Геометрия изображения

Естественно, конструкция приемника изображения и способ организации сканирования напрямую влияет на его внутреннюю геометрию.

Наиболее распространенной является центральная проективная геометрия снимка, характерная для фотоаппаратов и видеокамер с матричными приемниками и объективами на базе сферических линз. Геометрия таких изображений будет подробно рассмотрена в разделе 7.3.

Другим типом внутренней геометрии является осевая проективная геометрия, характерная для устройств со щелевым сканированием.

Встречаются и еще более сложные случаи внутренней геометрии съемки. Например, цилиндрическая геометриянекоторых космических фотоаппаратов, проецирующих изображение не на плоскость, а на цилиндрическую поверхность. Геометрия радиолокационной съемки определяется устройством антенны и может быть весьма сложной и нелинейной. Геометрия изображения, полученного от лазерного локатора, определяется алгоритмом развертки управляющей зеркальной системы.

Во всех случаях, если перед нами стоит задача измерения и контроля каких-либо элементов сцены или взаимной геометрической привязки элементов изображений различных типов, помимо заранее известной общей геометрической модели приемников изображений подобного типа, мы должны также с максимально возможной точностью знать значения всех параметров этой модели применительно к данному конкретному экземпляру приемника. Дело в том, что никакие технические изделия не являются идеальными. Поэтому, приобретая у производителя объектив для видеокамеры с заявленным фокусным расстоянием, например, 12мм, мы не можем быть уверены, что фокусное расстояние данного объектива действительно ровно 12 мм, а не 12,1 или 11,9. Другие параметры геометрии съемки (например, положение центра снимка, через который проходит оптическая ось съемки) также требуют оценки и уточнения до того, как мы сможем использовать геометрическую информацию, полученную от данной камеры в измерительных целях. Более того, на практике ни одна сферическая линза не является в точности сферической. Любой объектив имеет так называемыедисторсии, то есть искажения, отклонения от идеальной геометрии. Аналогичным образом и движение линейки оптического сканера никогда не является идеально параллельным, плавным и равномерным. В связи с этим и сканерное изображение имеет не только оптическую геометрию сканирующей системы, но и свои дисторсии и искажения внутренней геометрии изображения.

Отсюда вытекает необходимость проведения математической калибровки и компенсации дисторсий для любых практически используемых в технических системах камер и сканеров. Процедуры такой калибровки для камер с центральнопроективной геометрией будут также рассмотрены в главе 5. К сожалению, оптические системы многих дешевых бытовых устройств ввода изображений столь несовершенны, что даже математическая калибровка не в состоянии придать им метрические свойства. Это относится, в частности, к большинству USB-камер и цифровых камер, встроенных в сотовые телефоны.

Цифровые и аналоговые устройства

Говоря о существенных характеристиках приемников изображений, необходимо упомянуть о том, что выходной сигнал устройства, непосредственно регистрирующего изображение, может быть цифровымилианалоговым.

Аналоговый видеосигнал формируется аналоговыми видеокамерами иливидеомагнитофонами. Как правило, в этом плане вы можете столкнуться со стандартными видеосигналами в форматеPAL,SECAMилиNTSC. Для того, чтобы ввести аналоговый видеосигнал в компьютер в виде цифрового изображения или последовательности цифровых изображений, необходимо использовать специальное дополнительное оборудование –устройство видеовводаилифреймграббер. Фреймграббер представляет собой аналогово-цифровой преобразователь и одновременно декодер формата изображения, который позволяет непосредственно подключить на вход видеосигнал от аналоговой камеры, телевизионной антенны или видеомагнитофона, после чего данные в цифровом формате начинают поступать в компьютер по шине данных (например, по шинеPCI, если это встроенная плата видеоввода сPCI-разъемом), либо через один из внешних портов, если это внешний фреймграббер, выполненный в виде отдельного устройства. В современных технических системах, как правило, используются встроенные фреймграбберы, обеспечивающие более высокую скорость передачи данных. Большинство современных фреймграбберов позволяют осуществлять оцифровку аналоговых сигналов всех стандартных типов, однако, контроль за тем, чтобы выбранные параметры оцифровки соответствовали характеристикам оцифровываемого сигнала, в большинстве случаев ложится на пользователя.

Цифровые камеры,цифровые фотоаппаратыицифровые сканерысразу формируют изображение в цифровом виде таким образом, что оно может быть введено в компьютер через тот или другой стандартный канал для ввода цифровых данных. Еще несколько лет назад для цифрового обмена данными большинство устройств использовали такие порты:последовательный порт (serial port),параллельный порт (parallel port)и портRS-232/464. Это были достаточно «узкие» каналы, существенно ограничивавшие скорость передачи цифровых видеоданных. Практически о передаче по ним видеоданных в реальном масштабе времени не могло быть и речи. На сегодня наиболее распространенным интерфейсом, используемым в бытовых устройствах видеоввода, являетсяUniversal Serial Bus (USB). Первая версия этого порта обеспечивала невысокую пропускную способность канала, в связи с чем для промышленных приложений в основном использовались другие специализированные порты/протоколы:IEEE 1394 (FireWire) и Camera Link. Однако новый стандартUSB-2вплотную приблизил технологиюUSBк потребностям профессиональных разработчиков, в результате чего стали появляться и профессиональные промышленные системы, ориентированные на ввод поUSB-каналу. Камеры для видеонаблюдения (IP-камеры) в качестве канала передачи видео по сети используютEthernet. Теперь уже и многие камеры для технического зрения используютGigabitEthernetв качестве основного канала вывода информации. Таким образом, в настоящее время в промышленных системах технического зрения могут использоваться все упомянутые типы цифровых каналов ввода. Выбор конкретного канала определяется на этапе проектирования системы в зависимости от особенностей каждой конкретной задачи.