INTRODUCCIÓN A LA VISIÓN ARTIFICIAL 1.3 FUENTES DE LUZ

INTRODUCCIÓN A LA VISIÓN ARTIFICIAL

1.3 FUENTES DE LUZ

         

 La  distribución  espectral  de  la  energía  radiada,  f (l ) ,  es  una  función  que representa la cantidad de potencia asociada a cada longitud de onda, l. Si la distribución presenta un pico sobre una determinada longitud de onda y es despreciable el resto de componentes, se dice que es una radiación monocromática. Éste es el caso de la luz láser. La luz blanca se caracteriza por tener una distribución uniforme en su espectro.

Diversos espectros de fuentes de luz

Cada onda luminosa monocromática lleva asociada una energía, cuyo valor es igual a^2.

La longitud de onda del láser de un DVD está entre los 630 nm y los 650 nm, en un CD es de 780 nm. La potencia del laser de un DVD es de 5.4 mW y el de un CD es de 1.85 mW.

Q  = h × f  =	h × c
	l

Donde h es la constante de Planck, igual a 6.63×10^-34 J×s, f es la frecuencia, c la velocidad de la luz y l la longitud de la onda. Así, la luz de menor frecuencia tiene menor contenido energético, mientras que la luz de menor longitud de onda posee mayor energía.

Ejemplo 1.1

¿Cuál es el flujo de fotones por segundo, P, de un laser de DVD con una potencia de 5mW emitiendo con una longitud de onda de 650 nm?

									-
Q  =	h × c				=		6 . 63  × 10		34   × 3 × 10 8		= 3 × 10 -19  J
									× 10 - 9
		l				650
P =			P		=	5 × 10 - 6			= 1 . 67  × 10 13		fotones/s
			Q			3 × 10 -19

La energía radiante emitida por una fuente luminosa, por unidad de tiempo y por unidad de área, depende de la naturaleza de la superficie y de su temperatura. Esta radiación es una mezcla de diferentes longitudes de onda. La temperatura de color es la temperatura a la que hay que calentar un radiador de energía o fuente de radiaciones para que emita radiaciones en determinadas longitudes de onda. A temperaturas bajas, este manatial radiará energía que se hace visible con longitudes de ondas largas (rojas anaranjados), mientras que a altas temperaturas llegará a emitir radiaciones de frecuencia elevadas (azules). Por ejemplo, a la temperatura de 600 K, la más intensa de estas ondas tiene una longitud de 500nm, que se encuentra en la región del infrarrojo, mientras a 1000 K, un cuerpo emite bastante energía radiante visible para ser luminosos por si mismo y parece incandescente; no obstante, la mayor parte de la energía emitida es transportada, con mucho, por ondas infrarrojas. A 3000 K, que es aproximadamente la temperatura del filamento de una lámpara de incandescencia, la energía radiante contiene bastantes longitudes de onda visibles, de las comprendidas entre 400nm y 700nm, de modo que el cuerpo parece casi rojo blanco.

Temperatura de color

La relación entre la radiación radiada y la temperatura del foco viene determinada por la ley de Stefan-Boltzmann:

E  = K _SB T ⁴

Donde K_SB es la constante de Stefan-Boltzmann (5.7×10^-8W/m²K⁴), T es la temperatura del emisor y E es la potencia radiada por metro cuadrado, llamada iluminación.

Ejemplo 1.2

La iluminación medida por un pirómetro óptico en un pequeño agujero de un horno es de 22.8 W/cm². ¿Cuál es la temperatura interna del horno?

1

æ

22 .8 × 10 4 W  / m 2

ö

T 4

4

E  = K

SB

®

T  = ç

÷

= 1414  K

- 8

2

ç

5 .7 × 10

W  / m

K

4  ÷

è

ø

El flujo luminoso se calcula a partir de la distribución espectral, f (l ) :

¥
F = ò	f (l )d l

La magnitud física del flujo luminoso, en el sistema internacional, es el vatio.

                                                                                                                       Flujo luminoso

El flujo luminoso emitido por un manantial luminoso depende de la abertura y del tamaño del cono de radiación, esto es, del ángulo sólido³. Se considera el manantial luminoso puntual S de la figura 1.7. Y sea dF el flujo luminoso que atraviesa una sección cualquiera de un estrecho cono de ángulo sólido dw estereorradianes, cuyo vértice coincida con el manantial. La intensidad luminosa del manantial, en la dirección del cono, se define como la razón del flujo, dF, al ángulo sólido, dw, o sea, como el flujo luminoso emitido por unidad de ángulo sólido. La intensidad luminosa se representa por I:

I  =

d F

d w

³ El ángulo sólido se define como el área de una superficie esférica, dA, dividida por el cuadrado del radio de la esfera, R. Su unidad es el estereorradian, [sr], una cantidad adimensional. Una esfera tiene 4p esterorradianes de ángulo sólido.

La unidad de intensidad es vatio por estereorradián. La mayor parte de los manantiales no emiten cantidades iguales de flujo por unidad de ángulo sólido en todas las direcciones.

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 1.2                    La luz como onda electromagnética

Algunos tipos de energía requieren de un medio conductor para propagarse. Como así sucede con la energía eléctrica o mecánica. Pero hay otros tipos de fuentes energéticas que no necesitan de un soporte conductor, éste es el caso de la luz. Las radiaciones electromagnéticas se propagan en forma de dos ondas vectoriales mutuamente acopladas y perpendiculares entre sí; una onda para el campo eléctrico y otra para el campo magnético. Según la teoría ondulatoria, la luz se propaga en forma de onda que viaja en el espacio libre con una velocidad constante c = 3×10⁸ m/s. El espectro visible es una porción muy pequeña del conjunto de ondas electromagneticas que tiene la peculiaridad de ser captada por los ojos y procesada en el cerebro. El ojo humano es capaz de distinguir radiaciones de 

longitudes de onda comprendidas entre los 380 nm a los 780 nm, cuyas frecuencias oscilan entre los 

3.2×10¹⁴ Hz y los 7.7×10¹⁴ Hz¹.

¹ La frecuencia de la onda es la velocidad de la luz, partido su longitud: f = ^c/l

 El sentido de la vista transforma las diferentes amplitudes y frecuencias del espectro visible en sensaciones conocidas como brillo y color respectivamente.

a) Campo electromagnético b) Espectro de la luz

 Fue Newton quien observó cómo la luz blanca, la procedente de la luz solar, se podía descomponer en unas serie de haces luminosos de colores cuando atravesaba un prisma óptico. Newton, con este experimento, halló el espectro de la luz diurna mediante el fenómeno conocido como dispersión de la luz o dispersión cromática, cuya explicación física escapaba de su teoría corpuscular. Mediante la teoría ondulatoria se sabe que cada color es en realidad una onda electromagnética de frecuencia determinada y que, al penetrar en el prisma óptico, se desvía en una dirección diferente debido a que 

el índice de refracción de este material varia con la frecuencia de la onda penetrante, con lo que el haz se expande de forma que las radiaciones monocromáticas puedan ser distinguidas y observadas por el ojo humano.

Dispersión cromática

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 INTRODUCCIÓN A LA VISIÓN ARTIFICIAL
  La naturaleza de la Luz

La luz fue considerara, hasta el siglo XVIII, como una corriente de corpúsculos. Éstos eran emitidospor los focos luminosos y disminuía su densidad a medida de que se alejaban del foco. Podían penetrar en las sustancias transparentes y se reflejaban en las superficies de los cuerpos opacos. Cuando los corpúsculos penetraban en el ojo, excitaban el sentido de la vista. Esta teoría corpuscular fue desarrollada por Newton en el siglo XVII y mejorada posteriormente, con el modelo cuántico, por Plank a principios del siglo XX.

En el siglo XIX, los trabajos de Young, Fresnel y Foucault salvaron la mayoría de las objeciones de la teoría ondulatoria. El impulso definitivo lo dio Maxwell, al explicar la luz como una radiación ondulatoria. Sin embargo, el efecto fotoeléctrico proporcionó evidencias experimentales de que la luz tenía carácter corpuscular en la interacción con la materia. Hoy se admite que en la emisión de la luz intervienen electrones con cantidades de energía determinadas o discretas. Cuando un electrón pasa de un nivel de energía a otro inferior emite una partícula discreta de energía, llamada cuanto o fotón. El problema ahora consiste en hacer concordar el cuanto o característica corpuscular de la luz con la idea de onda continua. Para la Mecánica Cuántica, cuando se trata del comportamiento de gran número de cuantos, la teoría ondulatoria explica satisfactoriamente los fenómenos, pero al considerar el comportamiento de unos pocos cuantos prevalece la teoría corpuscular. Así, los fenómenos de propagación de la luz encuentran su mejor explicación dentro de la teoría ondulatoria, mientras que la acción mutua entre luz y materia, en los procesos de absorción y emisión, es un fenómeno corpuscular. Aún hoy se mantiene la teoría dual de la luz.

La mayor parte del temario versará sobre la propagación de la luz y la formación de las imágenes. Todos estos fenómenos pueden interpretarse a partir de la teoría ondulatoria. Por tanto, se puede considerar que las fuentes luminosas emanan de un frente de ondas, las cuales pueden ser representadas, imaginariamente, por líneas rectas en la dirección de la propagación del tren de ondas, a las que se llamará rayo.

INTRODUCCIÓN A LA VISIÓN ARTIFICIAL

Uno de los sentidos más importantes de los seres humanos es la visión. Ésta es empleada para obtener la información visual del entorno físico. Según Aristóteles, “Visión es saber que hay y donde mediante la vista”. De hecho, se calcula que más de 70% de las tareas del cerebro son empleadas en el análisis de la información visual. El refrán popular de “Una imagen vale más que mil palabras” tiene mucho que ver con los aspectos cognitivos de la especie humana. Casi todas las disciplinas científicas emplean utillajes gráficos para transmitir conocimiento. Por ejemplo, en Ingeniería Electrónica se emplean esquemas de circuitos, a modo gráfico, para describirlos. Se podría hacerlo mediante texto, pero para la especie humana resulta mucho más eficiente procesar imágenes que procesar texto. La visión humana es el sentido más desarrollado y el que menos se conoce debido a su gran complejidad. Es una actividad inconsciente y difícil de saber cómo se produce. De hecho, hoy en día, se carece de una teoría que explique cómo los humanos perciben el exterior a través de la vista.

En el año 1826 el químico francés Niepce (1765-1833) llevó a cabo la primera fotografía, colocando una superficie fotosensible dentro de una cámara oscura para fijar la imagen. Posteriormente, en 1838 el químico francés Daguerre (1787-1851) hizo el primer proceso fotográfico práctico. Daguerre utilizó una placa fotográfica que era revelada con vapor de mercurio y fijada con trisulfato de sodio.

                               

   

Desde que se inventó la fotografía se ha intentado extraer características físicas de las imágenes. La Fotogrametría dio sus primeros pasos desde imágenes capturadas en globos. La Astronomía avanzó enormemente con el análisis de imágenes recibidas por los telescopios. El análisis de radiografías transformó la Medicina. Se podrían citar muchos más ejemplos que durante décadas han transformado la percepción de la Ciencia con el procesamiento de las imágenes, alguna veces por separado y otras de forma multidisiciplinar.

Sin embargo, el momento histórico que hace que estas técnicas confluyan y den un cuerpo de conocimiento propio, surge en la década de los 80 del siglo XX. La revolución de la Electrónica, con las cámaras de vídeo CCD y los microprocesadores, junto con la evolución de las Ciencias de la Computación hace que sea factible la Visión Artificial.

Por tanto, la Visión Artificial o también llamada Visión por Computador, pretende capturar la información visual del entorno físico para extraer características relevantes visuales, utilizando procedimientos automáticos. Según Marr, “Visión es un proceso que produce a partir de imágenes del mundo exterior una descripción útil para el observador y no tiene información irrelevante”.

Para algunos autores, como González y Woods, los primeros atisbos de este proceder se remontan a la década de los años 20 del siglo XX, cuando se transmitían imágenes transoceánicas, a través de cable submarino. Las fotografías periodísticas entre Europa y América tardaban una semana en llegar a través de los barcos. Al emplear las primeras técnicas de procesamiento de las imágenes se pasó sólo a tres horas. Las imágenes se codificaban a cinco niveles de grises y se transmitían por teléfono. No obstante, éste podría ser el principio de las técnicas de procesamiento de las imágenes, pero no el de la Visión Artificial, tal cual se ha definido. El concepto de Visión Artificial es más amplio y recupera para sí, todos los conocimientos de análisis de las imágenes desempeñado por otras disciplinas desde los albores de la fotografía.

Parece claro que para tratar sobre la Visión, lo primero a estudiar será la naturaleza de la luz, para luego pasar a entender cómo funciona la visión humana y acabar con las partes de la Visión Artificial.

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