Las imágenes de ojo de pez en un campo de visión de hasta 180 grados pueden proporcionar una calidad atractiva y exótica. Incluso cuando se usa una lente gran angular, proporciona información visual densa que es inaccesible a simple vista o cámaras tipo “estenopeicas”.
Jonpaul Jandu de Intersil describe un procesador rentable y fácil de usar que realiza la corrección de distorsión óptica en la cámara para imágenes de ojo de pez.
Las imágenes de ojo de pez en un campo de visión de hasta 180 grados pueden proporcionar una calidad atractiva y exótica. Incluso cuando se usa una lente gran angular, proporciona información visual densa que es inaccesible a simple vista o cámaras tipo “estenopeicas”. La distorsión de barril extrema de la imagen, como si mirara a la Tierra, a menudo es muy aceptada e incluso apreciada como una imagen visualmente “interesante”.
Sin embargo, surge otra situación cuando se consideran las posibles aplicaciones comerciales o industriales de las imágenes de ojo de pez. Estas aplicaciones generalmente se basan en el formato de imagen lineal de matriz equidistante habitual. La deformación extrema del ojo de pez provoca el desplazamiento radial de los píxeles en un patrón no lineal. Los píxeles aparecen desplazados espacialmente hacia los bordes lejos del centro de la distorsión de la imagen. Esto también suele ser, pero no necesariamente, el centro de atención y visión. Agregue a eso los efectos de luminancia no uniforme y saturación de color causados por enormes variaciones en la luz direccional y las sombras en el campo de visión, además de las aberraciones cromáticas y las tangentes introducidas por la calidad óptica limitada de la lente. . Desafortunadamente, por atractivo que parezca a primera vista, los datos sin procesar de una lente de ojo de pez no son adecuados para aplicaciones de visión por computadora, o para detectar y reconocer objetos y su movimiento en la pantalla. Las vistas extremadamente distorsionadas son casi inutilizables incluso para observaciones visuales en sistemas de vigilancia.
Básicamente, para que las imágenes de ojo de pez sean útiles, requieren una gran cantidad de corrección óptica antes de que sean adecuadas para su uso como entrada en aplicaciones del mundo real.
“Corrección” es un procedimiento de corrección de imagen cuidadosamente equilibrado que restaura elementos de imagen distorsionados o desplazados a una matriz lineal “natural”, si es posible en tiempo real para generar una transmisión de video en vivo. Tradicionalmente, esto requiere calibración de fotogametría. Alternativamente, requiere modificaciones y ajustes prácticos simples pero inflexibles al contenido de la imagen haciendo coincidir visualmente la geometría con los objetos y escenas conocidos. Proporciona algoritmos basados en ecuaciones polinómicas complejas que emplean elementos como perspectiva y modelado de gradiente de resolución.
Este paso suele implicar un procesamiento posterior excesivo. Esto dificulta las aplicaciones en tiempo real de gama alta de transmisiones de video digital, que son necesarias para muchas tareas de análisis de imágenes en vivo. Además, la mayoría de estos algoritmos están establecidos y optimizados para formatos únicos y aplicaciones específicas.
Este conjunto de condiciones fue el punto de partida para el desarrollo del TW2871 de Intersil, que comenzó en 2009 en Tokio. La idea básica era proporcionar a los fabricantes de cámaras un dispositivo de corrección de ojo de pez versátil que pudiera integrarse fácilmente en cualquier tipo de cámara de vigilancia en tiempo real. Un sistema que no requiere engorrosos ajustes ni pasos de posprocesamiento. En mayo de 2011, Intersil anunció el TW2871 y la compañía está lista para enviar el chip PBGA de 376 pines en el segundo trimestre de 2012.
El TW2871 permite aplicaciones en tiempo real al implementar todas las acciones correctivas necesarias en un ASIC cableado sin depender de soluciones de software regulares. El chip del procesador incorpora el motor de corrección de imágenes geométricas de gama alta patentado por Intersil. Esto logra una latencia de video de hasta 100 ms, prácticamente en tiempo real. Vea las Figuras 1 y 2 para ver ejemplos de cómo esta técnica “arregla”.
El ISP se conecta directamente al sensor de imagen que alimenta el chip con una imagen sin procesar altamente distorsionada. Un controlador DDR2 integrado gestiona el tráfico hacia y desde la DRAM fuera del chip. La DRAM fuera del chip contiene tablas de búsqueda para el mapeo de píxeles geométricos. Se acepta cualquier lente ojo de pez y sensor CMOS o CCD con resolución de hasta 8 o 10Mp con reloj de píxeles de hasta 96MHz. Esta característica muestra el camino hacia el video HD.
Adaptar la lente es muy fácil, consultar la hoja de datos y programar los parámetros físicos relevantes (diámetro, apertura, distancia focal, etc., todo lo que define el patrón de distorsión de ojo de pez) en una tabla de búsqueda adjunta a la lente. papas fritas. El procesador TW2871 se ajustará automáticamente en consecuencia. No se requiere calibración óptica ni imágenes de prueba. Este es un procedimiento simple de una sola vez.
El Procesador de señal de imagen (ISP) luego realiza varias acciones correctivas relacionadas con la calidad de la imagen. Estos incluyen píxeles defectuosos, exposición automática, balance de blancos automático, amplio rango dinámico, reducción de ruido 3D, corrección de sombreado de lente, matriz Bayer, conversión de formato de color RGB a YCbCr y más.
El TW2871 proporciona hasta cuatro imágenes segmentadas independientes derivadas de una vista de ojo de pez hemisférico. Cada uno de ellos viene en formato SDTV de definición estándar (CVBS), NTSC o PAL, junto con 720p o 1080i HD según SMPTE. Alternativamente, hay dos canales de flujos BT.656 de 8 bits en NTSC o PAL.
Las cuatro imágenes divididas corregidas derivadas de la vista de ojo de pez distorsionada se muestran en forma rectilínea sin distorsiones como si provinieran de cuatro cámaras separadas con distancias focales más largas. El usuario puede controlar, mover y ampliar de forma independiente la posición de estas imágenes divididas en tiempo real. Esto se hace a través de la consola de joystick normal que se usa en las configuraciones típicas de monitoreo. La imagen se muestra en un monitor de pantalla dividida, junto con la vista de ojo de pez ultra ancha original, como se muestra en la Figura 2.
En otras palabras, una imagen dividida ópticamente corregida permite un ‘acercamiento’ específico en las áreas más interesantes de una escena de 180 grados de ancho. Esto le permite observar objetos de interés con más detalle. La posición, orientación y ampliación de las imágenes divididas se pueden seleccionar libremente. Por lo tanto, los sistemas de vigilancia equipados con el TW2871 se parecen a las funciones de panorámica, inclinación y zoom (PTZ) digitales, una función que normalmente no se encuentra en los sistemas de vigilancia de interiores en la actualidad. Suelen fijarse a los techos de vestíbulos, pasillos y zonas de entrada de espacios públicos. Por lo general, emplean una cámara de vista única, que debe ampliarse manualmente y apuntar a un área específica seleccionada para una inspección detallada. Sin embargo, en la solución TW2871, la orientación de la cámara (ojo de pez) no se revela, se oculta debajo del domo y aparece como una imagen especular o negra.
El TW2871 genera cuatro imágenes divididas independientes que se pueden ver y mover a través del campo de visión. Este es un elemento clave de su diseño. Reemplaza los actuadores mecánicos propensos a errores y que requieren un mantenimiento intensivo que se utilizan para la panorámica, la inclinación y el zoom. Otra característica importante es que las cuatro vistas de cámara dividida producidas por el TW2871 están orientadas en cuatro direcciones ortogonales, lo que elimina los molestos puntos ciegos en el campo de visión que se experimentan con las cámaras de una sola vista controladas servomecánicamente.
Si necesita detección de movimiento, el TW2871 proporciona los algoritmos necesarios para ello. También tiene una función de enmascaramiento para evitar falsas alarmas. Enmascarar regiones específicas de la imagen dividida simplemente apuntando y haciendo clic desde la consola elimina los objetos visuales que exhiben patrones de movimiento sospechosos normales del escrutinio del detector de movimiento.
Las cuatro imágenes digitales proporcionadas por el TW 2871 se eliminan y se corrigen ópticamente a una resolución XGA, que es superior a la calidad de TV de definición estándar (SD). Por supuesto, la resolución final está dentro del rango del zoom digital y no puede exceder el número nativo de píxeles en la imagen de ojo de pez original. Esto limita las aplicaciones de vigilancia principalmente a situaciones en interiores, con distancias de objetos de menos de 150 metros. Sin embargo, se espera que las futuras versiones del chip tengan resoluciones HD (1080i o 720p). De cualquier manera, las configuraciones de zoom óptico ahora están relegadas a situaciones de vigilancia al aire libre en las que necesita cubrir distancias muy largas.
Lo que es más importante para los diseñadores de sistemas de vigilancia, el nuevo chip ofrece una manera conveniente de implementar la corrección de ojo de pez sin pasos de software que consumen mucho tiempo, como la unión panorámica. En la mayoría de los casos, estos son demasiado complejos y costosos para ejecutarlos en tiempo real. La implementación cableada del TW2871 permite que el procesamiento y la corrección de imágenes ocurran dentro de la cámara (¡pero fuera de la lente!). Las cámaras se pueden colocar muy cerca de la escena a investigar. Pero como solución independiente, no requiere una PC de “caja grande” cercana u otra unidad de procesamiento, ni necesita transferir gigabytes de datos de imágenes sin procesar a través de enlaces de alta velocidad.
Además de los sistemas de vigilancia, Intersil prevé futuras aplicaciones de asistencia al conductor automotriz. Este concepto requiere que se monte una cámara de ojo de pez en la parte delantera del automóvil y otra en la parte trasera. Esto generará todas las vistas que necesita. Frontal, laterales izquierdo y derecho, trasera, todo fijado con cámaras. Para esta aplicación, el diseño TW2871 actual puede ser excesivo. Un “superconjunto” de todas las funciones necesarias de asistencia al conductor. Los conductores de automóviles no necesitan PTZ, solo aseguren todos los lados del vehículo. En el contexto automotriz, es más importante que el sistema dure hasta 20 años además de ser de muy bajo costo.
No hay duda de que el chip tiene muchas aplicaciones potenciales. Otro ejemplo son las videoconferencias de grupos grandes. Necesita ver la escena completa y tener la flexibilidad para acercarse rápida y flexiblemente a los participantes según sea necesario. Los explosivos que buscan robots que necesitan monitorear todo su entorno también tienen aplicaciones militares. Existen aplicaciones médicas en las que es deseable proporcionar múltiples imágenes para un procedimiento endoscópico. También simplifica la seguridad del hogar. Una cámara monocular que proporciona varios ángulos y niveles de salida digital compatible con los populares formatos de video de consumo digital y transporte IP.
Sobre el Autor
Jonpaul Jandu es Gerente de Desarrollo Comercial en Intersil Corporation. Antes de ser adquirido por Intersil, trabajó para Techwell Corp. Tiene una licenciatura en finanzas de la Universidad de Santa Clara.