Дорожинський О.Л., Тукай Р. Фотограмметрія

Подождите немного. Документ загружается.

Мікролінза збирає всю частину фотонів, що падають, у концентрований світловий

потік, який скеровується на компактну світлочутливу область піксела. У такий спосіб

збільшується ефективність дії ПЗЗ- матриці, бо її поверхню до 70 % покривають

буферні регістри зсуву.

Фільтр кольору має на меті дістати з ПЗЗ-матриці інформацію про колір, що є

важливим для кольорової фотографії. Використовують два типи фільтрів: основних

кольорів (RGB) та додаткових кольорів (CMYG). Фільтр RGB передає яскраві кольори,

фільтр CMYG (голубий, бузковий, зелений і жовтий) переважає основний фільтр за

різкістю та чутливістю зображення.

Фотодіод слугує для переведення світлової енергії в електричні заряди

(електрони). Потім вони розсилаються у вертикальному та горизонтальному напрямках,

а кількість електронів пропорційна до інтенсивності світла, отриманого пікселем.

Для ПЗЗ-матриць основними характеристиками є: *

чутливість, зокрема:

монохроматична як відношення фотоструму до світлової енергії випромі-

нювання;

спектральна як залежність чутливості від довжини хвилі світла;

інтегральна як відношення фотоструму (в міліамперах) до світлового потоку

(у люменах), який іде від джерела світла, ототожненого з вольфрамовою лампою

розжарювання;

поріг чутливості як параметр пристрою, що реєструє світло і характеризує

мінімальну величину світлового сигналу, що можна зареєструвати. Поріг чутливості

обмежується

т.

зв. темновим струмом - наслідком термоелектронної емісії, що виникає

при подаванні потенціалу на електрод, під яким формується потенціальна яма;

динамічний діапазон: здатність матриці розрізняти в зображенні і дуже темні, і

дуже світлі тоци; здатність реєструвати світло як при яскравому освітленні, так і при

дуже слабкому;

блюмінг (від

англ.

Bloming-розмивання): якщо внутрішній фотоефект спричиняє

появу такої кількості надлишкової кількості електронів, яка перевищує глибину

потенціальної ями, то створений заряд почне переходити в сусідні пікселі. На знімках

це проявляється як плями білого кольору і правильної форми, розмір яких залежить

від кількості надлишкових електронів. Відведення їх з потенціальної ями - задача т.зв.

системи електронного дренажу (overflow drain), і це зумовлює покращання дії ПЗЗ.

На завершення цієї описової частини вкажемо,

що

завдяки застосуванню сучасних

досягнень мікроелектроніки ПЗЗ як приймачі випромінювання отримали широке

застосування і мають величезне майбутнє, зокрема для розвитку цифрового знімання

у дистанційному зондуванні, топографічній та космічній фотограмметрії.

130

4. ЦИФРОВИЙ

ФОТОГРАММЕТРИЧНИЙ

ЗНІМОК

4.1. Вступ

Технології аналогової та аналігичної фотограмметрії скеровані на опрацювання

фотограмметричного зображення, яке з математичного погляду запису образу є

неперервною/(х,у) функцією, дех,у- плоскі прямокутні координати точки у площині

знімка, а значення функції у

цій точці є

величиною яскравості (іноді кажемо про оптичну

щільність).

Цифрова фотограмметрія оперує з іншим типом зображення - цифровим

знімком. Цифровий фотограмметричний знімок - це сукупність елементів (пікселів),

що утворюють матрицю зображення (растр) розміром т χ η елементів; для кожного

елемента відоме дискретне значення яскравості (оптичної щільності або кольору). Таке

зображення має високі геометричні та радіометричні характеристики, придатне для

вимірювання та інтерпретації образу, тобто для фотограмметричного опрацювання.

З математичного погляду

запис

цифрового знімка (образу) є функцією дискретною

/ а(х, у), де х, у визначають положення піксела у матриці зображення. Фактично

положення елемента у матриці задається номером рядка і та номером стовпчика j.

Величина яскравості для напівтонового зображення записується в шкалі 0,...,255, що

зручно для запису яскравості в пікселі одним байтом.

Існують два способи отримання цифрового фотограмметричного знімка:

- скануванням фотознімка, тобто перетворенням аналогового фотознімка в

цифрове зображення за допомогою фотограмметричного сканера;

- отриманням цифрового зображення безпосередньо під час знімання об'єкта з

використанням цифрової знімальної камери (системи).

Подамо основні відомості про обидва способи.

4.2. Сканування

фотографічних зображень. Фотограмметричні сканери

розділі 3 вказано,

що перетворення

будь-якого

аналогового сигналу в цифрову форму

називають дискретизацією,

і тут маємо

справу

двома основними

операціями: вибіркою

та

квантуванням. Схематично фотограмметричний сканер показано

на рис.

4.1.

131

6 7

Рис. 4.1. Схема фотограмметричного сканера:

1 - джерело світла; 2 - оптична система; 3 - прецизійний

монокомпаратор;

4 - ПЗЗ (елемент, лінійка або матриця - переважно лінійка);

5 - аналого-цифровий перетворювач; 6 - збереження цифрових

значень яскравостей попіксельно; 7 - комп'ютер; 8 - програмне

забезпечення.

Якщо сенсор має багато елементів, а найчастіше це ПЗЗ-лінійка, то зображення

одночасно розкладається на багато пікселів; саме цей процес називають вибіркою.

Дискретизація (або як прийнято в фотограмметрії говорити - сканування) має

дуже серйозне теоретичне обгрунтування. Про один із цих аспектів уже згадано в

п. 4.1.

Функція аналогового сигналу /

(χ,

у) має бути замінена дискретною функцією /

а(х, у). Дискретне значення яскравості отримують, впливаючи пікселем з розмірами

Δχ, Δ у і визначаючи яскравості у заданих позиціях знімка у межах 8-бітової шкали

на піксел - це квантування (зводиться до заокруглення величини відліку яскравості в

межах діапазону зміни яскравості та поділу його на скінченну кількість інтервалів).

Часто під час такого обчислення використовують таблицю з назвою LUT,

яка генерується під час сканування. Отриманий сигнал (яскравість) переводиться з

використанням LUT у дискретне значення яскравості.

Важливим є питання визначення розміра піксела. Щоб відтворити неперервну

функцію сигналу (яскравості) з використанням дискретних значень, розмір піксела не

повинен бути більшим від обчисленого з виразу:

Ах

= Ау<^( мкм), (4.1)

132

де

R роздільна здатність у кількості ліній/мм (не кількість пар ліній чорна -

біла,

а саме

сумарна кількість ліній).

Як приклад, для високоякісного зображення при R = 100 л/мм отримаємо Δχ=

=Δμ = 7 мкм.

Зауважимо, що інтервал сканування такий самий, як і розмір піксела. Якщо

крок сканування є неузгодженим з роздільною здатністю знімка, то можуть виникнути

спотворення у цифровому зображенні у вигляді зубчиків або сходинок.

Цілком зрозумілою є вимога до якості сканування - цей процес має бути таким,

аби

не

втратити інформативності зображення - оригіналу та передати

її

новому продукту

- цифровому знімку.

З теорії інформації відомо, що при невизначеності входів та виходів чи

невизначеності повідомлень введена міра невизначеності - ентропія. Математично

вона описується так: для деякої сукупності випадкових величин ·>

η з

Ймовірностями ) Р(л;

) з усіх повідомлень одержимо ентропію як

усереднене значення ймовірностей:

H(x)=-Y

P(x

)lg

P(x

)^ (4.2)

7=1

Визначена у такий спосіб ентропія, яка відповідає заданому закону розподілу

дискретної величини, залежить тільки від величин ймовірностей і зовсім не залежить

від числових значень повідомлень (тут яскравостей).

Для бінарного образу, який має тільки два значення яскравості (біле або чорне

зображення

—

наприклад, поліграфічний текст) ймовірність появи кожного з них

однакова: Р(*\ )= Р(*2 )

Для такої ситуації ентропія Н{Х)—\, і висновок є таким: під час сканування

достатньо запис сигналу ввести в

біт для піксела.

Якщо ж відбувається реєстрація напівтонового образу зі шкалою 8 бітів,

то ймовірність появи повідомлення в діапазоні 0 - 255 (256 позицій) становить

У=

/ 256 . Ентропія на підставі (4.2) є

255

- Σ

17 256

g21

/ 256 = 8.

(

7=0

Звідси випливає, що для запису інформації на кожен піксел треба 8 бітів.

Для відсканованого зображення важливими та об'єктивними оцінками

є такі,

що

визначають геометричну точність цифрового знімка та якість

самого зображення.

Першу

групу об'єднують т. зв. геометричні параметри, а другу утворюють радіометричні

показники.

133

До геометричних параметрів належать:

-роздільна здатність сканера, що визначається кількістю пікселів на

дюйм або

мінімальним розміром піксела у мкм;

- середня квадратична похибка сканування як сумарна інструментальна похибка

компаратора, визначається у мкм; ця похибка пов'язана з розмірами фотознімка-

оригіналу (чим більший розмір фотознімка, тим важче забезпечити цей параметр).

До радіометричних параметрів належать:

- можливість сканувати чорно-білі або кольорові фотоматеріали, або ж і перші,

і другі;

- характеристики ПЗЗ-приймача та внутрішня його розрядність (кількість бітів

на кожний канал);

- можливість табличного перетворення сигналу у вихідний з розміром 8 бітів;

- спосіб збереження кольорового зображення (наприклад, у форматі True Color,

24 біти) або чорно-білого (наприклад, з 256 позиціями сірого, 8 бітів);

- визначення в автоматичному режимі найкращих значень експозиції, контрасту

та кольору (у кожному

каналів RGB), коригування якості зображення з використанням

програмного забезпечення.

Основним показником сканера є його роздільна здатність, яка визначається у

кількості пікселів на

дюйм та позначається DPI

(англ.

Dot Per Jnch). Іноді роздільна

здатність виражається в мікрометрах - розмір піксела як квадратної фігури (наприклад,

15 мкм означає розмір піксела 15x15 мкм).

Здатність сканера відтворювати яскравість (оптичну щільність) оригіналу і

є радіометричною характеристикою сканера. Як вже зазначалось, кількість рівнів

яскравості може бути різною, але найчастіше становить 8-12 бітів; в літературі цю

кількість позначають DN

(англ.

Digital Numbers).

З будови сканера стає зрозумілим, що розмір піксела залежить від:

-розміру чутливого елемента

ПЗЗ,

що зумовлено конструктивними особливостями

приладу, а точніше, яку ПЗЗ ми використовуємо;

- розміру спроектованого піксела на площину знімка; на цей розмір може

вплинути збільшення (зменшення) оптичної системи.

Результуючий розмір піксела або є сталим (наприклад, німецький сканер PS-1),

або ж може бути змінним і набувати розмірів 15; 22,5;

ЗО

мкм.

Важливим показником є швидкість сканування. Вона залежить

від

розміру піксела

та швидкості передавання

даних,

що вимірюється в мегабайтах за

1 с.

Досвід

показує,

що

швидкість сканування зображення становить 10-20 мм/с для чорно-білих знімків.

Як приклад

подамо

технічні показники фотограмметричного сканера "Дельтаскан"

Науково-виробничого підприємства "Геосистема" (Україна):

- мінімальний розмір піксела 8 мкм,

- геометрична роздільна здатність

мкм,

- ср. кв. похибка сканування 3 мкм,

- максимальна оптична щільність 3.4 D,

- діапазон оптичних щільностей 2.7D,

- розрядність 12/8 бітів на канал,

134

- максимальний розмір фотознімка 320x320 мм або

320x450 мм,

- сканування рулонних фільмів шириною 250 мм до 300 мм,

- використана ПЗЗ - лінійка кольорова SONY 3x5300x8,

- вихідні формати Tiled TIFF, Tiled TIFF (JPEG), BMP,

колір 24 біти,

чорно-білі 8 бітів

- швидкість сканування:

чорно-білого знімка форматом 230x230 мм, при пікселі 8 мкм 12 хв,

кольорового знімка з тими самими параметрами

ЗО

хв,

- програмне забезпечення з такими функціями:

автоматичного підбору параметрів сканування;

можливості ручного вибору параметрів сканування і таблиць по кожному

каналу;

зміни розміру піксела, мкм: 8, 16, 32, 64,

12, 24, 36, 48,

16, 32,48,

24,48,

використання режиму лінійності за щільністю, що дає змогу "витягти" максимум

деталей та отримати рівномірний розподіл яскравості по всьому зображенню;

- сканування позитивів і негативів у прямому і дзеркальному відображеннях;

- використання цифрових фільтрів для покращання якості зображення;

- геометричне калібрування сканера по контрольній сітці;

- радіометричне калібрування сканера і усунення нерівномірного відтворення

яскравості;

- можливість автоматичного створення "піраміди" зображень з різних

масштабів;

- аналіз зображення і побудова гістограми;

- злиття або розділення кольорових каналів;

- виділення або об'єднання фрагментів зображень.

Вимірювальна система сканера повинна бути високопрецизійною та мати

інструментальну похибку у межах 1-3 мкм. За аналогією зі стерекомпараторами для

досягнення такої точності здійснюють тестування з використанням контрольних

сіток. їх сканують, а потім, порівнюючи отримані та істинні координати перехресть

сітки визначають інструментальну точність сканера (передусім неперпендикулярність

напрямних сканера х-х та у-у, різномасштабність шкал χ та у). За необхідності

здійснюють виправлення вимірювальної системи.

Серед фотограмметричних сканерів найвідомішими є прилад DSW100 фірми

Leica-Geosystems (Швейцарія), сканер PS-2001 (Z/I) (Німеччина-США), Дельтаскан

(Україна).

Технічні параметри та можливості цих приладів є переважно подібними до

наведених вище.

135

На рис 4 2 подано загальний вигляд сканера PS-2001, а на рис 4 3-

4 6, 4 8 - корекцію зображення з порушеним контрастом (PS-2001)

Рис 4 2 Загальний вигляд сканера PS-2001 фірми Z/I

Imagmgs

Сканування кольорових діапозитивів - аерознімків виконують за 4 кроки

Крок

- це сканування за початкових параметрів, так підібраних, щоб отримати

максимальну якість (рис 4 3) Гістограми, побудовані для першого сканування, повинні

бути вузькими за формою У поданому прикладі вибрано такі параметри

Ouput Data Proporcional to Density

Крок

- це покращання контрасту з використанням опції Fit (рис 4 4) Оскільки

початковий образ є малоконтрастним і видається через це розмитим, то використання

згаданої опції змінює параметри TminiTmax Натиснувши на позначку Apply

Setup,

зберігаємо поліпшений образ Параметри сканування є такими

Рис 4 3 Перший крок сканування - за початкових

параметрів

136

Output Data Proporcional to Density

Tmm 0 0146

Tmax 0 6457

Рис 4 4 Крок 2 - покращання контрасту за опцією Fit

Крок

- це корекція гістограми з використанням параметрів Tmm

Tmax (рис

4 5) Якщо гістограма з попередніх дій не задовольняє нас, то треба виконати зміну

Tmax і Tmm

В описаному випадку маємо

Ouput Data Propotional to Density

Tmm 0 0135

Tmax 0 6550

Рис 4 5 Корекція гістограми за параметрами Tmm і Tmax

137

Крок 4 - це корекція параметра для окремих каналів (рис. 4.6).

Якщо попередня корекція є вдалою, то можна виконати Gamma-корекцію

для кожного RGB-каналу окремо. Для цього з меню вибираємо позицію Gamma

Correction

пересуваючи вказівники, що належать відповідним каналам R,G,B, можна

спостерігати зміни образу та гістограми цих окремих каналів. Остаточно вибрані

параметри закріпляємо, вибравши Apply to Setup. У нашому прикладі зменшено

величини для голубого та червоного каналів.

Остаточні параметри є такими:

Ouput Data Proportional to: Scan Gamma Correction

Tmin: 0.0135

Tmax: 0.6550

Gamma R: 40.74

GammaG: 100.00

Gamma B: 8.13

Рис. 4.6. Корекція параметра дла окремих каналів

Результатом чи ефектом опрацювання є порівняння двох зображень та їхніх

гістограм з відповідними параметрами, показаними на рис. 4.7 (а, б).

138

Рис. 4.7. Порівняння двох образів та їхніх гістограм