslo, clona a její umístění. Telecentry, zoom, pupila, apertura

fresnelovy čočky

vady optiky

Č očka využívá lomu světla na zakřivených plochách - spojka a rozptylka. Soustavy čoček tvoří optickou soustavu -- objektiv, dalekohled, mikroskop

Běžnou optickou soustavu - objektiv -můžeme nahradit jednou čočkou (paprsek rovnoběžný - ohniskem a naopak ...) ale pro běžné výsledky stačí nahradit měřítkem. Neostří se pouze se hledá rovina ostrosti.





Optické vlastnosti se v této části především zabývají optickou soustavou – objektivem. Vychází se zde z paprskové optiky a uvažuje se i zkreslení na čočkách.



NA – numerická apertura. Čím je větší, tím je vstupní/výstupní kužel kratší (a zařízení dražší, protože se hůře vyrábí).



Optická zařízení – čočky, objektivy
V optických zařízeních často dochází k nechtěným odrazům, které zhoršují kvalitu výsledného obrazu. Z tohoto důvodu se provádí některé úpravy zařízení (vnitřní plochy objektivů, povrchy čoček). Mezi tyto úpravy patří například černění a povrchová úprava čoček (povlakování). Černění se provádí u vnitřních částí objektivů (vodičů světla) a také po obvodech čoček (hrana), které (ač se to může zdát nepravděpodobné) podstatně zlepšuje kvalitu zobrazení. Paprsky, které přicházejí „zboku“ objektivu (tj. ty, které by teoreticky měly „narazit“ a dále objektivem nepokračovat) se difuzně odrážejí a tím snižují kvalitu snímků (zašumí signál). Povlakováním povrchů čoček se snaží výrobci zlepšit průchod světla optickou soustavou. Prakticky se snaží o to, aby světlo procházelo správným směrem, neodráželo se zpět (ztráta energie), a pokud se odrazí, aby raději pokračovalo zpět než aby se vracelo a vytvářelo „duchy“. (Což platí pro „čočkové“ systémy, u zrcadel je to ovšem podobné). Toto povlakování může tvořit filtry, které mohou být frekvenčně závislé, mohou také část spektra absorbovat (například pásmové zádrže, polarizační filtry...).
Achromatická čočka je složená ze dvou vrstev, jejichž výsledkem je, že paprsky různých vlnových délek postupují (mimo čočku) po stejných drahách a nedochází k barevné chybě. Rozsah pro který se čočka chová achromaticky je jejím parametrem (UV, viditelné, NIR ...).
Asférické čočky – standardní čočky (plano konvexní) vykazují sférickou vadu, která je způsobena tím, že (rovnoběžné) paprsky se podle vzdálenosti od optické osy (procházejí jinak „tlustou“ částí čočky) lomí do „různého“ ohniska. Výsledkem je, že místo zobrazení bodu se zobrazí „oblast“. Čočky, které tuto vadu korigují, se nazývají asférické. Zároveň mohou korigovat i další typy zkreslení (poduškovitost, soudkovitost ...).
Čočky mohou mít různé tvary – pro soustředění světla se používají kuličky, válečky („ostří“ pouze v jednom směru), další se používají pro vedení světla, nebo jeho dělení ...
Speciální kategorií čoček jsou fresnelovy čočky – zakřivení klasické čočky je nahrazeno sérií „rýh“ v plochém podkladu. Vzdálenost rýh je nutné vypočítat podle požadavků na čočku. Výhodou je, že čočka je tenká a proto má malé světelné ztráty. Další výhodou je možnost realizace čočky podle požadavků (například nesouměrné vlastnosti čoček). Čočky jsou tím přesnější čím jsou rýhy tenší. Proto jsou čočky většinou méně přesné (rozptyl, zkreslení) a používají se proto především ke „zpracování“ světla.





objektivy



Objektivy se používají jako základní součást zobrazovacích systémů, která promítá okolní obraz na detektor. I když existují aplikace které optiku nepoužívají (laserové světlo, odrazy ...), vyskytuje se objektiv u většiny aplikací počítačového vidění. Výběr objektivů se řídí podle požadavků a možností aplikace. K požadavkům patří například velikost snímaného pole, vzdálenost objektivu od objektu, barevné a jasové poměry, kvalita zobrazení (zkreslení jasové, tvarové, zobrazení detailu ... ), ... Mezi možnosti aplikace patří možnost využití elektroniky, určité části spektra, umělé nasvícení ...

Základním parametry jsou F/#, ohnisková vzdálenost. Další parametry velikost zkreslení, vykorigování (barevných) vad, (žádná/ mechanická/ elektrická/ elektronická) clona, (žádná/ mechanická/ elektrická/ elektronická) možnost zaostření, (žádná/ mechanická/ elektrická/ elektronická) možnost zoomu (digitální nepočítáme). Možnost přidělat/připojit předsádky (expandery, filtry, clony ...).

F/# je f-number, clonové číslo



Pro zjištění hodnoty vhodného objektivu potřebujeme znát: velikost zabírané plochy a její vzdálenost.
Zvětšení systému.


Objektivy mohou být vyrobeny pro určitou vlnovou délku (barvu) nebo pro široké spekturm. Podle kvality (a ceny) potom zobrazují všechny vlnové délky stejně nebo rozdílně (barevná vada vznikající z důvodu závislosti lomu světla na jeho frekvenci. Řeší se skládáním čoček z více čoček z materiálů s různou hodnotou indexu lomu, čímž se vada kompenzuje – achromatické čočky).

Objektivy se vyrábějí pro určitou velikost průmětné roviny (velikost čipu). Je vhodné využít k sobě patřící optiku a detektor. Je možné použít i menší detektor než pro který je objektiv určený (v opačném případě dojde na okrajích snímku k chybám).

Objektivy se vyrábějí s několika standardními zakončeními (kterými se připevňují k šasi s detektorem) – bajonetové objektivy (Nikkon, F, 46,5mm zobrazovací plocha), C a CS závit. Tyto systémy se liší typem závitu, ale především vzdáleností uchycení objektivu (zadní strany) od detektoru. Mají stejný závit, ale různé roviny do kterých zobrazují ostrý obrázek. C zobrazuje do 17,5, CS do 12,5. Objektiv C lze použít i s CS kamerou, je potřebné ovšem mezi kameru a objektiv vložit mezikroužek tlustý 5mm. Tím se průmětná rovina, která původně byla za detektorem (C zobrazuje o 5mm dále), posune na detektor. CS objektiv nelze použít s C kamerou, protože průmětná rovina je 5mm před detektorem (směrem k objektivu) a není možné ji fyzicky posunout k detektoru (museli bychom zašroubovat objektiv o 5mm hlouběji).

Objektivy jsou určeny pro určitou část spektra (ve které jsou korigovány chromatické chyby. Ostatní části většinou přenášejí ale v horší kvalitě) – proto jsou objektivy určené pro UV, VIS, NIR.

Parametry objektivu jsou na něm uvedeny

Objektiv, širokoúhlý objektiv - malé ohnisko a široký záběr, teleobjektiv - dlouhé ohnisko a úzký záběrr

Transfokátor - zoom - zvětšení a ostření by se neměly ovlivnovat

Clonové číslo - světelnost objektivu

hloubka ostrosti

ostrosti udává, o kolik je možné pohnout objektem (resp. Senzorem), aby nedošlo k jeho rozostření

pro kroužek průměru k je

, .

D je průměr výstupní pupily (je dán průmětem nejužšího místa do výstupu,  (světelnost objektivu, clonové číslo) udává vliv clony na hloubku ostrosti. Hloubka ostrosti je větší pro větší vzdálenost od kamery (x), větší pro menší ohniskové vzdálenosti (f), větší pro menší průměr clony (d), větší pro větší krok detektoru, pixel (k).

Možnosti a typy objektivů:



Kvalita zobrazení se posuzuje podle MTF křivky, která říká jaký je detail zobrazovaný v „ostré“ rovině. Je závislé na nastavené cloně objektivu. Udává se pro řezy v různých vzdálenostech od středu. Je to závislost konstrastu na frekvenci (lp/mm).



















3D kamery a zobrazovače

speciálníí – lentikulární čočky, které směřují část obrazových pixelů vlevo a část vpravo, tím každé oko dostává jiný obraz a ten je prostorový. Jev platí jen v úzkém pásmu. Je možné definovat i více takovýchto sektorů – tím se rozšíří pásmo prostorového vidění, ale sníží se rozlišovací schopnost, protože každý sektor musí mít vlastní pixel.



výpočet zorného pole, optiky, objektivu



c/cs a f mount





související vlastnosti
- kontrast
- mtf,, psf ...
- model pixelu
- aliasing



Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

teorie, využití, přístroje









Optika Fyzika pro gymnázia

Optika Halliday

wikipedie

http://www.fotografovani.cz/art/fozak_df/rom_1_03_jas.html
http://www.fotografovani.cz/art/fozak_df/rom_1p_01_photometry.html

http://www.asb-portal.cz/tzb/osvetleni-a-elektroinstalace/metody-mereni-svetla-a-osvetleni-1686.html

http://www.konicaminolta.com/instruments/products/light/luminance-meter/ls100-ls110/index.html



Poslední změna 2012-03-02