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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


Contenido

1 Conceptos de formacion de imagenes

2 Fuentes de energıaEnergıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto



¿Por que revisar la formacion de imagenes?

Mientras mas controlado sea el proceso de formacion de imagen⇓

menor complejidad algorıtmica para alcanzar un objetivo



Cuatro elementos de la formacion de imagenes

z

x y

y’

x’

Fuente de energıa

Imagen/SensorObjeto Camara



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



Energıa acusticaHaces de partıculasBarrido por contacto

1. Fuentes de energıa




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




1.1 Energıa acustica




Energıa acustica

Choudhary et al. 2007

Imagen de ultrasonido de un hombro lesionado




Energıa acustica

Ondas longitudinales mecanicas:

Compresion

Decompresion

λ

Transductor

Direccion de Propagacion




Energıa acustica (2)

Compresion

Decompresion

λ

Transductor

Direccion de Propagacion

Presion isotropica ⇒ ondas acusticas longitudinales

Compresion uniforme

Deformaciones en direccion de propagacion




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




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




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




Longitud de onda

λ =u

f


Ejemplo 1:

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

Ejemplo 2:





Longitud de onda

λ =u

f


Ejemplo 1:


Ejemplo 2:

Longitud de una onda acustica de 3 MHz en musculo

Aproximadamente 0,5 mm




Longitud de onda

λ =u

f


Ejemplo 1:


Ejemplo 2:





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




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)




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!




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)




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




Resolucion angular

r(y)

d

θ

θx

y

p(t)

P

a2

−a2

α

Infinitos emisores esfericos emiten pulso p(t)




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




1.2 Energıa cinetica




Haces de partıculas

6000× Laboratorio de Nanotecnologıa, ITCR




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


https://youtu.be/fQJYuTpK8Fs

https://youtu.be/uQ1gCIkCbIQ



SEM contra TEM




1.3 Energıa mecanica




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)




Microscopio de Fuerza AtomicaAtomic Force Microscope (AFM)

Muestra

Laser

Fotodiodo

Micropalanca

Escáner piezoeléctrico

Sistema de medición y

control

Wikipedia




Microscopio de Fuerza AtomicaAtomic Force Microscope (AFM)

Nanotubos de CarbonoJ.S. ChavesLaboratorio de Nanotecnologıa, ITCR




Microscopio de Efecto TunnelScanning Tunneling Microscope (STM)

biloculas.net

Video: Efecto tunel

Video: STM


https://youtu.be/K64Tv2mK5h4

https://youtu.be/HE2yE8SvHmA



Microscopio de Efecto TunnelScanning Tunneling Microscope (STM)

GrafenoJ.S. ChavesLaboratorio de Nanotecnologıa, ITCR




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


http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/

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