WPROWADZENIE
Jedną z najciekawszych technik rejestrowania obrazu jest aktywne obrazowanie przy użyciu kadrowania przestrzenno-czasowego. Możliwa jest rejestracja obrazów dla ściśle określonego przedziału czasowego i wycinka przestrzeni (w sensie odległości i głębokości) poprzez sterowanie parametrami akwizycji. Obrazy otrzymane tą metodą i związane z nimi metadane oferują nieporównywalnie więcej informacji niż tradycyjne rozwiązania.
Obraz stanowić może cenne źródło informacji. Najczęściej przyjmujemy, że obrazy są rzutem na płaszczyznę trójwymiarowej przestrzeni. Jednocześnie zdajemy sobie sprawę z tego, że w takim obrazie zostaje uchwycony pewien fragment czasu. Pojawia się więc pytanie, jaki fragment czasu i przestrzeni zawiera zarejestrowany kadr. Odpowiedź zależy od tego, z jakimi parametrami dokonano akwizycji obrazu. Jeśli przyjąć, że obraz rejestruje nasze oko lub też typowy aparat fotograficzny – odpowiedź może wydać się zaskakująca. Najlepiej ilustruje ją poniższy rysunek.
1. Horyzont czasu i przestrzeni zarejestrowany na klasycznym kadrze
Klasyczne zdjęcie tzw. pamiątka z wakacji, pokazuje z jak szerokim horyzontem czasu i przestrzeni mamy do czynienia. Dystans pomiędzy najbliższymi obiektami a słońcem to ok. 150mln kilometrów. Natomiast odpowiadający przedział czasowy to ok. 8 minut i 20 sekund. Czy istnieje możliwość zawężenia czasu i przestrzeni obserwacji ? Odpowiedź jest twierdząca a rozwiązanie stanowi metoda kadrowania przestrzenno-czasowego.
SELEKTYWNE OBRAZOWANIE W PRZESTRZENI I CZASIE
O tym co zostanie utrwalone na obrazie decydują przede wszystkim takie parametry jak: relacje przestrzenne miedzy obserwatorem a obiektem, czas akwizycji obrazu, oświetlenie obiektu, pole widzenia kamery. Przyjmijmy, że obserwator/kamera rejestruje obraz sceny, w której występują obiekty na różnych odległościach z1, z2. Są to obiekty zarówno typu statycznego (np. piłka) jaki i dynamicznego (np. wiatrak). To co zostanie zarejestrowane w kadrze zależy przede wszystkim od parametrów czasowych akwizycji obrazu – czasu oświetlania obiektu jaki i czasu detekcji sensora.
2. Wpływ czasu oświetlania i detekcji na akwizycję obrazu
W przypadku długich czasów podświetlania obiektu (np. oświetlenie naturalne) oraz długiej detekcji (np. klasyczna kamera z długą migawką) uzyskiwany obraz uniemożliwia nam obserwację obiektu dynamicznego. Skracając czas oświetlania lub detekcji ograniczamy przedział czasowy rejestrowanych zdarzeń. Możliwa staje się obserwacja obiektu dynamicznego. Jednak horyzont przestrzeni nie zostaje ograniczony. Dopiero skracając jednocześnie czasy oświetlania i detekcji możemy zawężać horyzont czasu i przestrzeni obserwacji.
Parametry akwizycji :
– pozycja oświetlacza czy detektora względem obiektu L,
– odstęp czasowy miedzy oświetlaniem a detekcją Tdel,
– głębokość i przedział czasowy obserwacji ΔL=L(-)+ L(+), ΔT=T(-)+ T(+) .
3. Horyzont przestrzenno-czasowy ABCD
ASPEKTY METODY POMIAROWEJ
Kadrowanie przestrzenno-czasowe dotyczyć może różnych aspektów pomiarowych, które ogólnie można podzielić na dwie podstawowe grupy.
Projektowanie pomiarów
Posługując się diagramem (t,z) można realizować różne zagadnienia pomiarowe w obszarze techniki obrazowej. Podstawą jest zrozumienie problemu pomiarowego i przełożenie go na parametry czasowe i przestrzenne procesu akwizycji obrazu. Procedura może rozpoczynać się od zdefiniowania wymaganego horyzontu przestrzenno-czasowego w odniesieniu do obiektu badań {P(t,z), T, L}. Na tej podstawie wyznaczyć można parametry czasowe metody (m.in. czas oświetlania Ti i detekcji Td, odstęp czasowy TA+TB) jak również jej parametry przestrzenne (odległość oświetlacza LA i odbiornika LB od obiektu badań) (rys. 4a). W przypadku konieczności modyfikacji parametrów metody do zmieniających się warunków pomiarowych (przestrzennych i/lub czasowych) można stosunkowo szybko zmieniać parametry kadru lub jego położenie na diagramie (t,z) poprzez zmiany parametrów czasowych akwizycji obrazu (rys. 4b).
4. Projektowanie pomiarów a) wyznaczanie parametrów, b) modyfikacja parametrów
Analiza danych pomiarowych
Możliwości analityczne rejestrowanych obrazów przy pomocy metody kadrowania przestrzenno-czasowego, stanowią pochodną tzw. metadanych obrazowych czyli parametrów czasowych akwizycji obrazu łącznie z elementami orientacji zewnętrznej i wewnętrznej procesu akwizycji danych. Poniższe wyniki prezentują dane uzyskane za pomocą eksperymentalnego Urządzenia Fotografii Laserowej opracowanego w Instytucie Optoelektroniki WAT.
Szczególną własnością aktywnego obrazowania jest tzw. autosegmentacja sceny (rys. 5a). Do właściwej interpretacji danych obrazowych wymagane są metadane zawierające informacje o uchwyconym w kadrze horyzoncie czasu i przestrzeni. Dzięki znajomości odległości obserwacji i kątowego pola widzenia kamery możliwy jest pomiar geometrii obiektów (rys. 5b). Z kolei dzięki danym z sensora 6DoF istnieje możliwość pozycjonowania w przestrzeni obiektów zarejestrowanych na obrazie (rys. 5c). Równie ciekawą własnością pomiarową jest możliwość obserwacji obiektów w sytuacji ograniczonej widoczności wynikającej z istnieją ośrodka rozpraszającego (Rys. 5d)
5. Możliwości pomiarowe kadrowania przestrzenno-czasowego
Nasze eksperymentalne urządzenie
