ADQUISICIÓN IMAGEN DIGITAL 1. INTRODUCCIÓN. Los sistemas de Visión Artificial se encuentran con escenas visuales de información en el espacio continuo y sin embargo el desarrollo y diseño de los equipos se sustenta en tecnología digital. Luego se evidencia el paso de información continua en el tiempo a discreta. El motivo es iluminado demanera óptima, tal que aumente elcontrasteentre el fondo y los objetosde interés; la luz reflejada o transmitida pasa a través de un sistemaóptico, adecuando la escena al tamaño del elemento sensor. El transductor está constituidopor elementossensores, que convierten
los haces luminososrecibidos en una señal eléctrica
Fig.1Captura digital: desde el espacio continuo al
discreto
2. SENSORES DE IMAGEN . El sensor de imagen es el elemento de una cámara fotográfica digital que capta la luz que compone la fotografía. El sensor es una matriz de pequeñas celdas perfectamente alineadas en filas y/o columnas. Cada una de esas celdas es un elemento fotosensible microscópico, con la capacidad de generar electrones en función de la cantidad de luz que recibe. Cada celda producirá un flujo eléctrico variable sobre la base de cantidad de luz que incida en su superficie.
2.1 FUNDAMENTOS FOTOSENSOR.
DEL
El elemento básico de las células fotosensibles son los píxeles. Éstos están constituidos por condensadores MOS (Metal Oxido Semiconductor). Sobre un substrato de silicio de tipo P, se monta una zona de tipo N y se deposita una película de dióxido de silicio, SiO 2, formando una capa de aislante o dieléctrico. Fig.2 Estructura del pixel
Encima de esta capa se sitúa un electrodo conductor de polisilicio transparente. La radiación incidente de la luz visible pasa a través del conductor transparente y crean pares electrón-hueco en el semiconductor. Los huecos libres se combinan con los electrones del substrato, mientras que la acumulación de los electrones libres produceuna carga eléctrica proporcional a la intensidad de la luz y al tiempo de integración.
2.2 TECNOLOGÍA DE LOS SENSORES Los sensores de un solo disparo pueden estar basados en dos tipos de tecnologías, CCD (Charged Couple Device) o CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Tradicionalmente se utilizaron los CCD para las cámaras profesionales y semi profesionales y los CMOS para las cámaras de aficionados y las webcam.
2.2.1 TECNOLOGÍA CCD. Este tipo de sensor debe su nombre a una tecnología que en sus principios se empleó en lafabricación de memorias de acceso secuencial. Los dispositivos de carga acoplada (CCD) no son másque dispositivos electrónicos de silicio que en cada uno de sus puntos fotosensibles incorpora unfotodiodo, cuya propiedad es generar electrones dependiendo de la cantidad de luz que incide sobreél. Al captar la imagen estos diferentes fotodiodos producen una carga electrónica proporcional a laluz incidente y es, en la lectura de estas cargas electrónicas, donde encontramos la mayor diferenciaentre las dos tecnologías aquí analizadas. En el CCD, mediante una señal de reloj procedente del circuito integrado de la cámara, la carga queposee uno de estos fotodiodos va pasando de éste al adyacente y así sucesivamente hasta llegar aun registro — también formado por dispositivos de carga acoplada — que es el encargado de irsuministrando, por orden secuencial, las diferentes cargas que poseen los distintos fotodiodos queforman el sensor. Estas cargas electrónicas se convierten en potencial eléctrico — voltaje — , que seamplifica y se recoge en el circuito integrado de la cámara, encargado de procesar estos datos yproporcionar una señal digital que se graba en memoria.
2.2.1 TECNOLOGÍA CMOS. Este dispositivo recibe su nombre del método de fabricación utilizado en su elaboración. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) no es más que una forma de fabricación de circuitos integrados que se ha convertido en la más generalizada en la fabricación de microchips, relegando la tecnología TTL con la que se fabricaban los primeros chips. Esta es su gran ventaja, ya que su fabricación es posible en cualquier planta de fabricación de memorias, microprocesadores y demás controladores sin apenas realizar cambios en la cadena de montaje, lo que repercute en un menor coste. Estos dispositivos se caracterizan ante todo porque cada fotodiodo integrado en el sensor lleva consigo la electrónica necesaria para convertir la carga de electrones generada en voltaje, así como un registro individual de este voltaje. Esto supone que la superficie necesaria para captar la luz, al mismo tamaño de celda, es menor que en un CCD, pero tiene la gran ventaja de poder acceder a la información captada no solo en la totalidad del dispositivo sino también a una zona particular de éste. El chip sensor CMOS no sólo
integra los fotodiodos sino que también integra toda la electrónica necesaria para el control y lectura de estos, así como el conversor analógico-digital, lo que se traduce en un menor tamaño de los circuitos necesarios para la captura de imágenes.
2.2.3 COMPARACIÓN ENTRE TECNOLOGÍAS CCD Y CMOS Las cámaras CCD tienen una mejor calidad de las imágenes y flexibilidad a expensas de un mayor tamaño. Sus aplicaciones son en fotografía digital, aplicaciones industriales de altas prestaciones, aplicaciones científicas y médicas. Mientras las cámaras CMOS tiene una integración mayor, menor disipación y tamaño más reducido, a expensas de una menor calidad de imagen y menor flexibilidad. Para grandes volúmenes con pocos requerimientos de calidad es la opción tecnológica. Sus aplicaciones principales son las cámaras de seguridad, webcam, código de barras, scanners, juguetes, teléfonos móviles, ....
Fig3. Tecnología CCD vs CMOS
Como hemos visto, la gran diferencia entre ambos dispositivos es su construcción. Ambos se basan en el silicio para ello, pero mientras en el CCD la carga electrónica va pasando de forma secuencial hasta el dispositivo que la convierte en voltaje, en el CMOS esta conversión se realiza en el mismo fotodiodo. No obstante, esta forma de actuar es la que marca las diferencias entre uno y otro. Expresando esto en una tabla obtenemos lo siguiente: SENSOR
CCD
CMOS
ELECTRÓNICA DE CONTROL
La electrónica de control se encuentra fuera del el dispositivo de captura. Menor integración.
La electrónica de control se encuentra integrada en el dispositivo de captura. Mayor integración
SENSIBILIDAD(capacidad de generar carga eléctrica por unidad de luz)
Menor respuesta en proceso de desarrollo.
Mejor respuesta por la electrónica de control integrada
RANGO DINÁMICO ( nivel Alto. Supera al doble al CMOS de señal medible entre el Medio. Menor superficie captadora superficie responsable de captar luz umbral del fotodiodo y su de luz. mayor saturación ) RUIDO
Bajo. Por tener menor electrónica
Alto. Mayor electrónica por sensor.
integrada en el sensor
VELOCIDAD DE OBTURACIÓN
Mayor velocidad de obturación
Menor velocidad de obturación
BLOOMING (saturación de fotodiodos adyacentes )
Muy sensible. Por transferencia de Insensible. No existe transferencia carga entre fotodiodos de carga
CONSUMO ELÉCTRICO
Mayor.
Mucho menor.
3. CAPTURA DEL COLOR Una cámara digital utiliza una matriz de millones de diminutas cavidades de luz o "fotosensores" para grabar una imagen. Cuando se presiona el botón del obturador de la cámara y comienza la exposición, cada una de ellas se destapa para recoger y almacenar fotones. Una vez que finalice la exposición, la cámara se cierra cada uno de estos fotolitos, y luego trata de evaluar cuántos fotones cayó en cada una. La cantidad relativa de los fotones en cada cavidad se clasifican en varios niveles de intensidad, cuya precisión se determina por la profundidad de bits (0 – 255 para una Fig.4 Cavidad de la imagen de 8-bits). matriz
Sin embargo, la matriz de la Fig.4y5 no haría sino crear imágenes en escala de grises, ya que estas cavidades son incapaces de distinguir lo mucho que tienen de cada color. Para capturar imágenes en color, un filtro tiene que ser colocado sobre cada cavidad que permite sólo los colores particulares de la luz. Prácticamente todas las cámaras digitales actuales sólo puede capturar uno de los tres colores primarios en cada cavidad, por lo que descarta aproximadamente 2/3 de la luz entrante. Como resultado, la cámara tiene que aproximar los otros dos colores primarios con el fin de tener todo color en cada píxel. El tipo más común de color matriz de filtro se denomina una "matriz Bayer, ”. Fig6 y 7. Una matriz de Bayer consiste en alternar hileras de filtros rojo, verde y azul-verde. Observe cómo la matriz Bayer contiene verde dos veces más que los sensores de color rojo o azul. Cada color primario no recibe una fracción igual de la superficie total debido a que el ojo humano es más sensible a la luz verde que el rojo y el azul claro. La redundancia con píxeles verdes produce una imagen que aparece menos ruidoso y tiene un detalle más fino de lo que podría lograrse si cada
color se trata igual. Esto también explica por qué el ruido en el canal verde es mucho menor que para los otros dos colores primarios. Según Bayer, la información obtenida de los fotosensores verdes conformala luminancia, mientras que los fotosensores azul y rojo conforman la crominancia.Aquí entra la función principal del procesador de imagen es la de unificar la informaciónde de luminancia y crominancia de cada píxel (formato RAW) y utilizarla para interpolar lainformación de color y brillo (comprimida en JPEG o en formato TIFF). Cuando la cámara digital finaliza la manipulación de los datos y obtiene la imagen en mapa de bits (píxeles), éstos, se almacenan como un archivo digital en una tarjeta de memoria interna.Las cámaras digitales se encuentran provistas de una pequeña memoria interna o memoria buffer, que sirve para almacenar los datos de la imagen de forma temporal, una vez se ha finalizado la capturación de la imagen.
4. FORMATO DE ALMACENAMIENTO DE LAS IMÁGENES. Una imagen digital no es más que un tipo de archivo en el que se ha descompuesto la imagen real en un conjunto de puntos y se almacena la información cromática de dichos puntos.Cuantos más puntos se utilicen para descomponer la imagen física, más fiel podrá ser luego la reconstrucción de la misma. Este aumento de puntos implicará que el archivo que los contiene tendrá también un tamaño mayor. Estos archivos de imagen se denominan formatos.
Formato TIFF
RAW
JPEG
Ventajas sin pérdidas. muy usado por cámaras digitales y programas de retoque. alta calidad (admite una profundidad de color de 64 bits). alternativa al formato TIFF. almacena directamente la información que procede del sensor de la cámara digital. proceso de almacenamiento más rápido que el formato TIFF. nivel de calidad semejante al de las imágenes en formato TIFF. formato muy popular, siendo uno de los más usados en Internet. imágenes que ocupan muy poco espacio en comparación con el formato TIFF. puede decidirse el nivel de
Inconvenientes archivos de tamaño grande.
distintos formatos RAW, según fabricantes. trabajar con imágenes en este formato supone andar comprimiendo y descomprimiendo. archivos de tamaño grande. es un algoritmo compresor con pérdidas de calidad.
compresión (y por tanto de calidad) que se desea tener.
GIF
PNG
PSD
muy conocido entre los internautas. emplea un algoritmo de compresión sin pérdidas permite transparencias e imágenes rodantes (que reciben el nombre de GIFs animados) utilizado en Internet, aunque menos que JPEG y GIF. concebido como el sustituto de GIF, incrementando su profundidad de color (hasta los 48 bits) y por tanto la calidad. usa un mecanismo mejorado de compresión sin pérdidas. formato nativo del conocido programa de retoque fotográfico Photoshop. admite capas, texto y almacena el estado de edición / manipulación en que puede haber quedado una imagen. Permite almacenar las imágenes con la calidad más alta.
la calidad en las imágenes no llega a ser muy alta por su limitada profundidad de color (sólo 8 bits).
las imágenes ocupan más espacio que si estuviesen en formato JPEG o GIF.
La calidad de las imágenes almacenadas implica el uso de un gran espacio en disco.
BIBLIOGRAFÍA -
http://www.cambridgeincolour.com/tutorials/camera-sensors.htm
-
http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html.
-
http://www.canonistas.com/foros/blogs/degayon/785-tamanos-del-sensor-denuestras-camaras-y-funcionamiento-basico.htm http://www.madboxpc.com/como-funciona-camara-digital-sensor-ccd-parte-1/ http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Sensor_CMOS&oldid=15990650 . http://www.dzoom.org.es/cont-38-formato-fichero-imagen-fotografia.html
-
-
