Ph.D. Andrés Cela
- Robótica (guiado y navegación)
- Medicina y diagnóstico
- Seguridad y vigilancia
- Sistemas de transporte
- Modelado y reconstrucción 3D
- Control de calidad industrial
- Agricultura y arte
- Las imágenes son ambiguas: proyección 3D→2D
- Variaciones naturales en color, textura, tamaño y forma
- Iluminación, sombras, distorsión y oclusiones
- Ruido y características del sensor
- Gran cantidad de información a tratar
Los LEDs (Light Emitting Diodes) son la tecnología de iluminación más utilizada en sistemas de visión artificial industriales por su versatilidad, eficiencia energética y larga vida útil.
Emiten luz en longitudes de onda muy específicas (rojo, verde, azul, IR, UV), lo que facilita el filtrado óptico y mejora el contraste en inspección.
Pueden encenderse y apagarse en microsegundos, permitiendo sincronización precisa con la cámara (strobe/flash) para congelar objetos en movimiento.
Entre 50.000 y 100.000 horas de funcionamiento, reduciendo costes de mantenimiento en entornos industriales.
Alta eficiencia energética respecto a lámparas halógenas o fluorescentes, con menor generación de calor.
Regulación precisa mediante PWM (Pulse Width Modulation), adaptable a distintas condiciones de inspección.
La iluminación por fibra óptica transmite luz desde una fuente remota (halógena, LED o xenón) hasta el punto de inspección mediante haces de fibras ópticas. Es ideal cuando se requiere iluminar zonas de difícil acceso o ambientes con restricciones eléctricas o térmicas.
La fuente de calor queda alejada del objeto inspeccionado. Ideal para materiales sensibles a la temperatura (alimentos, electrónica, tejidos biológicos).
Los haces de fibra son flexibles y de pequeño diámetro, permitiendo iluminar cavidades, orificios o zonas de difícil acceso en piezas mecánicas.
Al no conducir electricidad, son seguros en entornos con riesgo de explosión o con campos electromagnéticos intensos (industria química, farmacéutica).
Distribución homogénea de la luz gracias a la mezcla de fibras en el haz. Reduce sombras y puntos calientes en la imagen.
La fuente puede ubicarse lejos del punto de inspección sin pérdida significativa de intensidad luminosa.
Fibras dispuestas en anillo alrededor del objetivo. Iluminación frontal uniforme sin sombras. Muy usado en microscopía e inspección de pequeñas piezas.
Haz único flexible que puede orientarse libremente. Ideal para iluminar zonas de acceso restringido o cavidades internas.
Fibras alineadas en barra. Genera una línea de luz uniforme para inspección de superficies en movimiento (line scan).
Concentra la luz en un punto muy pequeño. Usada en microscopía y medición de alta precisión.
Las lámparas fluorescentes generan luz mediante la excitación de un gas (mercurio) que emite radiación ultravioleta, la cual es convertida en luz visible por el recubrimiento fosforescente del tubo. Fueron ampliamente utilizadas en visión artificial antes de la llegada del LED.
Producen más luz por vatio que las lámparas incandescentes. Los tubos fluorescentes compactos (CFL) ofrecen entre 50–100 lm/W, adecuados para iluminación de área amplia.
Emiten luz en toda la longitud del tubo, generando una iluminación suave y homogénea que reduce sombras duras. Ideal para inspección de superficies grandes.
Cubren un espectro visible amplio, aunque con picos en determinadas longitudes de onda (verde, azul). Disponibles en versiones de luz fría (6500K) y cálida (3000K).
Tecnología madura y económica. Amplia disponibilidad en formatos estándar (T5, T8, T12) para instalaciones industriales.
Principal inconveniente: parpadean a la frecuencia de la red eléctrica (50/100 Hz en Europa, 60/120 Hz en América). Puede causar artefactos en imágenes capturadas a alta velocidad si no se sincroniza correctamente.
Formato lineal estándar. Usado en iluminación de área en líneas de inspección de productos planos (papel, tela, vidrio).
Formato compacto. Usado en iluminación general de cabinas de inspección y estaciones de trabajo.
Emite en el rango ultravioleta. Revela defectos, contaminantes o marcas fluorescentes invisibles a simple vista. Muy usado en industria alimentaria y farmacéutica.
Operan a 20–50 kHz, eliminando el parpadeo visible. Compatibles con cámaras de alta velocidad sin artefactos de flicker.
La iluminación láser emite luz coherente, monocromática y altamente colimada. En visión artificial se utiliza principalmente para aplicaciones de medición 3D, perfilometría y detección de alta precisión gracias a sus propiedades únicas de coherencia espacial y temporal.
Emite en una longitud de onda muy precisa (ej. 650 nm rojo, 532 nm verde, 808 nm infrarrojo). Permite filtrado óptico muy selectivo, eliminando prácticamente toda la luz ambiental con un filtro de banda estrecha.
El haz láser mantiene su diámetro a grandes distancias con mínima divergencia. Permite iluminar puntos o líneas muy precisas sobre el objeto inspeccionado.
Concentra gran cantidad de energía en un área muy pequeña. Ideal para aplicaciones donde se necesita máxima relación señal/ruido en el sensor.
Los láseres pulsados pueden sincronizarse con precisión de nanosegundos con el obturador de la cámara, permitiendo capturar objetos en movimiento a alta velocidad sin desenfoque de movimiento.
La proyección de una línea láser sobre una superficie permite calcular su perfil 3D mediante triangulación geométrica. Base de los sensores de desplazamiento láser y escáneres 3D industriales.
Haz enfocado en un único punto. Usado en sensores de distancia por triangulación y medición de desplazamiento con precisión micrométrica.
Lente cilíndrica o difractiva expande el haz en una línea. Fundamental en perfilometría 3D, inspección de soldaduras y escaneado de superficies.
Proyecta rejillas, franjas o patrones codificados. Permite reconstrucción 3D completa de superficies (luz estructurada). Usado en robótica y control de calidad.
Plano de luz muy delgado para inspección de cortes transversales y detección de partículas en fluidos.
Técnica más común. La cámara recibe la luz reflejada. Útil en superficies con pocos reflejos (papel, tela).
Iluminación lateral a la cámara. Resalta detalles de piezas, defectos superficiales, grietas y surcos. Usa anillos de luz.
Objeto entre iluminación y cámara. Medidas de silueta. En materiales translúcidos detecta manchas, grietas y rayas.
Mismo eje con espejo semitransparente (beam splitter). Para objetos reflectantes: etiquetas, PCB, aluminio.
Simula iluminación de día nublado, sin sombras. Combina reflectante y coaxial. Para superficies especulares complejas.
Luz pulsada. ?
Domo Plano?
Zona donde la imagen es nítida. La DOF aumenta con: menor abertura (mayor N), menor distancia focal (menor f) y mayor distancia de enfoque (mayor s).
- Cromática longitudinal/lateral: distintos índices de refracción según longitud de onda (color)
- Esférica: rayos de un punto se proyectan en un disco
- Coma: rayos fuera del eje paraxial con distinta magnificación
- Distorsión cojín/barril: distinto aumento según distancia al centro
- Curvatura de campo: objeto plano se enfoca en superficie curva
Las dos tecnologías dominantes en sensores de imagen presentan características complementarias. La elección depende de los requisitos de la aplicación.
Un sensor CCD (dispositivo de carga acoplada) es un tipo de dispositivo electrónico que se utiliza para capturar y grabar imágenes digitales. Convierte la luz entrante en carga eléctrica, que luego se transmite y almacena como datos digitales. Los sensores CCD constan de una serie de millones de pequeñas células sensibles a la luz llamadas píxeles. La carga acumulada por cada píxel es proporcional a la intensidad de la luz que incide sobre él. Luego, esta carga se lee y se convierte en un valor digital, formando una imagen.
Un sensor CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario) es otro tipo de sensor de imagen utilizado en cámaras digitales, teléfonos inteligentes y otros dispositivos. Los sensores CMOS no utilizan el método analógico del CCD, sino que utilizan un diseño digital. Los sensores CMOS constan de una serie de píxeles, al igual que los sensores CCD. Sin embargo, cada píxel tiene su propio amplificador y convertidor analógico-digital, lo que permite leer píxeles individuales y convertirlos en señales digitales.
Cámaras ‐ Color
1 CCD: Un sensor con tres capas separadas de foto detectores fundidos en silicio
3 CCD: Tres sensores monocromos independientes
Filtro Bayer: El mayor número de píxeles sensibles al verde se justifica porque el ojo humano es mucho más sensible a este color.
La radiometría estudia la medición de la radiación electromagnética, incluyendo la luz visible. En visión por computador, permite modelar cómo la luz interactúa con las superficies y cómo es captada por el sensor.
Energía total emitida, transferida o recibida en forma de radiación electromagnética. Unidad: Julios (J).
Potencia radiante: energía por unidad de tiempo. Φ = dQ/dt. Unidad: Vatios (W).
Flujo radiante incidente por unidad de área de superficie. E = dΦ/dA. Unidad: W/m².
Flujo radiante emitido o reflejado por unidad de área y por unidad de ángulo sólido. L = d²Φ / (dA · dΩ · cosθ). Unidad: W/(m²·sr). Es la magnitud más relevante para los sensores de imagen.
Flujo radiante por unidad de ángulo sólido. I = dΦ/dΩ. Unidad: W/sr.
Medida del campo de visión en 3D. Unidad: estereorradián (sr).
K = 256
K = 2
K = 8
256×256 100×100 · 20×20 píxeles
K=256 K=100 K=20 niveles de gris
La geometría describe la proyección de la escena 3D sobre el plano imagen 2D. Se asume que la luz se propaga en línea recta. Dos modelos son frecuentemente usados:
El más utilizado en visión. Matemáticamente muy sencillo. La imagen es invertida, el tamaño se reduce y se pierde la información de profundidad (distancia Z).
Primer modelo de lentes físicas. Las lentes recogen la luz de un área y la proyectan sobre el plano imagen. Usa la aproximación paraxial.
La proyección de perspectiva en el caso simple se expresa como:
La escena se proyecta en una imagen 2D.
La Imagen es invertida.
El tamaño se reduce.
Se pierde la información sobre la profundidad.
La revisión de matemática de las coordenadas de perspectiva de pin-hole no se revisará en este curso.
El ojo humano posee tres grupos de fotorreceptores con picos de sensibilidad en rojo (580 nm), verde (540 nm) y azul (450 nm).
La retina contiene 125 millones de bastones y conos. Las radiaciones con longitud de onda entre ~350 y ~750 nm producen la sensación de color.
El matiz y la saturación conjuntamente se denominan cromaticidad.
La retina.
- Bastones (bajo nivel de luz, visión nocturna)
- Conos (visión en color)
- Sinapsis(Unión de neuronas)
- Nervio óptico (envía la señal al cerebro)
Sensado y capa de procesado de bajo nivel con 125 millones de bastones y conos alimentados por 1 millón de nervios.
Noción de luminosidad: indica si un área está más o menos iluminada (Cuánto brillo tiene B/N).
Asociado a la longitud de onda dominante. Sensación de rojo, amarillo, verde o azul. (Color)
Pureza relativa del color. Inversamente proporcional a la cantidad de luz blanca mezclada. (Cantidad de color).
Es la especificación de un sistema de coordenadas 3D y un sub-espacio dentro de dicho sistema en donde cada color se representa por un punto.
Red/Green/Blue. Cada componente entre 0 y 255. Representación cúbica. Usado en pantallas, cámaras y vídeo digital.
Cyan/Magenta/Yellow. Modelo sustractivo. Utilizado en impresoras de color.
Intensidad + Cromaticidad. Usados para transmisión de señales de televisión.
(Hue, Saturation, Intensity) Matiz (0-360°, 0-1, 0-255), Saturación, Valor/Intensidad. Más intuitivo para el procesamiento de imágenes artísticas y segmentación por color.
Convertir un color RGB a gris (escala de grises) se logra calculando el promedio de sus componentes rojo (), verde () y azul (). La fórmula estándar ponderada para obtener la luminosidad es:
Visión Artificial