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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa

Proceso deFormacion de Imagenes

Leccion 02.1

Dr. Pablo Alvarado Moya

CE5201 Procesamiento y Analisis de Imagenes DigitalesArea de Ingenierıa en Computadores

Tecnologico de Costa Rica

I Semestre, 2017

P. Alvarado — TEC — 2017 Formacion de Imagenes 1 / 32

Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa

Contenido

1 Conceptos de formacion de imagenes

2 Fuentes de energıaEnergıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa

¿Por que revisar la formacion de imagenes?

Mientras mas controlado sea el proceso de formacion de imagen⇓

menor complejidad algorıtmica para alcanzar un objetivo

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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa

Cuatro elementos de la formacion de imagenes

z

x y

y’

x’

Fuente de energıa

Imagen/SensorObjeto Camara

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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa

Configuracion de escena

La interaccion de los cuatro elementos

fuente(s) de energıa

objeto(s)

camara

sensor

en una determinada configuracion de escena determinan

1 calidad de la imagen y

2 factibilidad de rescate de informacion del entorno a partir deimagen

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

1. Fuentes de energıa

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Fuentes de energıa

Las fuentes de energıa se eligen de modo que extraigan lainformacion buscada del entorno:

Energıa acustica

Energıa cinetica en haces de partıculas

Energıa mecanica en barrido por contacto

Energıa electromagnetica

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Fuentes de energıa

Las fuentes de energıa se eligen de modo que extraigan lainformacion buscada del entorno:

Energıa acustica

Energıa cinetica en haces de partıculas

Energıa mecanica en barrido por contacto

Energıa electromagnetica

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

1.1 Energıa acustica

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Energıa acustica

Choudhary et al. 2007

Imagen de ultrasonido de un hombro lesionado

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Energıa acustica

Ondas longitudinales mecanicas:

Compresion

Decompresion

λ

Transductor

Direccion de Propagacion

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Energıa acustica (2)

Compresion

Decompresion

λ

Transductor

Direccion de Propagacion

Presion isotropica ⇒ ondas acusticas longitudinales

Compresion uniforme

Deformaciones en direccion de propagacion

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Energıa acustica (3)

ρ : densidad local

ρ0 : densidad estatica

p : presion local

u : rapidez del sonido

βab : compresibilidad adiabatica: βad = − 1

V

dV

dP

Ecuacion de onda

∂2ρ

∂t2= u2∆ρ,

∂2p

∂t2= u2∆p con u =

1√ρ0βad

A menor densidad y comprensibilidad ⇒ mayor rapidez sonica

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Rapidez u del sonidoEn funcion de la temperatura T en Celsius

Medio Rapidez u[m/s]

Aire (0◦C < T < 20◦C) 331,3√

1 + T273,15◦C

Agua (0◦C < T < 100◦C) 1402,39 + 5,04T + 0,058T 2

Sangre 1570Grasa 1465Musculos 1529-1580Huesos 2650-4040

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Longitud de onda

λ =u

f

Pero u depende del material y temperatura

Ejemplo 1:

Longitud de una onda acustica de 3 kHz en el aire

Aproximadamente 10 cm

Ejemplo 2:

Longitud de una onda acustica de 3 MHz en musculoAproximadamente 0,5 mm

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Longitud de onda

λ =u

f

Pero u depende del material y temperatura

Ejemplo 1:

Longitud de una onda acustica de 3 kHz en el aireAproximadamente 10 cm

Ejemplo 2:

Longitud de una onda acustica de 3 MHz en musculoAproximadamente 0,5 mm

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Longitud de onda

λ =u

f

Pero u depende del material y temperatura

Ejemplo 1:

Longitud de una onda acustica de 3 kHz en el aireAproximadamente 10 cm

Ejemplo 2:

Longitud de una onda acustica de 3 MHz en musculo

Aproximadamente 0,5 mm

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Conceptos de formacion de imagenesFuentes de energıa

Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Longitud de onda

λ =u

f

Pero u depende del material y temperatura

Ejemplo 1:

Longitud de una onda acustica de 3 kHz en el aireAproximadamente 10 cm

Ejemplo 2:

Longitud de una onda acustica de 3 MHz en musculoAproximadamente 0,5 mm

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Ultrasonido en aplicaciones medicas

Hipersonido

Rango de diagnostico medico

Ultrasonido

Rango audible

Infrasonido

0

1

10

102

103

104

105

106

107

108

109

f [Hz]

Rango medico: 3 MHz a 10 MHz.

Longitudes de onda en tejido entre500 µm y 150 µm

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Energıa acustica: Deteccion

Reflexion ocurre solo si objetos > longitud de onda λ

⇒ detalles observables dependen de λ = u/f

mientras mas pequena λ (mayor f ) mayor detalle observableen un mismo medio (u cte)

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Principio de funcionamiento

a

Transductor

Cuerpo

∆r

∆θ

Campo visual θ

rmax

apertura a

pulsos de duracion∆t cada T

⇒ ancho espacial∆r = u∆t

T limita profundidadmaxima rmax = uT/2

disipacion energetica∝ frecuencia f

mayor frecuencia ⇒menor profundidad!

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Resolucion axial

Sea r(t) un pulso rectangular dado por

r(t) =

{1 si − 1 ≤ t ≤ 1

0 en el restoF {r(t)} = saω

Sea p(t) un impulso acustico de duracion ∆t modulado confrecuencia fc

−∆t/2 ∆t/2

cos(2πfct)

t

∆t

p(t)

p(t) = r

(2

∆tt

)cos(2πfct)

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Espectro de impulso acustico

Con propiedades de escalamiento y modulacion:

P(jω) =∆t

4

[sa

(∆t

2(ω + ωc)

)+ sa

(∆t

2(ω − ωc)

)]P(j2πf ) =

∆t

4[sa (π∆t(f + fc)) + sa (π∆t(f − fc))]

P (j2πf)

−fc fc

B

f

B = 2/∆t

Mayor resolucion axial(menor ∆t) ⇒ mayor anchode banda B

Ancho de pulso no puede serinferior a 1/fc

fc ≥ B2

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Resolucion angular

r(y)

d

θ

θx

y

p(t)

P

a2

−a2

α

Infinitos emisores esfericos emiten pulso p(t)

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Senal total sobre punto P

S(t) =

∫ a/2

−a/2cos

[2πfc

(t − r(y)

u

)]dy

r(y)/u es tiempo que tarda pulso emitido en y para alcanzar PSe cumple asumiendo que d � a que α ≈ 90◦ y

S(t) ∝ a sa [πfca sen θ/u]

con lobulo principal de ancho

∆θ = 2 arc sen

(u

afc

)Resolucion angular mejora si aumenta a o fc

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

1.2 Energıa cinetica

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Haces de partıculas

6000× Laboratorio de Nanotecnologıa, ITCR

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Haces de partıculas

2500× Laboratorio de Nanotecnologıa, ITCR

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Haces de partıculas

0500× Laboratorio de Nanotecnologıa, ITCR

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Haces de partıculas

0150× Laboratorio de Nanotecnologıa, ITCR

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Haces de partıculas

0080× Laboratorio de Nanotecnologıa, ITCR

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Haces de partıculas

0050× Laboratorio de Nanotecnologıa, ITCR

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Comportamiento como onda

Se aprovecha comportamiento de haces de partıculas comoondas

f = E/h, λ = h/m

λ hasta 3 ordenes de magnitud menores que luz visible

Factores de amplificacion entre 10 – 750000, con resolucionesen el orden de 1 nm (SEM, TEM)

Video: TEM

Video: SEM

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

SEM contra TEM

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

1.3 Energıa mecanica

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Barrido por contacto

Resoluciones en el orden de fracciones de nanometro(Mas de 1000× mayor que lımite de difraccion optico)

Ejemplos:

AFM (Atomic Force Microscope)STM (Scanning Tunneling Microscope)

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Microscopio de Fuerza AtomicaAtomic Force Microscope (AFM)

Muestra

Laser

Fotodiodo

Micropalanca

Escáner piezoeléctrico

Sistema de medición y

control

Wikipedia

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Microscopio de Fuerza AtomicaAtomic Force Microscope (AFM)

Nanotubos de CarbonoJ.S. ChavesLaboratorio de Nanotecnologıa, ITCR

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Microscopio de Efecto TunnelScanning Tunneling Microscope (STM)

biloculas.net

Video: Efecto tunel

Video: STM

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

Microscopio de Efecto TunnelScanning Tunneling Microscope (STM)

GrafenoJ.S. ChavesLaboratorio de Nanotecnologıa, ITCR

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Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

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© 2005-2017 Pablo Alvarado-Moya Area de Ingenierıa en Computadores Instituto Tecnologico de Costa Rica

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