Formation Image

7/29/2019 Formation Image

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Vision par ordinateur:

Formation dimage et Photographie

Sebastien Roy

Jean-Philippe Tardif

Marc-Antoine DrouinDepartement dInformatique et de recherche operationnelle

Universite de Montreal

Hiver 2007
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Au programme

1 Optique

2 Capteurs CCD/CMOS
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Formation de limage

Dou provient limage ?

Systeme optique Parametres associes a la camera(lentille, distance focale, angle de vue, ...)

Photometrie Parametres associes a la lumiere

(illumination, reflectance des surfaces, sensibilitedu senseur)

Geometrie Parametres de la relation entre le monde etlimage(type de projection, position et orientation de lacamera, distorsion, ...)Voir lecon : Modeles de camera
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Introduction

Excellente reference : http://www.vanwalree.com/

Lentille de Gauss :
http://www.vanwalree.com/http://www.vanwalree.com/http://find/


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Defauts dimage

Aberrations de Siedel Aberrations spheriquesComaAstigmatismeCourbure du plan focalDistorsion

Couleur Aberrations chromatiques

Autres effets Vignettage

Reflets (Flare)DiffractionProfondeur de champs
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Distorsion

Distorsion qui rend courbes les lignes droites

Di i
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Distorsion

Distorsion dimage Distorsion perspective

La distorsion perspective depend du point de vue seulement et dela profondeur des objets

Vi
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Vignettage

Definition

Diminution graduelle de lintensite lumineuse vers les bords delimage

Causes : naturelles ou mecaniques

Vi i
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Vignettage mecanique

La lentille cause une obstruction

Vi tt i
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Lorsquon est sur le bord de limage, la profondeur de la lentille

affecte la lumiere qui passe.

Vi tt i


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Vignettage naturel
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Vignettage naturel

Cest la loi du cos4 :

cos2(b) : La loi de linverse du carre de la distance

cos(b) : La pupille devient elliptique lorsque vue de cote

cos(b) : La lumiere frappe limage a angle b (de cote)

Reflets


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Reflets

Les reflets sont causes par de lumiere indesirables :

Reflets
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Reflets

Profondeur de champs


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Profondeur de champs

DefinitionIntervalle de profondeur sur lequel les objets sont projetes surlimage avec une nettete suffisante.

Directement relie a la nettete de limage :

Formation de limage numerique
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Formation de l image numerique

Pour une image numerique :

Proprietes physiques du senseur

Nature discrete des recepteurs

Quantification et courbe de reponse de lintensite

Radiometrie
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Radiometrie

Irradiance dune image (Eclairement energetique) Puissancetotale de la lumiere captee (par unite desurface) a un chaque point p dune

image

Radiance dune scene Puissance (par unite de surface) de lalumiere emise par un point P dunesurface dans la direction d

Reflectance
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Reflectance

Reflectance dune surface

Un modele de reflectance determine comment la lumiere reflete sur

une surface

Par exemple :

Modele Lambertien Une surface est lambertienne si la lumiererefletee est independante de la direction d de

lobservateur

L = In

albedo

I direction de lillumination

n normale de la surface

Si lon change de point de vue vers une surface plus inclinee :Lobservateur voit une plus grande partie de surfaceLa surface reflete moins de lumiere a cause de langle de vue

Les deux effets sannulent : invariance au point de vue

Capteur CCD (Charged Coupled Device)
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Capteur CCD (Charged Coupled Device)

CCD

Cellule photo rendue plus sensible grace a une charge electrique

Fig.: Source :http ://www.ccd.com/ccd107.html.

Tous les lignes sont transferes parallelement vers un registre

Le signal est digitalise dans louput node

CMOS (complementary metal oxide semiconductor)

Une technologie concourante, avec differentes forces/faiblesses. A

ce jour, lune des deux technologie ne se demarque pas clairement.

Capturer la lumiere
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Capturer la lumiere

Photon

Particule elementaire de lumiere possedant une longueur donde et

une energieAbsorbee par le substrat de silicium, lenergie acquise libere unou plusieurs electrons

La profondeur a laquelle un photon est absorbe depend de sa

longueur donde (voir image)

Fig.: Source :http ://www.kodak.com/go/ccd.

Zone Critique et Efficacite Quantique
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Zone Critique et Efficacite Quantique

Zone Critique

Zone dans laquelle les electrons doivent etre generes afin de

pouvoir etre comptesPas tous les photons qui sont transformes en electron

Efficacite quantique

Le taux de conversion : depend de la longueur donde


Blooming
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Blooming

Definition

Les electrons debordent des puits et se deversent dans les autrespuits

Cree des artefacts importants


Anti-Blooming


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g

Des portes controlent le debordement

Un drain permet devacuer les electrons

Reduit la taille de chaque pixel jusqua 30%


Traitement de la couleur


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Matrice Bayer

Utilisation de filtres :

Rouge, Vert et Bleu (modele additif)Cyan, Magenta et Jaune (modele soustractif)

Chaque pixel a un filtre un canal par pixel

Interpolation des valeurs manquantes

Systeme peu dispendieux et tres repandu, meme danscertaines cameras haute gamme

Fig.: Source :http ://www.kodak.com/go/imagers.

Bruit


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Bruit dans limage

Phenomene tres importantAffecte tous les algorithmes de visionComment sen sortir ? pixel = variable aleatoire !

Probleme de contamination du signal par :LhorlogeLamplificateur du signal (output Node)Circuits electroniques prochesInvariable par rapport a la taille des pixels

Effet : Meme irradiance ne donne pas la meme mesure dintensite

Estimation du bruit ?

Une facon : Prendre de nombreuses images de la meme scene, puiscalculer la variance de chaque pixel.

Digitalisation dun pixel
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g p

Le niveau zero electronLorsque lon mesure le nombre delectrons collectes, il fautcomparer a un point de referenceBruit thermique ajoute a la reference

Correlated Double Sampling (CDS) :Lecture de la referenceLecture du signal recuSoustraction pour obtenir le signal final


Dark Count


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Le CCD genere des electrons en fonctionnant

Proportionnelle a la temperature

Lineaire avec le temps dexpositionPhotographies prises dans un endroit tres sombre avec un longtemps dexposition sont plus bruitees


Reponse non-uniforme du capteur


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Impossible de construire un capteur dont tous les pixels sontidentiques

Chaque pixel a une efficacite quantique differentePhoto dune lumiere uniforme (flat-field) un damier

Effet des lentilles (impuretes, reflets, etc. )

Resolution
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Frequences dans limage :

Il y a une limite aux frequences quon peut representer dans

une imageLimite de diffraction et limite de resolution : Theoremedechantillonnage
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FIN
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