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En la selección y configuración de la iluminación nunca puede deducirse una única manera adecuada de hacer las cosas, siempre hay varias opciones, cada una de las cuales tiene sus propias ventajas y desventajas. Esto se debe a las propiedades geométricas (formas de borde y las marcas de mecanizado), propiedades ópticas (color, reflexión, nivel de brillo, dispersión) e incluso las propiedades químicas (condensación, oxidación, aceite, líquido refrigerante) del material a inspeccionar. Todas estas propiedades tienen una influencia considerable sobre las opciones de configuración de la iluminación y la selección. El brillo puede influir mediante las propiedades direccionales de la luz que emerge de la iluminación: • Iluminación difusa es adecuada para la luz incidente y la iluminación de la luz de fondo donde los fallos superficiales más pequeños en la estructura del material a inspeccionar han de ser reparados. • Iluminación dirigida debido a su fuerte direccionalidad, puede asegurar que las propiedades direccionales pronunciadas en el material a inspeccionar, están particularmente bien resaltados. La iluminación dirigida se utiliza a menudo en la luz incidente. • Iluminación telecéntrica encuentra su uso esencial en combinaciones con objetos telecéntricos para el contraste en representación de materiales de prueba. • Iluminación estructurada se utiliza debido a las estructuras de luz; por ejemplo, para las tareas de procesamiento de imágenes 2D en luz incidente. En general, el ajuste de la iluminación a las propiedades geométricas ópticas del objeto a inspeccionar debe llevarse a cabo durante la selección y la configuración de la iluminación. Los materiales transparentes se pueden inspeccionar particularmente bien. Si los materiales son parcialmente o totalmente transparentes, la parte superior y la parte inferior no pueden ser separadas debido a que los componentes, serán iluminados desde el interior. Las dificultades con la iluminación incidente generalmente ocurren en los bordes del material a inspeccionar, como las propiedades de borde influyen en la interacción entre la luz y el material considerablemente. Por esta razón, la iluminación incidente, no es adecuada para mediciones métricas. Son muchas las aplicaciones de procesamiento de imagen que tienen que recurrir a la iluminación incidente debido al entorno industrial: • Pick & Place robots. La iluminación de fondo permite una mayor representación del contraste, una definición nítida de la silueta y los contornos de los componentes no transparentes. Muchos de los componentes transparentes o parcialmente transparentes también pueden ser inspeccionados con iluminación de fondo telecéntrica. Lo mismo ocurre con las aplicaciones que se basan en la precisión, tales como el sistema métrico. La iluminación de fondo es generalmente independiente de la distancia de iluminación para el material a inspeccionar y por lo tanto es particularmente adecuada para aplicaciones de procesamiento de imágenes de alta velocidad. A pesar de sus ventajas, la posibilidad de aplicar la iluminación normalmente se limita por el hecho de que se basan en gran medida en el diseño de la máquina y por lo tanto no siempre pueden ser implementadas. Este tipo de iluminación, la incidencia de la luz de la dirección de la cámara ilumina la superficie del material a inspeccionar. La iluminación incidente se dispersa en todas direcciones y solo una pequeña cantidad regresa a la cámara, por tanto, se ve oscuro. Sin el objeto a inspeccionar, la iluminación aparece oscura porque la luz esta fuera del campo visual de la cámara. Sólo cuando el material está dentro del campo visual, se iluminan los bordes del elemento y la superficie de trabajo de tal manera que los datos sean reconocidos. • Aplicación en color o en blanco y negro. • Velocidad del material a inspeccionar. • Tamaño del campo a iluminar. • Los costes de mantenimiento. • Condiciones ambientales. Por otra parte, hay numerosos factores que influyen en la elección de iluminación. Por lo tanto, contar con expertos para la selección de la iluminación adecuada es un servicio que tiene sentido en términos de coste y tiempo. Atrás quedaron los tiempos en los que la iluminación en el procesamiento de imágenes se entendía como “luz para iluminar la imagen”. Componentes de iluminación modernos se han convertido en productos de alta tecnología en la que se unen al estado de los conocimientos más avanzados de la iluminación, la electrónica, la termodinámica, la ingeniería de materiales y la tecnología de producción. La variedad de fuentes de iluminación utilizadas en el procesamiento de imágenes se ha reducido considerablemente en los últimos años debido a los LED's. Sin embargo, muchas otras fuentes están siendo utilizadas: Las lámparas homogéneas: ________________________________________ Lámparas de halogenuros metálicos: ________________________________________ Las lámparas de xenón: ________________________________________ Lámparas fluorescentes: ________________________________________ Láser: ________________________________________ LED's: La salida de luz que utilizan los componentes de iluminación está determinada por su estructura interna. Para las diversas aplicaciones en el procesamiento de imágenes, la dirección de la salida de luz debe ser manipulada de una manera enfocada, utilizando componentes ópticos, de los componentes de iluminación con el fin de lograr el efecto de luz deseado. Dependiendo del uso, la iluminación está formada como: • Una iluminación difusa con la distribución más uniforme, en diferentes direcciones. El control de iluminación es una parte esencial de la iluminación, de la interfaz para los controles o el sistema de procesamiento de imagen. El procesamiento eficaz, potente y fiable de la imagen sólo puede lograrse mediante la definición de escenarios de iluminación, ya que estos se logran usando circuitos de control que están especialmente adaptados a las fuentes de luz. Una gran fuente de alimentación de entrada (por lo general de 10 a 30 VDC) es una cualidad esencial para la conexión de las redes de suministro no reguladas (tensión de alimentación del PLC). Por otra parte, se debe integrar una fuente de corriente constante. Esto contrarresta el efecto del envejecimiento sobre los indicadores LED a largo plazo, y puede proporcionar una iluminación uniforme en el caso de operaciones de conmutación a corto plazo. Incluso el sobrecalentamiento a corto plazo de los chips conduce al envejecimiento extremo e irreversible. Las pérdidas en el brillo (> 50%) y el aumento de las tasas de fracaso que aparecen sólo después de años de funcionamiento en frío, pueden ocurrir en tan sólo unas pocas horas. Por lo tanto, la gestión de la temperatura es una necesidad absoluta para la iluminación del LED con constante aumento de los niveles de desempeño. Dirigida y basada en el diseño de disipación de calor también garantiza un funcionamiento fiable y sin sobrecalentamiento incluso a temperaturas ambientales altas. Así como la operación de iluminación temporalmente estable, la capacidad de controlar su brillo es una característica importante. Esto se puede lograr de varias maneras: • Manualmente mediante potenciómetro. La iluminación adaptativa permite el brillo temporal y local, que se fijará para los campos de LED's completos y se ajustarán a la geometría del material a inspeccionar y al medio ambiente en tiempo real a través de Ethernet. El modo más sencillo de operación es la iluminación constante. Una vez encendido, las luces proporcionan iluminación durante un largo periodo de tiempo. Las luces que no proporcionan una iluminación constante, funcionan como iluminación de pulso. Cuentan con una entrada de interruptor rápido, a través del cual las luces se pueden encender y apagar con un calibre de PLC con un tiempo de retardo de < 1 ms. Esta opción de cambio rápido se utiliza siempre cuando escenarios de iluminación compleja requieren que la cámara capture varias imágenes consecutivas en diferentes condiciones de iluminación. Las luces que sólo están destinadas para la iluminación constante no son adecuadas para el funcionamiento de pulsos. Un extenso cableado capacitivo del circuito de estabilización significa que hay grandes retrasos en el encendido y el apagado que impide la rápida reacción necesaria. TTL y PLC son típicos para activar los componentes de flash. Por lo tanto, es posible activar el flash, ya sea del sistema de procesamiento de imagen o los controles de la máquina (PLC). Una vez que la señal de disparo se envía, hay un tiempo de retardo hasta que se activa el flash. El tiempo de retraso debe ser muy corto por lo que el material a inspeccionar no se encuentre excesivamente fuera del campo visual de la cámara. Los tiempos de retardo típicos son alrededor de 500 ns. La frecuencia máxima de destello denota el mayor número de flashes que un componente flash puede conducir. Es muy dependiente de la calidad del circuito de control para la iluminación de flash. Los tiempos de flash son por lo general entre 1 y 100 ms. El tiempo de flash necesario para una aplicación específica depende de un número de factores: • Velocidad del material a inspeccionar. La vida útil de la iluminación depende tanto del tipo de fuente de luz como de otras condiciones ambientales y de funcionamiento. Puede ser entre 300 horas (luces halógenas potentes) y > 50.000 horas para la iluminación LED. El muy citado MTBF (tiempo medio entre fallos) de iluminación LED de 100.000 horas es para un solo LED rojo. Para otras longitudes de onda (azul y UV) son inferiores. En el caso de la iluminación de flash LED, se puede suponer que varios millones de destellos se pueden realizar a la máxima iluminación y sin envejecer, por lo tanto la pérdida de brillo en ciertos principios de la tecnología de conmutación se cumple durante la construcción. La iluminación que es técnicamente la mejor, se vuelve inútil si no está bien definida, y no es permanente, estable y combinada. Se requieren rejillas perforadas estandarizadas para la sujeción, manómetros con conexión estandarizada para la iluminación, adecuados para la producción en serie en el trabajo de la ingeniería mecánica. Como todos los componentes de procesamiento de imágenes, la iluminación también está sujeta a oscilaciones y vibraciones. Como fuente de iluminación, los LED son extremadamente resistentes a los golpes, sin embargo, la interfaz de la placa de circuito impreso o el soporte LED a menudo no son capaces de hacer frente a la fuerza que se produce. El objetivo es muy simple, crear un contraste. Es el requisito previo para programas de pruebas sencillas, rápidas y robustas. Sin él, el software de procesamiento más eficiente no puede operar de manera fiable. Hay numerosos efectos recíprocos directos e indirectos entre la iluminación y el medio ambiente: materiales a inspeccionar, la luz ambiental, lentes, cámaras y entorno de la máquina, así como el hardware y el software de procesamiento de imágenes, todo tiene un efecto sobre el éxito o el fracaso de la iluminación. La composición de la iluminación debe coincidir fundamentalmente con la sensibilidad del sensor de imagen, lo que la anchura de la gama espectral de la luz está normalmente restringida a 300 nm para la luz UV y 1400 nm para NIR. El material inspeccionado, la lente y el sensor se deben coordinar en este rango. Dependiendo de la tecnología y del diseño, los sensores de imagen, incluyendo el ojo humano, tienen diferente sensibilidad a los diferentes colores de la luz. Particularmente en el campo de la luz invisible (UV e infrarroja) calculable, pero no directamente comparable, se aplican al reconocimiento de la iluminación. En el caso del tratamiento de la imagen mecánica, se utilizan y se analizan sólo las diferencias absolutas localizadas en el brillo. Los resultados para el ser humano y las máquinas están muy lejos y se deben calcular, por lo tanto es necesaria la ayuda de la tecnología de procesamiento de imágenes. Ejemplo de contraste: La distancia es un factor esencial para el éxito de la iluminación. La ley fotométrica de distancia da los siguientes contextos para la luz incidente: Si se duplica la distancia desde el componente de la iluminación para el objeto, sólo una cuarta parte de la iluminación original y la irradiación se mantiene. Desafortunadamente, en este caso, el ojo humano, con su reconocimiento logarítmico del brillo, conduce a tener errores. Por lo tanto, debe de ser consultado el sistema de procesamiento de imagen para la prueba de caída de brillo. Los cambios en la distancia, no tienen influencia en el brillo de la iluminación. Por lo tanto, la iluminación de contraluz se puede colocar a una mayor distancia del material a inspeccionar sin pérdida de brillo. Diferentes escenarios de implementación requieren diferentes componentes. Así, por una parte, se requiere una iluminación que permita la máxima homogeneidad (por ejemplo, para la iluminación de la luz de fondo). Por otra parte, otras formas de iluminación a menudo se diseñan de tal manera que crean un perfil de iluminación dirigida a una forma individual determinada (por ejemplo, para la iluminación de campo oscuro). A partir del brillo absoluto, homogeneidad o perfil de iluminación, se puede proporcionar información de la iluminación incidente y de la de fondo. El color de la iluminación, que se crea por la radiación de la longitud de onda específica, es una característica considerable de la iluminación, que puede ser reconocido externamente por los seres humanos. Este color provoca una reacción en el objeto (absorción, reflexión y transmisión). La iluminación que corresponde con el color del objeto de prueba, con luz blanca se refleja particularmente bien y por lo tanto es bastante eficaz. El color complementario, por otra parte, es eliminado de manera efectiva y, por ese motivo, parece oscuro. El uso selectivo de color y color complementario constituye un principio para la selección de longitudes de onda de luz. Los objetos que aparecen acromáticos con luz blanca (por ejemplo, las superficies de metal) apuntan al hecho de que reflejan todas las longitudes de onda uniformemente. La selección del color de la iluminación juega un papel importante para estos objetos. Sin embargo, no toda la luz blanca es la misma. Con el fin de que incluso hay brillo en el material a inspeccionar, la composición del espectro utilizado en la luz blanca debe ser conocida. Esto es importante para el procesamiento de imágenes en color, en la que las diferencias en la composición de la luz se pueden corregir mediante el balance de blancos. La percepción del ser humano no es eficaz para el UV y la luz infrarroja, cuya longitud de onda se encuentra más allá del campo visible. No se puede hacer ninguna predicción para la interacción entre el “color” de la luz y el material a inspeccionar. Deben establecerse por medio de experimentos. Imagen 1: Los colores y los colores complementarios están opuestos en el círculo de color. Imagen 2: Regleta de bornes gris con contactos de bornes naranja (ambos a la izquierda en la imagen). Encendido en naranja (izquierda), e iluminado con el color complementario azul (derecha). Los cambios en la posición del elemento o la radiación de luz variable durante el transcurso del día pueden conducir a la iluminación implementada a no poder entregar el contraste constante, poniendo así en peligro la estabilidad y la fiabilidad del procesamiento de imágenes. Los siguientes ejemplos se pueden utilizar como contramedidas para la iluminación extraña e interferente: • El uso de la iluminación mucho más eficiente, de modo que la iluminación específica sea más fuerte que la interferencia. Debido a la gran cantidad de energía de la iluminación irradiada utilizando láseres y LED’s como fuente de luz, es necesario tomar medidas. También está el hecho de que parte de la iluminación utilizada se irradia en el campo invisible de UV y luz infrarroja, que es particularmente peligroso, ya que no puede ser reconocido directamente por los seres humanos. Las preocupaciones de peligro tanto a los ojos como a la piel (en particular con UV). Sin embargo, en algunos procedimientos simples, se pueden reducir los peligros causados por estas fuentes de iluminación: • No mirar directamente a la iluminación. Las lentes están justo en frente, en el camino de la señal de procesado de imagen y la forma de información de iluminación. La lente es el componente del sistema de visión cuyo parámetro aporta la creación de la imagen, el contenido y la forma de interpretarla. El cristal óptico no tiene que ser transparente para todas las longitudes de onda utilizadas en el procesado de imágenes. Esto es particularmente cierto en cuanto a los rayos UV y la iluminación infrarroja. Por tanto, la longitud de onda seleccionada dependerá del tipo de material a inspeccionar, del color y el tipo de inspección a realizar. Un indicador fundamental para seleccionar la lente, es la determinación del campo de visión según distancia de trabajo que la lente puede controlar así como el tamaño del sensor de la cámara. La escala para las ampliaciones/reducciones se toma de la relación entre el tamaño del sensor de imagen y el campo de visión. Tiene una influencia considerable en la resolución de píxeles, es decir, el sensor puede reconocer los detalles más pequeños. En el caso de las lentes entocéntricas, la escala de la imagen se puede cambiar mediante la alteración de la distancia de trabajo. Por otra parte en las lentes telecéntricas no es posible alterar la escala de la imagen dado que el campo de visión es fijo. La distancia de trabajo hace referencia a la distancia entre el sensor de la cámara y la pieza a inspeccionar. Dependiendo del campo de visión, el tamaño del sensor y la lente utilizada, la distancia de trabajo variará. La montura C y CS se han establecido para su uso en cámaras matriciales. Las monturas de lentes con un diámetro más grande que las C-mount se utilizan principalmente para las cámaras lineales. Las lentes de montura CS se pueden utilizar con 5 mm, anillo intermedio en cámaras con montura C. Lo contrario no es posible. La montura de la lente, está estrechamente relacionada con la distancia focal. Montura del lente Hilo Longitud focal de brida / mm S montaje M12 x 0.5 no definida Montura C 1 "x 1/32" 17.523 Montaje de CS 1 "x 1/32" 12.5 F montaje Bayoneta NIKON 46.5 En el caso de las lentes etnocéntricas, la distancia focal determina el ángulo de visión de la lente. Una distancia focal corta significa un ángulo de visión amplio, y una larga, crea un ángulo de visión más reducido. La distancia focal y el ángulo de visión son inversamente proporcionales: reduciendo a la mitad la distancia focal, se duplica el ángulo de visión. La misma distancia focal crea diferentes ángulos de visión y por tanto diferentes campos visuales. Las lentes cuya distancia focal se puede alterar (lentes con zoom) son adecuadas para el uso en laboratorio, a la hora de realizar montajes experimentales con rapidez y flexibilidad. Las lentes con distancias focales fijas son utilizadas en aplicaciones industriales. Las aberturas se utilizan para controlar el paso de iluminación de la lente. La abertura se fija en el anillo, siempre debe ser mecánicamente corregible. El flujo luminoso se reduce a la mitad cerrando la apertura y se duplica al abrirlo. Cuanto menor sea el número de la apertura, mayor será la luminosidad de la lente, es decir, que las imágenes podrán ser capturadas con menos iluminación exterior. Como cuestión principal, todas las lentes tienen errores de imagen. Las posibilidades de que una lente pueda lograr imágenes precisas dependen mucho de su construcción, los materiales utilizados y la complejidad de su construcción óptica, se reflejan en el precio de los diferentes tipos de lentes. Los sensores de imágenes con píxeles más pequeños también requieren lentes de mayor resolución. La caracterización cualitativa de las lentes es un tema complejo y no se puede representar en tan sólo unos pocos parámetros. Es físicamente imposible y también sería una locura financiera tratar de construir un "objetivo de alto rendimiento general". Por lo tanto, puede ser muy útil mirar los criterios individuales para calificar la lente en función de su uso: • Fidelidad geométrica: • Función de transmisión de modulación (MTF): • Fidelidad del brillo: • Fidelidad del color: Información general sobre los errores de imagen: • En general, los errores de imagen son menos frecuentes en el centro de la imagen y más frecuentes en los bordes. La calidad de las lentes sólo puede demostrar ampliamente el uso de una extensa gama de propiedades y parámetros. Las transiciones de la luz del aire al vidrio y del vidrio al aire, incluso dentro de las lentes, se asocia con la pérdida de brillo y el contraste. Los diseños de los objetivos modernos siempre contienen varias lentes, y de esa manera aumenta la pérdida de brillo y contraste, por lo que es necesario desarrollar medidas para minimizar estas pérdidas. Esto se consigue utilizando capas delgadas, ópticamente transparentes, que son de vapor-revestido en un vacío en las lentes del objetivo y aparecen para el ojo humano como una niebla de color en la superficie de la lente. Incluso las capas individuales conducen a un aumento considerable de la transparencia y el contraste de las imágenes. Además de la impresión visual de la perspectiva etnocéntrica a la que los seres humanos están familiarizados, también se utilizan en el procesamiento de imágenes, las lentes telecéntricas e hipercéntricas. • Aplicación: • Lentes de distancia focal fija: • Los objetivos macro: • Lentes perpendiculares: Las lentes telecéntricas son especialmente adecuadas para las mediciones métricas precisas, también para las tareas de inspección, detectar los controles de presencia y la exhaustividad sobre grandes superficies a inspeccionar con diferentes niveles de altura y de medición, así como piezas geométricamente complejas que no pueden ser inspeccionadas usando lentes etnocéntricas. Las piezas con superficies variadas, brillantes y con materiales ópticamente activos, tales como el vidrio y el plástico, también son especialmente adecuados para este tipo de inspección. Telecentricidad no tiene nada que ver con profundidad de campo. En él se describen los cambios en el tamaño de la imagen. En la profundidad de campo por otro lado se describen los cambios de nitidez de la imagen. Además, el principio de la telecentricidad no tiene ninguna influencia en el tamaño de la profundidad de campo. Las mismas condiciones se aplican a los objetivos telecéntricos como a los etnocéntricos. Como cuestión principal, la construcción óptica de las lentes telecéntricas es relativamente larga y requiere de espacio suficiente. En cada caso es necesaria una orientación precisa entre la lente, objeto de prueba y la iluminación en varios ejes. Si esto no tiene lugar, no puede haber problemas considerables debido a la proyección paralela.
Después de cuatro años, la interfaz USB 3.0 se ha establecido con éxito en el mercado de visión artificial. El estándar USB3 juega un papel importante en este éxito.
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Configuración y selección de la iluminación
• La inspección de los componentes en los transportadores.
• Las máquinas automáticas de montaje.
(Afecta a la elección de la longitud de onda / colores claros).
(Afecta a la salida de luz y flash).
(Efecto sobre el tamaño de la iluminación y el tipo de fuente de luz).
(Que afecta a la selección / omisión de ciertas fuentes de luz).
(Afecta al tamaño de la iluminación, de longitud de onda, color de la luz, etc).Componentes de la iluminación para el procesamiento de imágenes
Brillante, incluso espectro, para funcionamiento continuo solamente, vida corta, conmutación lenta, sensible a las vibraciones, baja eficiencia, por lo general integradas en la fuente de luz fría.
Son muy brillantes, solamente para un funcionamiento continuo, espectro no universal.
Buenas para flash (incluyendo secuencia corta), operación muy brillante de alta tensión, problemática con respecto a la tolerancia electromagnética, controles elaborados.
Rentable (incluyendo la iluminación de áreas grandes), la operación sólo con el lastre de alta frecuencia, forma inflexible altamente dependiente de la temperatura.
Muchas opciones de configuración para iluminación estructurada, iluminación monocromática, las diferencias en la intensidad (motas) hacen un análisis más difícil.
Convirtiendo iluminación estándar en procesamiento de imágenes, son:
Altamente probada en la industria, se puede controlar de manera rápida, cada vez más eficientes, cada vez más longitudes de onda/ colores/ combinaciones de colores, sin mantenimiento o reparación.
• Iluminación dirigida, que cuenta con una dirección preferencial pronunciada.
• Iluminación telecéntrica, que es particularmente dirigida y en el que las vigas principales paralelas proporcionan la mayor parte de la luz.
• Iluminación estructurada, que cuenta con una estructura de distribución de la luz como una propiedad local de la iluminación adicional.
• A través de la tensión de control analógico (típicamente de 0 a 10 VDC).
• A través de la interfaz digital utilizando un controlador.
• Tamaño del campo visual.
• Máximo desenfoque de movimiento permitido en la imagen.
• Sincronización.
• Salida de iluminación Flash.Iluminación
• Iluminación de corto plazo en combinación con la iluminación de flash (strobe).
• El uso de filtros de iluminación en combinación con el color de luz adecuada.
• Carcasa de protección a prueba de luz alrededor de la máquina de procesamiento de imágenes.
• Encender la iluminación sólo cuando sea necesario para el procesamiento de imágenes (pulso o flash – no funcionamiento continuo).Conceptos básicos
Parámetro de distorsión: especifica el grado en que el objeto y la imagen de prueba son matemáticamente similares en cuanto a su geometría.
Parámetro de resolución: caracteriza los detalles finos que se representan por el cristal de la lente y con lo que se puede representar mejor el contraste.
Parámetro de viñeta: describe el nivel de pérdida de brillo que se puede esperar en los bordes de la imagen.
Parámetros de error en imágenes cromáticas: describe la eficacia de transmisión de color a través de la lente y/o qué error en los efectos de color aparecen en el borde de la imagen.
• Los errores de imagen pueden ser minimizados mediante una abertura media.
• Los objetivos con distancias focales cortas siempre tienen más errores de imagen que las lentes con distancias focales largas debido a la curvatura de la lente.
Control de color, códigos y lectura de carácter, reconocimiento de orientación rotativa. Control de presencia completo. Para mediciones métricas son extremadamente limitadas
Tienen una perspectiva etnocéntrica que se fija por la longitud focal y se caracteriza en gran medida por la distancia focal y los datos de luminosidad.
Tienen una distancia mínima de trabajo más cortas que las lentes estándar, que se logra mediante un aumento del gasto en construcción óptica. Crean imágenes que son particularmente de una gran calidad a corta distancia.
Son un diseño particular de las lentes etnocéntricas que se pueden utilizar donde el espacio es limitado. Como cuestión principal, estos objetivos sólo están disponibles con una longitud focal > 25 mm. Las lentes perpendiculares siempre muestran las imágenes invertidas.
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