Фотограмметрія Дорожинський

Мікролінза збирає всю частину фотонів, що падають, у концентрований світловий потік, який скеровується на компактну світлочутливу область піксела. У такий спосіб збільшується ефективність дії ПЗЗматриці, 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 випромінювання;

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.

Зматематичного 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

Урозділі 3 вказано, що перетворення будь-якого аналогового сигналу в цифрову форму називають дискретизацією, і тут маємо справу з двома основними операціями: вибіркою та квантуванням. Схематично фотограмметричний сканер показано на рис. 4.1.

131

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, 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:

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 їїновому продукту

-цифровому знімку.

Зтеорії інформації відомо, що при невизначеності входів та виходів чи невизначеності повідомлень введена міра невизначеності - ентропія. Математично

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 1 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= 1 / 256 . Ентропія на підставі (4.2) є

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

До радіометричних параметрів належать:

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

ідругі;

-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 з каналів RGB), коригування якості зображення з використанням програмного забезпечення.

Основним показником сканера є його роздільна здатність, яка визначається у кількості пікселів на 1 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).

Збудови сканера стає зрозумілим, що розмір піксела залежить від:

-розміру чутливого елементаПЗЗ, 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):

134

-програмне забезпечення з такими функціями: автоматичного підбору параметрів сканування;

можливості ручного вибору параметрів сканування і таблиць по кожному каналу;

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

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

Imagmgs

Сканування кольорових діапозитивів - аерознімків виконують за 4 кроки Крок 1 - 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 2 - 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 to 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 3 - це корекція гістограми з використанням параметрів Tmm і 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 і 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

І

Результатом чи ефектом опрацювання є порівняння двох зображень та їхніх гістограм з відповідними параметрами, показаними на рис. 4.7 (а, б).

138