Дорожинський О.Л., Тукай Р. Фотограмметрія

Подождите немного. Документ загружается.

складається тільки із чорних і білих елементів, а напівтонові зображення містять

також відтінки сірого.

Першим кроком під час введення зображення є вимірювання розподілу

яскравості в зображенні за допомогою світлочутливих сенсорів. Найважливішою

деталлю сенсора є напівпровідниковий елемент, який змінює електричні

властивості залежно від величини світла, що падає. Світлові хвилі викликають або

зміну опору напівпровідникового елемента, або зміну рівня заряду мікроскопічних

за розміром конденсаторів. У такий спосіб яскравість точки зображення може бути

визначена напругою, яка вимірюється світлочутливим сенсором.

Залежність між яскравістю елемента зображення та напругою сенсора, як

правило, нелінійна. Вищенаведена залежність може бути використана для

автоматичного коригування зображень. Інші коригування, зокрема, пов'язані з

відхиленнями в яскравостях у принтерах та моніторах, повинні виконуватись самим

користувачем.

На другому етапі вимірювання аналогове значення, яке отримується для

елементів сенсора, перетворюється на дискретне значення (таке, що можна

виразити цілим числом). Необхідне перетворення виконується за допомогою

аналого-цифрового перетворювача (АЦП), що схематично показаний на рис. 3.8.

Перетворення неперервних аналогових даних, які переходять під час вимірювань у

сгупінчаті або "дискретні", називають

квантуванням.

Інакше кажучи, квантування - це

заокруглення величини відліку. Рівні квантування ділять весь діапазон зміни

значень яскравості на скінченну кількість інтервалів.

Чим дрібніші сходинки, на які поділяється аналоговий сигнал, тим вища

якість квантування.

Аналоговий А/Ц Ц/А

Оскільки сканування здійснюється одночасно сенсором з багатьма

елементами, зображення може бути розкладено на окремі точки і передано для

подальшого опрацювання.

За цим принципом працюють всі апарати, які готують зображення для

комп'ютера. Цей процес полягає в розкладанні зображення на точки, і його

називають вибіркою. Інформація про яскравість кожної точки заноситься у

комп'ютер.

У найпростішому випадку після оцифровування отримуємо двоградаційне

бінарне зображення. Тоді оцифровувач працює з раніше встановленим порогом

(деяке число). Нижче від цього порога точка сприймається як чорна (цифрове

значення 0), а вище від порога - як біла (цифрове значення 1). Такий режим роботи

використовується для цифрування креслень або сторінок тексту.

Рис. 3.9. Графік залежності яскравості та напруги на сенсорі

Для цифрування фотографій, які містять багато відтінків сірого, застосовують

напівтоновий режим. Як результат для кожної точки зображення отримують

цифрові значення, що відповідають яскравостям цих точок (рис. 3.9). У разі

використання оцифровувача, який здатний розрізняти 256 рівнів сірого, на

комп'ютер для чорних точок буде передаватись 0, для білих точок - значення 255.

Значення для сірих точок будуть лежати між цими граничними значеннями. Вибір

меж 0..255 зручний для запису яскравості кожної точки зображення в один байт.

Отже, неперервне зображення наближається множиною точок, яка впорядковується

у формі матриці, де кожний елемент масиву отримує дискретне значення. Цю

матрицю називають цифровим зображенням. Кожний елемент матриці називають

елементом зображення або пікселом (від

англ.

picture element).

Цифрування кольорових зображень

Розглянемо процеси, які виникають під час цифрування кольорових

зображень. У кольоровому зображенні поряд з інформацією про яскравість

міститься також інформація про кольори. Цифрування кольорових зображень

принципово не відрізняється від цифрування чорно-білих зображень. Основна

відмінність полягає в тому, що світло, яке віддзеркалюється від зображення,

розкладається на зелену, синю та червону складові, кожна з яких потім цифрується

окремо. Колір кожної точки зображення після цифрування записується трьома

числами - трійкою RGB, які відповідають інтенсивностям трьох кольорів.

Для цього в пристроях застосовують різні фільтри, яки забезпечують подання

на світлочутливі сенсори світла в певних діапазонах довжин хвиль, на які реагують

ці сенсори. У сканерах і спрощених телевізійних камерах застосовують

ПЗЗ-кристали, на які нанесені такі фільтри безпосередньо.

Перетворення

цифрову

ФОРМУ

цифровою камерою

Перетворення зображення, створеного об'єктивом, у цифровий формат

виконується поетапно. Спочатку у фоточутливій ПЗЗ-матриці відбувається

накопичення заряду. Електронний затвор вмикає всі декілька мільйонів фотодіодів

матриці на той час, який визначений витримкою. Заряд, який пройшов через

фотодіоди, збирається у спеціальних "кишенях", які розміщені у кременевій

підкладці. Величина зібраного заряду під кожним пікселом пропорційна до

локальної освітленості і часу експозиції. Зчитування інформації відбувається по

рядках, кожний фотозаряд начебто зважується за допомогою цифроаналогового

перетворювача та перетворюється у цифрове значення яскравості кожного піксела.

Далі мікропроцесор із сукупності цих чисел формує файл, який може бути або

переданий напряму в комп'ютер через USB-πορτ, або записаний в карту пам'яті

камери. Подивимось, як цифровий фотоапарат перетворює потік світла на файл

зображення. Матриця, яка запам'ятовує зображення у цифровій камері, складається

з масиву світлочутливих комірок, які відповідають пікселам зображення. Кожна

комірка діє аналогічно до фотоекспонометра: вона виробляє електричний сигнал,

пропорційний до інтенсивності світлового потоку, який потрапив у комірку. Отже,

матриця сприймає зображення у сірому тоні, пікселі розрізняються між собою за

яскравістю. Комірки матриці сприймають, як правило, глибину сірого тону в

12 бітів (у потужніших камерах 14 бітів), тобто 4096 (16384) градацій сірого

кольору. Для отримання кольорового зображення у більшості сучасних камер

встановлюється спеціальний фільтр, який покриває кожну комірку червоним, синім

або зеленим фільтром - фільтр Байера, який встановлюється безпосередньо перед

матрицею (рис. 3.10, 3.11). Кольорові фільтри збираються у групи по чотири,

причому на два зелені припадає по одному червоному та одному синьому. Це

зроблено тому, що людське око найчутливіше до зеленого кольору. Тепер кожна

комірка містить інформацію про інтенсивність свого кольору. У результаті на

матрицю надходить мозаїчна картинка в сірих тонах. Порівнявши отримане

напівтонове зображення та схему розташування фільтрів Байера, одержимо псевдо-

кольорове зображення. Іншими словами, це та сама картинка, де кожен піксел

пофарбований відповідно до того, під яким фільтром він розміщений. Тепера щоб

отримати кольорове зображення, необхідно здійснити інтерполяцію за певним

алгоритмом, який визначить колір кожного піксела.

Зображення

RGB

зображення перетворюється на три такі:

RGB

Червоний Зелений Синій

Рис. 3.11. Розклад зображення фільтром Байера на базові кольори

Роздільна здатність иифруванння

Точність цифрового подання кольорових і напівтонових зображень залежить

від двох факторів, а саме від кількості вибіркових точок, на які розкладається

зображення, і від кількості рівнів квантування, за якою визначається яскравість, або

кількості кольорів у точках зображення. Далі ці два фактори будемо називати

просторовою роздільною здатністю і

тоновою

роздільною здатністю.

Просторова роздільна здатність визначається розміром матриці цифрового

зображення. Із збільшенням просторової роздільної здатності підвищується і якість

оцифрованого зображення, але водночас зростає об'єм пам'яті, необхідний для

збереження зображення. Якщо просторова роздільна здатність нижча від певного

значення, то виникає так званий муар-ефект, який проявляється у вигляді хвилястих

ліній, плям та нечітких контурів та у вигляді деяких інших спотворень (рис. 3.12, а).

Щоб уникнути муар-ефекту, розмір елемента зображення не повинен перевищувати

найтоншої деталі, що міститься у зображенні (рис. 3.12, Ь). Крім того, в результаті

недостатньої вибірки стають помітними окремі пікселі та

прямі, які не є

горизонтальними

або вертикальними і мають нерівні, східчасті краї (рис. 3.13).

a b

Рис. 3.12. Муар-ефект

Тонова роздільна здатність визначається кількістю рівнів квантування.

Недостатня кількість рівнів квантування призводить до появи фальшивих контурів,

які особливо помітні в областях однорідного тону (рис. 3.14).

256X256 128X128 64x64

Рис 3 13 Залежність між якістю зображення та щільністю вибірки

256

Рис 3 14 Залежність якості зображення від кількості рівнів квантування

Зображення у цифровому поданні дає змогу застосовувати достатньо

ефективні алгоритми стиснення і записувати декілька сотень кадрів на одну карту

пам'яті. Цифра прийшла недавно у фотоіндустрію, але темпи втілення цієї

технології дуже високі, і сьогодні кількість цифрових камер перевершує кількість

плівкових. До речі, фірма Kodak вже припинила продаж плівкових апаратів у

розвинутих країнах.

3.2. Візуалізація цифрових образів на екрані комп'ютера

Під терміном "візуалізація" розуміють відображення інформації на екрані

монітора. Графічне подання зображень здійснюється за допомогою спеціальної

графічної плати (відеоадаптера). Монітор і відеоадаптер утворюють єдиний

функціональний вузол і повинні бути узгоджені один з одним.

Спочатку розглянемо, як зображення відображається на екрані

комп'ютерного монітора. Для цього нагадаємо процеси, які необхідні для

цифрування та відтворення зображень.

Цифрування завжди починається з розкладу зображення на окремі елементи

та вимірювання яскравості та колірності кожного з цих елементів. Отримані під час

вимірювання інтенсивності (аналогове значення - напруга) перетворюються в

аналого-цифровому перетворювачі на числові значення, які потім вводять у

комп'ютер. Там вони зберігаються у вигляді матриці цифрових значень, яка

звичайно називається "Bitmap" (бітова матриця). Тому оцифроване зображення

називають також зображенням у форматі бітових матриць. Інша - поширеніша

назва матричного зображення - растрове.

Бітові зображення принципово відрізняються від векторних зображень, в яких

елементами є окремі графічні об'єкти (примітиви) - відрізки, кола, дуги, лінії,

прямокутники або послідовності шрифтових знаків тощо. Введені примітиви мають

математичне подання, і при їхньому відображенні на моніторі чи папері комп'ютер

здійснює відповідні обчислення для точного відображення графічних об'єктів.

Перевагою векторного зображення над бітовим є можливість його перетворення без

втрати якості. Крім того, кожен елемент векторного зображення можна змінювати

незалежно від інших. На рис. 3.15 проілюстрована різниця збільшення векторного

(ліворуч) та растрового (праворуч) зображень.

а б

Рис 3.15. Збільшення векторного (а) та растрового (б) зображень

Растрове зображення містить цифрову інформацію про колір кожної точки

зображення - піксела. Піксел цифрового зображення - це лише дані про колір

точки зображення, а сам піксел не має фізичних розмірів.

Зображення у цифровій формі зберігається в пам'яті комп'ютера. Щоб

побачити зображення, необхідно скористатись будь-яким пристроєм виведення,

наприклад, монітором або принтером. Ці пристрої самі по собі є растровими: на

екрані монітора і на відбитку принтера зображення також складається із кольорових

точок. Елементи растрової сітки люмінофора, що формують зображення на

моніторі, також називають пікселами. На паперовому відбитку растрову сітку

формують плями фарби або тонера, які називають точками (а не пікселами).

Те саме стосується і пристроїв введення зображень, які використовують

растрову технологію: сканерів та цифрових камер. Сканери вимірюють кольори

паперового або прозорого оригінала в окремих точках. Виміри здійснюються по

всій площі оригінала з однаковим кроком по горизонталі і вертикалі. Аналогічно

формується цифрове зображення і в цифрових камерах. Відмінність тільки в тому,

що в них фіксується світло, відбите від реальних об'єктів. Всі растрові пристрої

введення використовують регулярну прямокутну растрову сітку, що простіше

реалізується технічно і найзручніша для опрацювання. З цієї причини растрові

зображення також мають прямокутну форму. Це дає можливість вимірювати розмір

зображення за двома вимірами - висотою і шириною - у пікселах (наприклад,

640x480 або 1024x768).

Для пристроїв введення і виведення зображень точки і піксели вже не є

абстрактними поняттями. Вони характеризуються строго визначеними розмірами,

які залежать від можливостей або режимів роботи обладнання. Основною

характеристикою растрових пристроїв є роздільна здатність. Це величина, що

показує, скільки точок растрової сітки пристрою припадає на одиницю довжини (як

правило, сантиметр або дюйм). Отже, роздільна здатність вимірюється в точках на

дюйм (dpi) або в точках на сантиметр (dpe). Якщо, наприклад, у документації до

принтера вказана максимальна роздільна здатність 600 dpi, то це означає, що він

здатний розташувати на одному дюймі 600 плям тонера або фарби. Якщо ж

роздільна здатність 600 dpi вказана для сканера, то цей сканер здатний виміряти

колір зображення в 600 точках на одному дюймі оригінала, який скануємо. Чим

вища роздільна здатність, тим дрібніші точки растра, і зрозуміло, що водночас

зростає розмір зображення.

Як же дізнатись про розмір, який буде мати на пристрої виведення

(принтері, моніторі) зображення, для якого відомий розмір у пікселах? Відповідь на

це щби просте запитання насправді проста тільки для монітора. Більшість офісних

моніторів (і відеоадаптерів) можуть працювати з різними, але типовими розмірами

растрової сітки екрана у пікселах: 640x480, 800x600, 1024x768. Щоб обчислити

розмір, який буде мати зображення на екрані, треба знати роздільну здатність

монітора. Очевидно, що роздільна здатність монітора дорівнює кількості пікселів

по горизонталі або вертикалі, поділеній на відповідний розмір видимої ділянки

екрана. Кількість пікселів залежить від встановленого режиму роботи монітора, а

розмір видимої ділянки - від його діагоналі та настроювання. Звідси випливає, що

важко знайти пару моніторів з абсолютно однаковою роздільною здатністю. З цієї

причини зображення, що призначені для екранного перегляду, розраховуються на

найтиповіші величини 72 і 96 dpi.

Щоб дізнатись про фізичний розмір зображення на моніторі, треба поділити

розміри зображення на роздільну здатність монітора. Наприклад, на моніторі з

роздільною здатністю 96 dpi зображення розміром 100x100 пікселів буде мати розміри

(1,04x1,04) кв. дюймів або (2,65x2,65) см . При роздільній здатності 72 dpi те саме

зображення матиме вже інший розмір - (1,39x1,39)

кв.

дюймів або (3,53x3,53) см .

Кожний раз виконувати подібні обчислення, коли треба оцінити розмір

зображення на конкретному пристрої виведення, незручно. Тому розмір растрових

зображень найчастіше характеризують так само, як і растрових пристроїв -

роздільною здатністю. У такому разі замість розміру в пікселах при створенні або

скануванні зображень вказують роздільну здатність та фізичний розмір у

сантиметрах або дюймах. Цифрове зображення від цього не набуде фізичних

розмірів. Такий спосіб рівнозначний припущенню: "якби зображення виводилось на

пристрій із заданою роздільною здатністю, то воно б мало заданий розмір".

У разі виведення зображення на інші пристрої (принтер, фотонабірний

автомат тощо) доводиться враховувати їхню власну технологію створення растра

(растеризації).

Типи зображень

Основними типами зображень у вигляді бітових матриць, які використовують

для оброблення цифрових зображень, є монохромні двоградаційні, палітрові,

напівтонові та зображення у істинних кольорах.

Монохромні двоградаційні зображення складаються тільки із чорних або

білих пікселів. Для їх запам'ятовування на кожен елемент достатньо одного біта.

Однак на програмному рівні дуже важко працювати з окремими бітами, тому такі

зображення спочатку перетворюють у восьмибітовий монохромний формат, а потім

опрацьовують за допомогою програм оброблення зображень. Після вказаного

перетворення необхідна ємність пам'яті збільшується у вісім раз.

У палітрових {або індексованих) зображеннях числове значення не визначає

прямо колір елемента зображення. До зображення додається кольорова палітра, яка

складається із 16 або 256 RGB-трійок, за допомогою якого непрямо визначаються

елементи зображень (рис. 3.16). На 16 або 256 кольорів необхідно відповідно 4 або

8 бітів на піксел зображення. Усіх можливих RGB-трійок є

= 16 777 216, що дає вибір 16 або 256 кольорів з 16 777 216 кольорів та тонів.

Індекс R G

0 12

123 45

210

255

76 125

Рис. 3.16. Приклад палітри кольорів

Можливості оброблення палітрових зображень у різних програмах

відрізняються. Причиною цього є обмежена кількість кольорів, що містять

палітрові зображення. У багатьох операціях оброблення зображень виникають

кольори, яких не було у початковому зображенні. їх необхідно узгоджувати з

наявною кольоровою палітрою, що з одного боку вимагає великих витрат часу, а з

іншого - не дає змоги застосовувати багато операцій оброблення зображень.

У напівтонових зображеннях один елемент зображення в

запам'ятовувальному пристрої займає також 8 бітів, тобто може набувати значення

від 0 до 255. Це числове значення у напівтонових зображеннях безпосередньо

характеризує яскравість. Напівтонові зображення опрацьовують без подальших

перетворень.

У зображеннях в істинних кольорах кожен елемент запам'ятовується у

вигляді RGB-трійки. Оскільки червона, зелена і синя складові кольору елемента

зображення задаються числом від 0 до 255, то для запам'ятовування кожного

окремого елемента зображення необхідно 24 біти. Таким способом можна

відобразити 2

= 16 777 216 різних кольорів. Зображення в істинних кольорах дає

найбільші можливості для подальшого оброблення і художнього втілення.

Характеристики моніторів

На початку розвитку комп'ютерної техніки на екранах моніторів (дисплеїв)

відображалась тільки алфавітно-цифрова інформація. Проте робота зі знімками

потребувала відображення складніших графічних образів, і з часом якість моніторів

постійно покращувалася, можливості зростали. Елемент зображення на моніторі,

як згадано раніше, називається пікселом. Ключовими характеристиками монітора є:

діагональ екрана, максимальна роздільна здатність, частота регенерації (оновлення)

кадрів та глибина кольору.

Розмір діагоналі екрана у дюймах визначає його розмір. Сьогодні

найпоширеніші монітори з діагоналлю 17 дюймів, однак ще залишились старі

монітори з меншою діагоналлю. Для графічних станцій діагональ досягає

25 дюймів.

Роздільна здатність монітора характеризується кількістю пікселів, що

відображається на екрані. Найменша роздільна здатність сучасних моніторів

1024x768 пікселів. Фізична роздільна здатність залежить переважно від розміру

екрана та діаметра точок (зерна) екрана, електронно-променевої трубки (для

сучасних моніторів близько 0,25 мм). Відповідно, чим більший екран, тим менший

діаметр зерна і тим вища роздільна здатність. Роздільну здатність монітора можна

встановлювати у ході роботи з комп'ютером. Максимальна роздільна здатність

звичайно є вищою від фізичної роздільної здатності електронно-променевої трубки

монітора. Тому встановлювати на моніторі максимальну роздільну здатність

постійно - тільки псувати зір. Якщо необхідна робоча роздільна здатність, з якою

ви намагаєтесь працювати, є граничною для монітора, то необхідно

використовувати монітор з більшою діагоналлю.