Introduccion a la vision 3D

Introduccion a la Vision 3D

Vision Artificial

Universidad Nacional De Quilmes

29 de noviembre de 2013

ObjetivoVision 3D Humana.

Etapas de la Vision 3D.

Indice

1 Objetivo

2 Vision 3D Humana.Receptores sensoriales: Los ojos.Mecanismos intuitivos de vision.

3 Etapas de la Vision 3D.Recuperacion de la estructura 3D de la escena.Modelado y representacion de objetos.Reconocimiento y localizacion.Interpretacion de la escena.

Vision Artificial Vision 3D

Objetivo de la Vision 3D

A partir de una imagen o de una secuencia de imagenes de unobjeto estacionario o en movimiento, tomadas con una o variascamaras, comprender el objeto o la escena y sus propiedadestridimensionales.

Ejemplos

1 Medir distancias.

2 Medir velocidad y direccion en movimiento.

3 Generar modelos de superficies 3D.

4 Detectar obstaculos.

5 etc.

Ejemplos

1 Medir distancias.

5 etc.

Ejemplos

1 Medir distancias.

5 etc.

Ejemplos

1 Medir distancias.

5 etc.

Receptores sensoriales: Los ojos.Mecanismos intuitivos de vision.

Vision 3D Humana.Receptores sensoriales: Los ojos.

Figura: Mecanismo de vision humanaVision Artificial Vision 3D

Los dos ojos, recogen cada uno una imagen ligeramente distinta dela realidad. Esas pequenas diferencias se procesan en el cerebro ycalculan distancia mediante la tecnica del paralaje, obteniendo unasensacion de profundidad o volumen. Por lo que si tomamos ocreamos dos imagenes con un angulo ligeramente distinto y se lasmostramos a cada ojo por separado, el cerebro podra reconstruir ladistancia y por lo tanto la sensacion de tridimensionalidad.

Figura: Percepcion del ojo humano de una imagen en distintos angulos

Vision 3D Humana.Mecanismos intuitivos de vision.

1 Distribucion de luces y sombras.

2 Superposicion de planos.

3 Enfoque.

4 Perspectiva.

5 Movimiento de paralaje.

Vision 3D Humana.Mecanismos intuitivos de vision. - Distribucion de luces y sombras.

La distribucion de luces y som-bras hace posible la ilusion derelieve y volumen que tiene elhombre al captar la iluminaciondel objeto. Esto solo es posi-ble si existe contraste de lucesy sombras entre sus partes. Tansolo cambiando la iluminacionde un objeto se puede percibirun simple crculo o una esferacon volumen.

Vision 3D Humana.Mecanismos intuitivos de vision. - Superposicion de planos.

En el mundo real los objetosque estan en primer plano ta-pan a aquellos que se encuen-tran mas lejos. Por eso la su-perposicion de imagenes produ-ce en nosotros automaticamen-te sensacion de lejana o cer-cana.

Vision 3D Humana.Mecanismos intuitivos de vision. - Enfoque.

Los organos de la vision en loshumanos se caracterizan por untipo determinado de enfoque: ladiplopa fisiologica. Por la exis-tencia de dos ojos que percibenlos elementos desde dos angulosdistintos se produce una trian-gulacion que proporciona al ce-rebro la capacidad de calculardistancias.

Vision 3D Humana.Mecanismos intuitivos de vision. - Perspectiva.

La perspectiva introduce la ter-cera dimension en los planosbidimensionales simulando, conpuntos de fuga hacia los que pa-rece converger todo, profundi-dad en las imagenes y consigue,variando el tamano de los obje-tos, dar sensacion de cercana olejana, de modo que un obje-to parece estar mas cerca o le-jos en la imagen cuanto mayoro menor sea su tamano.

Vision 3D Humana.Mecanismos intuitivos de vision. - Movimiento de paralaje.

Consiste en la ilusion del obser-vador que siente que se muevenlos objetos de la escena en unsentido u otro dependiendo desu posicion ante ellos.

Recuperacion de la estructura 3D de la escena.Modelado y representacion de objetos.Reconocimiento y localizacion.Interpretacion de la escena.

1 Recuperacion de la estructura tridimensional de la escena.

2 Modelado y representacion de objetos.

3 Reconocimiento y localizacion.

4 Interpretacion de la escena.

Etapas de la Vision 3D.Recuperacion de la estructura tridimensional de la escena.

1 Metodos Activos:1 Proyectar haces controlados de luz o sonido sobre la escena a

tratar.2 Utilizar un observador activo.

2 Metodos Pasivos:1 Los no considerados activos.

Los metodos se basan en principios como el de la triangulacionespacial

Etapas de la Vision 3D.Recuperacion de la estructura tridimensional de la escena. - Triangulacion Espacial.

L1cos(a) + L2cos(b) = DL1sen(a) = L2sen(b)

1 Tiempo de vuelo.

2 Par Estereoscopico.

3 Proyeccion de luz estructurada.

4 Moire.

5 Interferometra. Holografa.

6 Enfoque.

7 Forma a partir del sobreado.

8 Forma a partir de la textura.

9 Flujo optico.

Etapas de la Vision 3D.Recuperacion de la estructura tridimensional de la escena. - Tiempo de vuelo.

Se basa en la medida directa o indirecta del tiempo invertido poruna senal de velocidad conocida en recorrer la distancia que separauna region de la escena del dispositivo emisor/sensor.

1 Naturaleza del haz de energa1 Acustica (ultrasonido)2 Electromagnetica (Laser). Presenta una mejor direccionalidad.

2 Inconvenientes.1 Baja direccionalidad (limitada resolucion angular).2 Baja energa reflejada, que ocasiona alto tiempo de integracion

y un ajuste continuo de los umbrales de deteccion.

Etapas de la Vision 3D.Recuperacion de la estructura tridimensional de la escena. - Par Estereoscopico.

La tercera dimension es recuperada mediante triangulacion a partirde la escena observada por dos o mas captadores.

1 Ventajas.1 Se emplean soluciones tanto activas como pasivas, en funcion

de que los captadores posean o no alguna actividad controlada(convergencia, enfoque o movimiento).

2 Solo requiere la captura de una imagen por captador.

2 Desventajas.1 Las inherentes a la triangulacion.2 Correspondencia entre imagenes.3 Dispersion del mapa tridimensional (regiones de la escena con

gradientes elevados de luminancia o color)

Etapas de la Vision 3D.Recuperacion de la estructura tridimensional de la escena. - Proyeccion de luzestructurada.

Se realiza triangulacion espacial mediante un captador de imagenesy un proyector de luz de direccion controlada. El proyector, deelevada potencia lumnica, origina fuertes gradientes de luminanciaen zonas arbitrarias de la escena. Es un metodo activo.

1 Ventajas.1 Proporciona mapas tridimensionales densos y precisos.2 Procesamiento sencillo.

2 Desventajas.1 Las inherentes a la triangulacion.2 Elevado numero de imagenes requeridas, alto tiempo de

adquisicion.3 Mecanismo de barrido que asegure la iluminacion secuencial.4 Escenas lejanas atenuan la energa luminosa.5 No se puede usar en entornos donde sea peligroso el uso de

alta potencia.

Figura: Barrido de una imagen mediante luz estructurada.

Etapas de la Vision 3D.Recuperacion de la estructura tridimensional de la escena. - Moire.

Se basa en un fenomeno de interferencia de la luz. Lasuperposicion de dos motivos de la misma frecuencia espacialproduce una interferencia de baja frecuencia que unicamente varacon la diferencia de fase. En la ejecucion se hace pasar luz a travesde dos rejillas que generan la interferencia.

1 Ventajas.1 No emplea triangulacion.2 Resalta mucho los detalles.

2 Desventajas.1 Limitaciones que imponen los gradientes y la continuidad

espacial de la escena.

Etapas de la Vision 3D.Recuperacion de la estructura tridimensional de la escena. - Interferometra. Holografa.

Se trata de hacer interferir dos haces de luz que, siguiendo caminosopticos distintos, iluminan el punto a medir. La amplitud de lainterferencia es proporcional a la diferencia de fase, lo que permitedeterminar las distancias inferiores a la longitud de onda utilizadas.(1m, lo que es su principal desventaja)

Etapas de la Vision 3D.Recuperacion de la estructura tridimensional de la escena. - Enfoque.

Determina la distancia entre sensor y escena buscando maximocontraste mediante la variacion del enfoque.

1 Ventajas.1 No emplea triangulacion.

2 Desventajas.1 La precision disminuye con la distancia.2 Necesita puntos con alto contraste lumnico.

Etapas de la Vision 3D.Recuperacion de la estructura tridimensional de la escena. - Forma a partir del sombreado.

La luminancia medida por un observador sobre un punto de unasuperficie se relaciona con la geometra local a traves del productoescalar entre la normal y la direccion de iluminacion. Se utiliza estarelacion para el calculo de un campo de normales asociado a laescena. La resolucion del problema se basa en la minimizacion dealguna funcional de coste (no lineal) relacionada con la diferenciaentre la imagen original y la esperada

1 Ventajas.1 No emplea triangulacion.2 Ideal para cooperar con otros metodos.

2 Desventajas.1 No es adecuado en escenas con discontinuidades.2 Requiere un alto tiempo de analisis.

Etapas de la Vision 3D.Recuperacion de la estructura tridimensional de la escena. - Forma a partir de la textura.

Si una superficie se encuentra cubierta con pequenos patrones(denominados texels), se puede determinar la forma de la mismaen funcion de la deformacion que sufren los patrones.

Etapas de la Vision 3D.Recuperacion de la estructura tridimensional de la escena. - Flujo optico.

Determina la posicion de un punto en el espacio, basandose en uncampo instantaneo de velocidades. Para determinar este campo seutiliza una secuencia de imagenes, tomadas en intervalos conocidosde tiempo, y dotadas de un movimiento tambien conocido.

Etapas de la Vision 3D.Recuperacion de la estructura tridimensional de la escena. - Flujo optico.

Etapas de la Vision 3D.Modelado y representacion de objetos.

Forma en que se almacenan los objetos percibidos y los modelosconocidos.Caractersticas:

1 Fiabilidad.

2 Mantener la informacion relevante.

3 Estabilidad ante errores en el proceso de captacion.

4 Estabilidad ante distintas vistas.

5 Eficiencia computacional.

6 Soporte local (oclusiones).

Se pueden emplear:

1 Primitivas de bajo nivel: puntos, elementos de borde, etc.

2 Primitivas de alto nivel: contornos, superficies, descriptoresvolumetricos.

Los metodos de representacion pueden estar:

1 Centrados en el objeto.

2 Centrados en el observador.

Se pueden emplear:

1 Primitivas de bajo nivel: puntos, elementos de borde, etc.

2 Primitivas de alto nivel: contornos, superficies, descriptoresvolumetricos.

Los metodos de representacion pueden estar:

1 Centrados en el objeto.

2 Centrados en el observador.

Etapas de la Vision 3D.Reconocimiento y localizacion.

El reconocimiento de los objetos captados se define como elproceso de emparejamiento de cada uno de los componentes de laescena con los modelos o clases de objetos de los que el sistematiene referencia.Etapas:

1 Extraccion de los objetos presentes en la escena.

2 Seleccion del modelo. Correspondencia con un modelo. Incluyesituacion y orientacion

Etapas de la Vision 3D.Reconocimiento y localizacion.

Enfoques usados en el reconocimiento:

1 Emparejamientos de caractersticas modelo-datos.

2 Utilizacion de vistas representativas del objeto.

3 Obtencion de medidas invariantes ante modificaciones en elpunto de vista y la iluminacion.

Etapas de la Vision 3D.Interpretacion de la escena.

La interpretacion va dirigida a soportar un proceso de toma dedecision, por lo que depende de la aplicacion:

1 Control de calidad.

2 Ingeniera Inversa. Prototipado rapido.

3 Cartografa. Observaciones aereas.

Etapas de la Vision 3D.Interpretacion de la escena. - Control de calidad.

Figura: Sistema de inspeccion de piezas tridimensionales.

Etapas de la Vision 3D.Interpretacion de la escena. - Ingeniera inversa.

Figura: Por puntos Figura: Por lneas

Etapas de la Vision 3D.Interpretacion de la escena. - Control de calidad.

ObjetivoVisin 3D Humana.Receptores sensoriales: Los ojos.Mecanismos intuitivos de visin.

Etapas de la Visin 3D.Recuperacin de la estructura 3D de la escena.Modelado y representacin de objetos.Reconocimiento y localizacin.Interpretacin de la escena.

Documents

Introduccion a la vision 3D