funcionamiento-camaras

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CámarasElementos fundamentales

ÓpticaProyecta la información luminosa sobre los elementos fotosensibles

Elementos fotosensiblesConvierten la información luminosa en señal eléctrica

Electrónica asociadaCorrige y trata la señal eléctrica suministrada por los elementos fotosensibles

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CámarasCámaras de estado sólido

Sensores CCD (Charge Coupled Device)Sensores CID (Charge Injection Device)Sensores TDI (Time Delay and Integration)Sensores CCD color

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Sensores CCDCondensador MOS

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Sensores CCDCondensador MOS

Elemento fotosensible

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Sensores CCDCondensador MOS

Funcionamiento como registro de desplazamiento

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Sensores CCDConceptos básicos

Tiempo de integración (o exposición)Tiempo durante el cual los elementos CCD se encuentran sometidos a los efectos luminososDepende de la luminosidad de la escena y de los resultados esperados

Tiempo de adquisición (transferencia)Tiempo que tardan los elementos CCD en transmitir la

información recogidaDepende del número de elementos CCD en el sensor

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Sensores CCDDisposición de los elementos

Cámaras matriciales

Cámaras lineales

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Sensores CCDComparación entre lineales y matriciales

Imagen objetivoResolución de 512x512Tiempo de integración: 2 msReloj de adquisición: 10 Mhz

Cámara matricialTiempo de integración: 2 msTiempo de adquisición: 512x512/107= 25 msTiempo total: 25 ms + 2 ms = 27 ms

Cámara linealTiempo de integración: 2 msTiempo de adquisición: 512/107= 0.05 msTiempo total línea: 2.05 msTiempo total imagen: 512x2.05= 1050 ms

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Sensores CDCDEstructuras de dispositivos CCD

Transferencia d cuadro (FT)Transferencia interlínea (IT)Transferencia cuadro interlínea (FIT)

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Sensores CCDTransferencia de cuadro (FT)

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Sensores CCDTransferencia Interlínea (IT)

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Sensores CCDTransferencia de Cuadro Interlínea (FIT)

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Adquisición o transferenciaTransferencia por cuadro

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Cámaras de escaneo progresivo

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Sensores CIDCaracterísticas

Cada elemento (pixel) puede leerse individualmenteLa lectura es no destructivaEl borrado del elemento es producido por la inyección de cargas en el sustratoEstructura de pixel contiguo

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Sensores TDIBeneficios

Gran sensibilidadUtiles cuando el objeto observado se mueve

FundamentosMúltiples exposiciones del objetoLas exposiciones se toman en diferentes puntosMayor intensidad a mayor número de líneas

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Sensores CCD ColorCámaras con 3 CCD (uno por color)

Cámaras con 1 CCD

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Cámaras CCD lineales

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CámarasCaracterísticas de las cámaras

Tamaño del elemento sensor y resoluciónSensibilidad y relación señal/ruidoRespuesta espectralUniformidad de blanco y negroObturador electrónico

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CámarasTamaño del elemento sensor

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CamarasCampo de visión: Tamaño horizontal y vertical del área capturada por la cámaraResolución de la cámara: Cantidad de pixeles que componen las filas y columnas de la matriz de elementos sensoresResolución Imagen: Cantidad de píxeles horizontales y verticales de la imagen (puede coincidir con la resolución de la cámara )Resolución característica: Tamaño de la característica mas pequeña que desea detectarseResolución espacial: Distancia entre los centros de dos pixelesvecinos, pero mapeados en la escena (dimensiones físicas)

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CámarasDeterminación de la resolución de la cámara

Datos:Dimensiones horizontal H y vertical V del campo de visión deseadoDimensión horizontal h de la característica mas pequeña a detectarDimensión vertical v de la característica mas pequeña a detectarResolución horizontal mínima de la cámara: Nh= 2H/h pixelesResolución vertical mínima de la cámara: Nv=2V/v pixeles

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CámarasRelación entre longitud focal y área objeto

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CámarasTransmisión de video analógica

Estándar CCIRDefinido por CCIR (Comité Consultatif International des Radiocomm.)Divisiones mas importantes:

PALSECAM

Entrelazado25 cuadros por segundo625 líneas744 pixeles por líneaRelación de aspecto: 4:3

Estándar RS170Adoptado por FCC (Federal Communications Comission)Definido por :

NTSC (National Television Systems Comite)EIA (Electronics Industries Asociation)

Utilizado en 32 paísesEntrelazado30 cuadros por segundo525 líneas752 pixeles por líneaRelación de aspecto: 4:3

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CámarasFormato Transferencia entrelazado

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CámarasFormato entrelazado

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CámarasProblema del movimiento

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CámarasMotion Tear

Donde:

MT: Magnitud de desplazamiento en pixeles

Vp: Velocidad del objeto

TF: Tiempo de cada campo

NPh: Número de píxeles de la línea de exploración

FOVh: Tamaño del campo de visión en la dirección horizontal

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CámarasDe exploración progresiva (progressivescan)

Explora las líneas pares e imparesTransfiere una línea tras otra

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Digitalizadores (Frame-grabber)

PropósitoConversión de una señal analógica a una señal digital almacenable

Algunos FabricantesMatroxData CubeNational Instruments

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DigitalizadoresCaracterísticas

Señales de entradaVelocidad de TransferenciaBus de conexiónMemoria disponible en el digitalizadorCapacidad de procesamientoEntradas/Salidas de control

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CámarasSeñal de video no entrelazado

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CámarasBlanqueo Vertical

Ocurre entro dos cuadros

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CámarasBlanqueo Horizontal

Ocurre entre dos líneas

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CámarasBlanqueo Horizontal

Video no entrelazado

Video entrelazado

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CámarasModos de operación

Modo continuoModo Pseudo-continuoModo “Trigger”Modo Reset AsincrónicoModo Control

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CámarasModo Continuo

La cámara saca continuamente imágenes a una velocidad de 30 cuadros por segundo (60 campos) o 25 cuadros por segundo (50 campos)

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CámarasModo continuo

El tiempo de exposición generalmente es el recíproco de la velocidad de cuadroEl tiempo de exposición puede reducirse usando ajustes en la cámaraSe expone el cuadro actual y se transfiere el cuadro previo

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CámarasModo Pseudo-continuo

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CámarasModo Pseudo-continuo

La cámara continuamente saca imágenes a una velocidad de cuadros determinada por el tiempo de exposición y el tiempo de transferenciaEl tiempo de exposición puede definirse mediante ajustes en la cámaraLa exposición de un nuevo cuadro comienza luego de finalizar la transmisión del cuadro previoLa velocidad de transferencia de cuadros es el recíproco de la suma de tiempo de exposición y de transferencia

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CámaraModo “Trigger”

La cámara saca imágenes de forma contínuaSe aplica una señal al frame-grabberEl frame-grabber adquiere luego del próximo vsync de la señal de video. Graba el próximo cuadro

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CámaraModo “Trigger”

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CámarasModo Reset Asincrónico

Se aplica una señal de disparo externo al frame-grabber o el frame-grabber posee un “trigger”interno que interrumpe de forma periódica o aperiódicaEl frame-grabber dispara a la cámara con disparo de reset asincrónico para iniciar una exposiciónLa señal de disparo puede considerarse señal de exposiciónLa cámara se resincroniza al recibir la señal de disparo

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CámaraModo Reset Asincrónico

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CámaraModo Control

El tiempo de exposición es controlado externamenteLa cámara es disparada por un pulso de reset asincrónico desde el frame-grabberEl pulso de reset asincrónico se considera señal de exposiciónLa cámara es resincronizada por la señal de exposiciónEl ancho de la señal la señal de exposición define el tiempo de exposición

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CámarasModo Control

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CámarasVideo no estándar

Video de alta resolución (cámaras 1024x1024)

Video digitalEstandar IEEE1394

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Adquisición de imágenes de objetos en movimiento

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Latencia: Tiempo entre el inicio de una actividad y su resultado

En modo CCIR el sistema toma 33 ms o 66 ms en adquirir una imagen dentro del frame-grabberLa mayoría de los frame-grabber pueden iniciar una adquisición cuando se ha transferido el campo par, por esto, la incertidumbre de latencia es de 33 ms.Algunos frame-grabber pueden iniciar la adquisición con el campo par o impar, por lo que se reduce la insertidumbre a 17 ms

Adquisición de imágenes de objetos en movimiento

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Variación en la posición de detección del objeto

Donde:Pv: variación de la posición del objeto en la dirección de movimientoLU: Incertidumbre en la latencia de adquisición de la imagen (33 ms para 30 cuadros por segundo)VP: Velocidad del objeto

Ejemplo: Un objeto moviéndose a 1 cm/seg en un sistema con incertidumbre de latencia de adquisición de la imagen = 33 mseg, tendrá una variación de posición de:

Pv=0.033seg*1cm/seg=0.033cm

Adquisición de imágenes de objetos en movimiento

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Motion Tear (movimiento entrecortado)

Donde:

MT: Magnitud de desplazamiento en pixeles

Vp: Velocidad del objeto

TF: Tiempo de cada campo

NPh: Número de píxeles de la línea de exploración

FOVh: Tamaño del campo de visión en la dirección horizontal

Adquisición de imágenes de objetos en movimiento

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BlurSi el objeto se mueve durante la exposición, se produce un corrimiento en la imagenLa magnitud del corrimiento depende de la velocidad del objeto, tamaño del campo de visión, y el tiempo de exposición.

Adquisición de imágenes de objetos en movimiento

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Blur (Borroneado)

Donde:B: corrimiento en pixelesVp: Velocidad del objetoFOV: Tamaño del campo de visión en la dirección del movimientoT: Tiempo de exposición en segundosNP: número de pixeles que cubren el campo de visión en la dirección del movimiento

Ejemplo: Vp= 1cm/seg, TE=33mseg,NP=640pixels, y FOV=10cm.Luego B=1cm/seg*0.033seg*640pixels/10cm=2.1pixels

Adquisición de imágenes de objetos en movimiento

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Tiempo de exposición para un corrimiento (blur) de un pixel

Este tiempo de exposición se puede obtener en la cámara con obturador electrónico (electronic shutter) mediante ajustes y/o empleando iluminación estroboscópica

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Cámara con iluminación estroboscópica

Adquisición de imágenes de objetos en movimiento

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Cámara con obturador electrónico

Adquisición de imágenes de objetos en movimiento