Visão Computacional Radiometria www.dca.ufrn.br/~lmarcos/courses/visao Radiometria • Luz bate numa superfície opaca, alguma é absorvida, o resto da luz é refletida. • Emitida (fonte) e refletida é o que vemos • Modelar reflexão não é simples, varia com o material – micro-estrutura define detalhes da reflexão – suas variações produzem desde a reflexão especular (espelho) até a reflexão difusa (luz se espalha) Radiometria • 1) Modelar quanta luz é refletida pelas superfícies dos objetos • 2) Modelar quanta luz refletida realmente chega ao plano imagem Fonte de luz Matriz CCD n Ótica I E(p) L(P,d) d P Superfície p Ângulo Sólido • Representa o ângulo cônico definido a partir do centro de uma esfera pela razão entre a área da calota esférica A e o quadrado do raio r da esfera. Ângulo sólido Radiância • Intensidade radiante emitida por uma fonte extensa, em uma dada direção por unidade de área perpendicular a esta direção I L A. cos S . cos . 2 Radiância da cena e Irradiância da imagem • Radiância da cena é a potência da luz, por unidade de área, idealmente emitida por cada ponto P de uma superfície no espaço 3D, numa dada direção d. • Irradiância da imagem é a potência da luz, por unidade de área chegando em cada ponto p do plano imagem Radiância e Irradiância • Relação entre ambas: – Reflectância (razão entre fluxo incidente e refletido) Reflexão difusa (modelo Lambertiano) • Modelo mais simples de reflexão (lambertiano) • Modela superfície opaca rugosa a nível microscópico • Refletor difuso ideal – luz recebida é refletida igualmente em todas as direções – o brilho visto não depende da direção de visualização Lei de Lambert I diffuse kd Ilight cos kd Ilight ( N L) Ilight = intensidade da fonte de luz kd = coeficiente de reflexão [0.0,1.0] = ângulo entre a direção da luz e a normal Reflectância Lambertiana • Representando a direção e a quantidade de luz incidente pelo vetor I, a radiância de uma superfície lambertiana ideal é proporcional ao produto escalar: L=It . n (I transposto) • > 0 é o fator albedo (constante para cada material) • n é a normal à superfície • It . n é positivo por definição (para que a luz incida em P) Ligando radiância e irradiância • L -> quantidade de luz refletida pelas superfícies da cena • E -> Quantidade de luz percebida pelo sensor imageador • Problema: dado o modelo de lente fina, encontrar a relação entre radiância e irradiância Ângulo sólido • O ângulo numa esfera de raio unitário centrada no vértice do cone. Uma pequena área planar A numa distância r da origem: A. cos r2 • O fator cos garante a área diminuída r A Irradiância da imagem • Razão entre a potência da luz sobre um pequeno pedaço da imagem (P) e a área do pequeno pedaço de imagem (I) E = P/ I O P O d O I p I Z f Irradiância da imagem • Seja O a área do retalho ao redor de P, L a radiância em P em direção à lente, o ângulo sólido subentendido pela lente e ângulo entre a normal à superfície em P e o raio principal, a potência P é dada por: • P = O L cos P O L O d O I p I Z f P = O L cos E = P/ I Irradiância da imagem • Combinando as equações anteriores: E = L cos (O/ I) • Ainda tem que achar e (O/ I). • Para o ângulo sólido , A = d2/4 (área da lente), = (ângulo entre o raio principal e o eixo ótico), e r = Z/cos (distância de P do centro da lente), fica: = /4 d2 cos3 / Z2 (Obs: = A cos / r 2) P d O O Z f I p I Irradiância da imagem • Para o ângulo sólido I, sub-entendido pelo pequeno pedaço de área na imagem I,fazendo A=I na equação do ângulo sólido, = e r = f/cos , resulta em: I = (I cos )/(f/ cos)2 • Similarmente, para o ângulo sólido O, subentendido pelo pequeno pedaço de área na cena O, temos: OP d 2 O O = (O cos)/(Z/cos) O (Obs: = A cos / r2) Z I p I f Equação Fundamental da Irradiância da imagem • Podemos notar na Figura que I = O, então sua razão é 1. Dividindo as equações anteriores: O/ I = (cos/cos) (Z/f)2 • Ignorando perdas de energia, e manipulando as equações, chegamos à relação desejada entre E e L: P O d •O E(p) = L(P) /4 (d/f)2 cos4 O I Z f p I I = (I cos )/(f/ cos)2 O = (O cos)/(Z/cos)2 Conseqüências • Iluminação na imagem p decresce o mesmo que a quarta potência do coseno do ângulo formado pelo raio principal que chega em p com o eixo ótico. • Em caso de pequena abertura, este efeito pode ser negligenciado, então a irradiância na imagem pode ser entendida como uniformemente proporcional à radiância da cena sobre todo o plano imagem. Conseqüências • A iluminação não uniforme predita pela equação é normalmente difícil de ser notada em imagens, porque o componente principal das mudanças no brilho é usualmente devido ao gradiente espacial da irradiância da imagem. • A quantidade f/d (f-número) influencia o quanto de luz é colhida pelo sistema: quanto menor o fnúmero, maior a fração de L que chega ao plano imagem (ângulo “fov” ou campo de vista). Formação Geométrica da Imagem • Posição dos pontos da cena com a imagem • Câmera perspectiva • Câmera com fraca perspectiva Modelo perspectivo ideal p y x o p1 f Plano imagem P1 z O P y x p1 o O f p P1 z Plano imagem P Distorção perspectiva pin-hole Modelo ideal Projeção ortográfica • Ponto focal no infinito, raios são paralelos e ortogonais ao plano de projeção • Ótimo modelo para lentes de telescópio • Mapeia (x,y,z) -> (x,y,0) Matriz de projeção ortogonal 1 0 0 0 1 0 0 0 0 Perspectiva simples • Caso canônico (câmera na origem) – Câmera olha ao longo do eixo Z – Ponto focal está na origem – Plano imagem paralelo ao plano XY a uma distância d (distância focal) yc=yw yim zc=zw yo xo zo xim d xc=xw Equações perspectiva x Y y O z f ou d Z x = f (X/Z) y = f (Y/Z) • Ponto (X,Y,Z) na cena projeta em (d(X/Z),d(Y/Z),d) • Equações são não lineares devido à divisão Matriz de projeção perspectiva • Projeção usando coordenadas homogêneas – Transformar (x,y,z) em [(d(x/z),d(y/z,d] – Divide pela 4a coordenada (a coordenada “w”) Perspectiva fraca • Requer que a distância entre dois pontos na cena z ao longo do eixo z (isto é, a profundidade da cena) seja muito menor que a distância média dos pontos vistos da câmera. x = f (X/Z) = f (X/Z´) y = f (Y/Z) = f (Y/Z´) • Neste caso, x=X e y=Y descrevem a ortográfica, viável para z < Z´/20 Considerando refração • Refração: inclinação que a luz sofre para diferentes velocidades em diferentes materiais • Índice de refração – luz viaja à velocidade c/n em um material com índice n – c é a velocidade da luz no vácuo (n=1) – varia de acordo com o comprimento de onda – prismas e arco-iris (luz branca quebrada em várias) Índice de refração Refração Transmissão com refração • A luz inclina pelo princípio físico do tempo mínimo (princípio de Huygens) – luz viaja de A a B pelo caminho mais rápido – se passar de um material de índice n1 para outro de índice n2, a lei de Snell define o ângulo de refração: n1sin1 n2 sin 2 – Quando entra em materiais mais densos (n maior), a inclinação é mais perpendicular (ar para a água) e vice-versa – se os índices são os mesmos, a luz não inclina • Quando entra num material menos denso, reflexão total pode ocorrer se 1 n2 1 sin n1 Difração • Entortar próximo dos cantos Dispersão • Refração depende da natureza do meio, ângulo de incidência, comprimento de onda Resultado Doppler • Exemplo do trem passando • http://webphysics.davidson.edu/Applets/D oppler/Doppler.html Calculando o raio refletido R 2 N ( N .L) L