Конспект до лекції 4

Тема 4. Основи цифрової фотограмметрії

Тематичний план

4.1. Поняття про цифровий образ (знімок). 4.2.Орієнтування знімків та моделі

4.1.Поняття про цифровий образ (знімок)

Фотограмметрія 19-20 століть оперувала з фотознімком. З кінця 20-го століття наступила кардинальна зміна в фотограмметрії, бо тепер маємо справу із іншим типом зображення - з цифровим знімком.

Його “виводять” на екран комп’ютера, його друкують на твердому носії (папері, плівці тощо), його вимірюють, з ним проводять різні маніпуляції, які прийнято називати “комп’ютерна обробка зображень”.

Розглянемо поняття про цифровий знімок, способи його отримання та деякі прості операції з цифровим знімком.

Фотографічне зображення формується за допомогою оптичної системи. Тому його математичною моделлю є центральна проекція (див підрозділ 1.5.). З математичної точки зору фотознімок - це сукупність точок ак з плоскими прямокутними координатами xk, yk (в заданій системі плоских прямокутних координат).

Цифрова фотограмметрія оперує з іншим типом зображення - цифровим знімком. Цифровий знімок - це сукупність елементів, які утворюють матрицю розміром m n.

Елемент носить назву - піксель (pixel) від англійського скорочення ”picture x element”. Положення кожного піксела в матриці визначається номером рядка i та номером стовпчика j. Сукупність пікселів утворює зображення (на екрані комп’ютера, на листі паперу тощо), яке називають растровим зображенням. Кожний піксель несе в собі лише інформацію про ступінь почорніння (для чорно-білого зображення, рис 4.1) або інформацію про колір (для кольорового зображення), що називають радіометричними даними. Їх записують в бінарному представленні. Якщо прийняти 8-бітовий формат, то маємо 28= 256 позицій, від 0 для білого (абсолютно прозорого) до 255 для чорного (абсолютно непрозорого). Якщо прийняти 211, то маємо 2048 позицій. Кольоровий образ розкладають (фільтрують) на три складові - RGB (червоний, зелений, синій) і до кожного кольору застосовують такий же підхід.

Рис.4.1. Структура цифрового чорно-білого зображення

Отримати цифровий знімок можна двома шляхами. Перший з них - це перетворення фотознімка в цифровий знімок шляхом сканування. Другий базується на використанні спеціальних знімальних камер - так званих цифрових камер. Вони подібні до фотокамер, проте зображення об’єкта не є фотографічним, а цифровим.

В цифровій камері об’єктив проектує зображення на т.зв. “пристрій із зарядовим зв’язком” (ПЗЗ) - сукупність світлочутливих елементів, кожен з яких виробляє фотострум в залежності від світлової енергії, яка падає на нього. В подальшому фотострум посилюється,

перетворюється в цифрову форму та записується на певному носії інформації . Це означає, що цифрове зображення є легкодоступним для сучасного комп’ютера: його можна зчитати з зовнішнього пристрою, переписати з оперативної чи буферної пам’яті камери в пам’ять комп’ютера, виконувати різноманітні операції з цифровим зображенням (копіювання, фільтрація, посилення, геометрична корекція та ін.).

Фізичні основи ПЗЗ описані в спеціальній літературі; тут ми не зупиняємось на цих аспектах, але зазначимо, що саме прогрес в області мікроелектроніки спричинився до практичного застосування цифрової фотограмметрії. Без надійних, високоякісних ПЗЗ з високою роздільною здатністю не можна було говорити про цифровий фотограмметричний знімок.

Перший ПЗЗ представляв собою аналоговий регістр зсуву на 8 елементів, виготовлений у вигляді лінійки з молібденовими закривачами. В середині 70-х років з’явились перші комерційні ПЗЗ-матриці, в яких використані прозорі електроди з полікристалічного кремнію, що давали значно краще відтворення зображення.

Астрономія, мікроскопія, біологія, космічні дослідження та інші галузі висували більш високі вимоги до якості формування зображення, ніж давали ПЗЗ-матриці з кількістю елементів 256 256.

В сучасних ПЗЗ нагромаджуючими елементами є фотодіоди з кількістю елементів в лінійці від 1024 до 8192 і більше.. Спеціалісти вважають, що можливий подальший прогрес в області створення ПЗЗ-матриць. Наприклад, провідна фірма Sony випускає матриці з кроком елементів 3 на 5 мкм (тобто віддаль між елементами складає 1,7мкм). І цей прогрес є неспинним.

Як вже зазначалось, існують два спосби отримання цифрового знімка. Перший - це сканування фотографічного образу, а другий базується

стереокомпаратора).

В фотограмметричних сканерах переважно використовують ПЗЗ-лінійки. Така реалізація є в сканері PhotoScan PS1 (фірми Zeiss) та в в сканері “Delta” фірми “Геосистема” з Вінниці.

Крок сканування, розмір піксела сенсора та роздільна здатність знімка – величини, які між собою повинні узгоджуватись.

Як відомо, роздільна здатність та точність фотокамери – параметри взаємопов’язані. При роздільній здатності 50л/мм точність позиціювання на знімку становить 7 мкм. В ідеальному випадку розмір комірки сенсора та крок сканування теж мусить складати 7 мкм. Якщо комірка

сенсора матиме більший розмір, то втратимо точність фотозображення. Якщо крок сканування буде меншим, аніж 7 мкм, то отримаємо ефект перекриття пікселів, і в цьому випадку необхідна корекція відеозображення.

Крок сканування (при фіксованій роздільній здатності та мінімальному розмірі елемента ПЗЗ) можна збільшувати в k-разів, тобто = k .

На сучасному етапі розвитку цифрової фотограмметрії слід говорити про станцію сканування. Вона включає в себе фотограмметричний сканер, управляючий комп’ютер та програмне забезпечення.

Для фотограмметричного сканера важливими характеристиками є максимальний розмір знімка, можливість сканування нерозрізаного фільму, можливість сканувати кольорове або чорно-біле зображення, швидкодія, геометричні та радіометричні показники.

Для програмного забезпечення основними характеристиками є можливість калібрування зображення (усунення геометричних спотворень), контроль за процесом сканування, конвертування даних сканування в різні формати.

Як приклад, приведемо деякі дані про станцію сканування “Delta” фірми «Геосистема» (Вінниця):

-сканер DeltaScan - Color, знімки кольорові або чорно-білі, формат знімка до 300 300 мм, фільм рулонний з ручним подаванням негативів або розрізаний фільм, точність 4 мкм;

-сканер DeltaScan - BW призначений для сканування чорно-білих знімків, точність 3,5 мкм при розмірі піксела 7 мкм або 7 мкм при розмірі піксела 14 мкм;

-використовуються прецизійні двигуни постійного струму та давачі лінійних переміщень з точністю 1 мкм;

-число градацій яскравості 4096 (12 біт) вхідних з перетвореням в 256 (8 біт) при записі на диск;

-час сканування чорно-білого знімка 180 180мм з розміром піксела 14 мкм становить 12 хвилин, а для знімка 230 230 мм 20 хвилин;

-передача кольору за один прохід – 24 розряди;

-програмне забезпечення виконує калібрування сканера з використанням контрольної сітки;

-програмно забезпечується запис в форматах DIP, BMP, TIF з розмірами пікселів, кратних до основного 7, 14, 28, 56 мкм;

-управляючий комп’ютер Pentiun/PentiumII з 17/21-дюймовим монітором, середовище

Windows 95/98/NT.

Тепер фотограмметричні сканери використовують досить рідко. В основному це ті випадки, коли необхідно опрацювати архівні аерофотознімки, а таких в кожній країні є величезна кількість, і навіть створені для їх зберігання спеціальні архівні картографічні фонди.

Цифрові знімальні камери - прилади, які дозволяють фіксувати зображення об’єкта в цифровій формі. Їх поділяють на професійні та аматорські, стаціонарні та польові. Відрізняються вони між собою якістю формування зображення, яке в першу чергу залежить від роздільної здатності ПЗЗ.

Цифрові камери для фотограмметричних робіт є тим кращими, чим більше елементів містить в собі ПЗЗ-матриця. Натомість цифрові аерознімальні системи є двох типів, в залежності від типу ПЗЗ. Перший вид використовує ПЗЗ-лінійку, а другий ПЗЗ-матрицю.

Дію цифрової камери досить схематично пояснює рис. 4.3.

В якості малоформатної базової камери переважно використовують дзеркальні фотокамери високого класу. В такій камері закриваюча задня стінка замінюється цифровим блоком. Саме в ньому зберігається зображення у вигляді одного або декількох (багатьох) кадрів.

1100100………

………0110011

………………101

0100……………

……….

1 – об’єкт з електромагнітним випромінюванням;

2 – оптична система (об’єктив); 3 – система світлофільтрів (для кольорового зображення); 4 – ПЗЗматриця; 5 – електричні заряди; 6 – регістр; 7 – процесор; 8 – аналогово-цифровий перетворювач; 9 – цифрове зображення.

Для фотограмметричних камер показовим є те, що в площині формування зображення поміщається сітка штрихів або координатні позначки (по аналогії з аерофотокамерами). Ці додаткові зображення пізніше дозволяють відтворити елементи внутрішнього орієнтування знімка.

Детальніші відомості про цифрові знімальні системи та технології цифрової фотограмметрії подано в різноманітних літературних джерелах.

4.2. Орієнтування знімків та моделі

Основні операції опрацювання знімків

В технологічних процесах фотограмметричного опрацювання цифрових знімків часто постають спільні за змістом завдання та операції. До них належать:

-орієнтування знімків та моделі,

-автоматична ідентифікація зображень,

-побудова пірамід зображень,

-допасування оптичних щільностей. Подамо опис їхньої суті і змісту.

Внутрішнє орієнтування знімків полягає у введенні в пам’ять комп’ютера фокусної

віддалі камери і координат головної точки знімка. При наявності даних, які характеризують систематичні похибки координат точок знімка, то вводять такі дані. передусім для врахування дисторсії об*єктива, рефракції атмосфери та кривини Землі.

Взаємне орієнтування пари знімків може виконуватись в ручному, напівавтоматичному чи автоматичному режимах, найчастіше автоматично. Зводиться до вимірювання координат точок на лівому і правому знімках стереопари (найважливішим є поперечний паралакс) та обчислення 5-ти елементів взаємного орієнтування (ЕВзО) в лінійно-кутовій або базисній системі. Процес визначення цих елементів повинен завершуватись оцінкою точності визначення ЕВзО та відбракуванням помилкових точок. На наступних етапах виконання фотограмметричних операцій в кожній точці стереопари програмним шляхом "зсувається" лівий чи правий знімок, так що при ручному опрацювання оператор не бачить поперечного паралаксу, а при автоматичному пошуку ідентичних точок задача з двовимірної кореляції переводиться в одновимірну.

Абсолютне орієнтування просторової моделі полягає у знаходженні 7-ми параметів зовнішнього (абсолютного) орієнтування. Існує кілька варіантів такого орієнтування.

При наявності тільки опорних точок математичний апарат розв’язку подано раніше. Це класична задача аналітичної фотограмметрії, яка була опрацьована ще в минулому столітті.

Якщо в польоті працювала система GPS/INS, тобто були визначені елементи зовнішнього орієнтування обох знімків стереопари, то задача розв8язується дещо інакше. Система GPS визначає просторові координати приймальної антени на літаку, а нам потрібно знати координати центра проекції знімальної камери. Це неспівпадіння називають ексцентриситетом і визначають на землі для пари антена-камера.

Інерційно-навігаційна система (INS) дозволяє визначати в польоті і лінійні, і кутові елементи зовнішнього орієнтування знімка. Принцип роботи системи базується на властивості гіроскопа (масивного тіла, розкрученого з великою кутовою швидкістю) зберігати просторове положення своєї осі при нахилі площини, на яку він спирається. Розкручений на землі гіроскоп при нахилі літака (платформи з камерою) дозволяє зафіксувати три ейлерові кути нахилу. Гіроскоп поєднують з пристроями, які реєструють прискорення руху, а за цими параметрами можна знайти прирости просторових координат відносно початку початкової точки. Вадою системи є т.зв. дрифт (дрейф) - накопичення похибок визначення прискорень. Проте це виправляється за допомогою даних від GPS. Тому сумісне використання обох систем дає надзвичайно високі результати. За даними різних дослідників просторові координати фіксуються з точністю 10см, а кути нахилу з точністю 10-20 секунд.

При відомих елементах зовнішнього орієнтування для обох знімків стереопари в формули прямої фотограмметричної засічки (див. підрозділ 4.1) можна відразу ввести ці елементи і отримати просторову модель у тій системі координат, в якій працював комплекс GPS/INS. Тому досить часто цей метод називають прямим геокодуванням.