Понятие о цифровых изображениях, система координат растрового изображения

⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 16Следующая ⇒

Обрабатываемые методами фотограмметрии изображения могут быть представлены в различных формах, в зависимости от способа их получения, принятой модели и структуры данных (рис. 11.1).

Аналоговая форма представления изображения объектов используется с незапамятных времен и предполагает получение его каким-либо образом на физическом носителе – на бумаге, фотобумаге, фотопленке и др. Во многих случаях аналоговая форма и сегодня является основной особенно там, где важна юридическая значимость изображения либо если оно необходимо для использования в нестационарных условиях.

Цифровая форма изображения возникла вместе с электронными вычислительными машинами и используется для представления изображения в памяти ЭВМ и на магнитных носителях.

Векторная форма цифрового изображения предполагает представление его с помощью набора примитивов и их комбинаций – точек, векторов, граней, ребер и т. п. Эта форма широко используется в цифровой картографии и предполагает, что положение точек изображения задано в некоторой координатной системе, выбираемой пользователем в зависимости от характера решаемых задач. Элементы векторного изображения представляются в одной из двух структур (рис. 11.1), различающихся принципом формирования и описания его элементов, способом доступа к ним, характером связи с окружающими и др.

Растровая форма цифрового изображения предполагает представление его в виде некоторой матрицы (рис. 11.2), соответствующей плоскости исходного изображения и состоящей из квадратных ячеек одинакового размера, являющихся наименьшими адресуемыми элементами. Каждый такой элемент, называемый пикселом, соответствует определенному участку исходного изображения и характеризуется набором оптических параметров – цветом, плотностью, яркостью (интенсивностью) и т. п. Примерами растрового изображения являются: фотоснимок, состоящий из совокупности очувствленных зерен галоидного серебра; газетное клише, воспринимаемое как совокупность отдельных точек и др. Наиболее распространенной структурой растрового представления является матричная; две другие (пирамидальная и квадродерево) являются ее производными.

Доступ к элементам растрового изображения (пикселам) осуществляется по номерам строк и столбцов. Начало o_Pвнутренней прямоугольной координатной системы совмещено с первым элементом первой строки изображения, ось абсцисс x_P – с первой строкой, а ось ординат y_P– с первым столбцом (рис. 11.2). Никакой информации о размещении матрицы в пространстве (в системе координат местности) в растровом файле, за редким исключением, нет.

В фотограмметрии под цифровым изображением понимают его растровую форму, полученную непосредственно в процессе съемки с помощью цифровой камеры, либо путем сканирования аэронегатива.

3. Основные характеристики цифрового изображения. Фотометрические и геометрические преобразования.

Растровое изображение характеризует его геометрическое и радиометрическое разрешение.

Геометрическое разрешение цифрового изображения определяет линейный размер пиксела и представляется либо его линейной величиной (в метрах, если размер отнесен к местности, или в мкм, если речь идет о снимке), или числом точек на дюйм (dpi).

Величина геометрического разрешения определяет качество изображения, точность вычислительной обработки, возможности увеличения и др. В соответствии с требованиями действующей инструкции по фотограмметрическим работам размер элемента геометрического разрешения определяют в зависимости от назначения цифровых снимков, с учетом нескольких критериев, в частности:

· требуемой точности определения плановых координат точек

; (11.1)

· требуемой точности определения высот точек

; (11.2)

· сохранения разрешающей способности исходного снимка (изображения):

; (11.3)

· обеспечения требуемого разрешения графических фотопланов (ортофотопланов)

, (11.4)

где M, m – знаменатели масштабов создаваемого плана и аэроснимка; V_S, V_Z – требуемая точность определения плановых координат (порядка 0, 2 мм в масштабе плана) и высот точек (1/5 сечения рельефа) в метрах; R – разрешающая способность исходного снимка (линий на мм); f, b – фокусное расстояние съемочной камеры и базис фотографирования в масштабе снимка (мм).

При M=2000, m=10000, f=100 мм, b=70 мм, R=40 линий на мм, сечении рельефа h=1, 0 м будем иметь:

P_XY=0, 5´ 0, 2/5=0, 02 мм = 20 мкм; P_Z=0, 5´ 100´ 0, 2´ 1000/(70´ 10000)=0, 014 мм =14 мкм;

P_R=0, 4/40=0, 01 мм = 10 мкм; P_P=70/5=0, 014 мм = 14 мкм.

Если цифровые снимки создаются для фотограмметрического сгущения в плане и по высоте, изготовления ортофотопланов и при этом нужно сохранить разрешающую способность исходных материалов, то сканировать нужно с разрешением 10 мкм или 25600/10=2600 dpi.

Заметим, что разрешающая способность современных как аэронегативов, так и объективов достигает 350–400 линий на миллиметр (порядка 1, 5–2, 0 мкм), что соответствует суммарной разрешающей способности изображения порядка 4–5 мкм. Эта величина соответствует рекомендациям Международного общества фотограмметрии и дистанционного зондирования (МОФДЗ) и рассматривается как минимальная.

Радиометрическая характеристикаопределяет число уровней квантования яркости исходного изображения (бинарное, многоградиентное) и фотометрическое содержание элемента изображения (одноцветное, полутоновое, цветное, спектрозональное).

Для обозначения плотности (степени потемнения) элемента изображения весь диапазон полутонов от белого до черного делится на 2ⁿ частей (2, 4, 8, …, 256, …), называемых уровнями квантования. Радиометрическое разрешение изображения обозначают числом бит на пиксел (т. е. показателем степени n).

При формировании бинарного (черно-белого) изображения используется всего два уровня квантования, и в нем представлены только белый и черный цвета.

В полутоновом изображении используется 256 уровней квантования, для представления которых в описании элемента изображения резервируется 8 бит (1 байт).

Черному цвету всегда соответствует уровень 0, а белому – уровень 1 бинарного изображения и уровень 255 полутонового.

Цветное изображение формируется с использованием той или иной палитры (RGB, CMYK и др.), в которых цвет создается путем смешивания основных цветов в пропорциях, соответствующих уровням их квантования.

Палитра RGB – наиболее распространенная. При ее использовании цвета и их оттенки передаются путем смешивания трех основных цветов различной интенсивности: красного ( R ed), зеленого ( G reen) и синего ( B lue). Так, сочетание красного цвета с зеленым дает желтый цвет; зеленого с синим – голубой; синего с красным – оранжевый, а всех трех цветов – белый.

Палитра CMYK обеспечивает более качественную передачу оттенков при смешивании четырех цветов: голубого ( C yan), сиреневого ( M agenta), желтого ( Y ellow) и черного (blac K ). Палитра CMYK находит широкое применение в издательских системах.

В связи с этим для представления одного элемента бинарного изображения необходим 1 бит; полутонового с 256 уровнями квантования – 8 бит (1 байт), а цветного с тем же числом уровней квантования по каждому каналу – 24 бита (3 байта) при использовании палитры RGB или 32 бита (4 байта) палитры CMYK. Требуемый для хранения цифрового снимка объем памяти, в зависимости от формата кадра (l), геометрического (P) и радиометрического разрешения изображения можно подсчитать по формуле

, (11.5)

где R – число байтов для записи радиометрической характеристики (1, 2, 3 или 4 байта).

Таблица 11.1
Формат кадра l (мм)	Объем снимка O_P (Кб) при R=1 и разрешении P (мкм)

180´ 180
230´ 230

Расчет объема памяти, требуемой для размещения в памяти ЭВМ одного цифрового изображения формата 180´ 180 и 230´ 230 мм (табл. 11.1) с радиометрическим разрешением 8 бит/пиксел показывает, что для выполнения с ним соответствующих операций необходима достаточно мощная ЭВМ с большим объемом дисковой памяти.

Фотометрические и геометрические
преобразования цифровых снимков

В процессе фотограмметрической обработки снимков возникает необходимость различного рода их преобразований, связанных как с улучшением читаемости, так и с изменением размеров изображения (например, при уменьшении или увеличении снимков в процессе их трансформирования). В первом случае говорят о фотометрической коррекции (оптических преобразованиях) цифрового изображения, а во втором – об изменении его геометрического разрешения или о геометрических преобразованиях.

Фотометрическая коррекция изображения, или оптические его преобразования, основаны на использовании связи между его компонентами, описываемой уравнением

, (11.6)

где , r_i – оптические плотности элемента изображения до и после фотометрической коррекции; a – функция, определяющая соотношение между оптическими плотностями исходного и преобразованного изображений; b – параметр яркости.

Преобразования, описываемые уравнением (11.6), можно представить в виде графика (рис. 11.3), отражающего связь оптических плотностей элементов изображения до их коррекции (вертикальная ось) и после коррекции (горизонтальная ось).

Фотометрическая коррекция выполняется путем изменения яркости изображения, его контрастности и характера соотношений между оптическими плотностями до и после их преобразования.

Изменение яркости выполняется путем уменьшения или увеличения параметра b каждого пиксела на одну и ту же величину, что приводит к тому, что все элементы корректируемого изображения становятся более светлыми или более темными. Изменение яркости группирует плотности к какому-либо одному (светлому или темному) краю спектра. На графике (рис. 11.3) это иллюстрируется смещением прямой 1 (или кривой 2) вдоль горизонтальной оси.

Изменение контрастности изображения выполняется с целью изменения различий между плотностями смежных элементов и улучшения таким образом читаемости границы между ними. Увеличение контрастности изображения выполняется следующим образом. Если оптическая плотность r_I_исхнекоторого элемента превышает среднее значение, то она увеличивается пропорционально уровню квантования, а если она менее среднего, то уменьшается. При этом значения плотностей пикселов как бы смещаются к краям спектра: темные тона становятся еще темнее, светлые – светлее, некоторые их значения исчезают, но границы между элементами изображения становятся более четкими. При уменьшении контрастности большие плотности уменьшаются, а малые – увеличиваются; при этом плотности группируются вблизи центра. Чрезмерное увеличение контрастности преобразует полутоновое изображение в бинарному, а чрезмерное уменьшение – ведет к его исчезновению.

На графике (рис. 11.3) рассмотренные преобразования соответствуют вращению прямой 1 (кривой 2) вокруг центральной точки.

Гамма-коррекция (тональная коррекция) изображения выполняется с целью увеличения или уменьшения его детальности, что достигается изменением передаточной функции aуравнения (11.6), определяющей характер преобразования. На графике (рис. 11.3) гамма-коррекция соответствует изменению кривизны и общего наклона линии 1 (или 2).

При равномерной передаче оптической плотности (прямая 1 под углом 45° к координатным осям) их значения, соответствующие точкам AиA¢, одинаковы. Изменим передаточную функцию a уравнения (11.6) так, чтобы ей соответствовало уравнение кривой 2. Теперь плотности исходного изображения (точка A) будет соответствовать плотность скорректированного изображения A², причем A¹ A².

Заметим, что неправильное использование гамма-коррекции может провести к уменьшению числа полутонов и преобладанию областей одного тона.

При обработке цветных изображений можно выполнить не только изменение яркости, контрастности или гамма-коррекцию, но и, меняя соотношение цветов, получить нужные оттенки.

Геометрические преобразования растрового изображения изменяют его геометрическое разрешение и корректируют радиометрические характеристики. Необходимость таких преобразований возникает, например, при трансформировании цифрового снимка по элементам внешнего ориентирования, в процессе которого изменяется масштаб изображения и положение его элементов относительно координатных осей. Сходная по характеру задача возникает при внутреннем ориентировании цифрового изображения.

В общем случае геометрические преобразования можно условно разделить на простые, требующие изменения только геометрического разрешения, и сложные, в результате которого выполняется изменение масштаба и поворот изображения.

Простые преобразования выполняются при изменении масштаба изображения путем соответствующего изменения геометрического разрешения, когда каждому пикселу исходного изображения соответствует пиксел преобразованного с тем же или иным геометрическим разрешением. При этом формируется новая матрица, элементам которой присваивается радиометрическое разрешение соответствующего ему исходного изображения (рис. 11.4).

Сложные преобразования выполняются при трансформировании изображения, когда коэффициент увеличения различных его частей неодинаков или когда выполняется разворот на некоторый угол. Первая ситуация возникает при восстановлении, например, сетки квадратов по ее перспективе (рис. 2.10), а вторая – при внутреннем ориентировании снимка (рис. 10.2). В обоих случаях (рис. 11.5) каждому пикселу формируемого изображения соответствует несколько пикселов или их частей исходного изображения, или наоборот.

Сущность выполняемых при этом геометрических и оптических преобразований можно видеть на рис. 11.5, где элементы строк и столбцов исходного изображения обозначены цифрами 1, 2, 3 и буквами a, b, c. Соответствующие элементы формируемого изображения обозначены – цифрами 1¢, 2¢, 3¢ и буквами a¢, b¢, c¢. Совместим левые нижние углы изображений и положим, что элементу 1¢ a¢ соответствуют фрагменты четырех элементов исходного растра: 1a (45%), 1b(35%), 2a (15%) и 2b(5%). В этом случае оптическая плотность r¢ формируемого элемента 1¢ a¢ зависит от оптических плотностей r₁_a, r₁_b, r₂_a, r₂_b элементов 1a, 1b, 2a и 2b, причем

r¢ =0, 45r₁_a+0, 35r₁_b+0, 15r₂_a+0, 05r₂_b,

Координаты элемента формируемого изображения находят по координатам соответствующего ему элемента исходного изображения, подставляя их в нужную формулу преобразования – трансформирования координат точек наклонного снимка (3.18), связи координат точек снимка и местности (3.12), внутреннего ориентирования снимка (10.5) или иную.

3.Источники цифровых изображений ( сканеры, требования к качеству сканирования, цифровые съемочные системы)

Цифровые изображения получают двумя способами, один из которых предполагает сканирование аналоговых фотоснимков (аэронегативов), полученных в процессе аэрофотосъемки, а второй – использование цифровых съемочных систем (сенсоров) непосредственно в процессе съемки. В обоих случаях цифровое изображение формируется с помощью либо фотодиодов, либо приемников с зарядовой связью (ПЗС) в форме ПЗС-матрицы или ПЗС-линейки с примерно одинаковыми техническими возможностями. Применение ПЗС-матрицы предполагает формирование всего кадра изображения по схеме, аналогичной фотокамере, где в фокальной плоскости вместо фотопленки располагается ПЗС-матрица. Применение ПЗС-линейки предполагает сканирование местности или изображения параллельными маршрутами с шагом, равным размеру элемента геометрического разрешения.

Сканирование фотоснимков выполняется с помощью оптико-электронных приборов – сканеров, которые по принципу исполнения можно разделить на роликовые, планшетные и барабанные, а по точности и назначению – на офисные и фотограмметрические.

Роликовые сканеры имеют малый формат, неподвижную считывающую головку и низкую точность. Планшетные сканеры – более точные, но низкоскоростные; столбцы и строки изображения задаются перемещениями источника света и считывающей головки. Барабанные сканеры не без оснований считаются наиболее точными; строки формируемого изображения задаются вращением барабана, а столбцы – перемещением считывающей головки.

Офисные сканеры характеризуются относительно низким геометрическим разрешением (от 10 мкм с использованием фотодиодов до 100 мкм на основе ПЗС-линеек), существенными геометрическими ошибками положения элементов растра и используются для сканирования фотоснимков только в исключительных случаях.

Фотограмметрические сканеры характеризуются высоким геометрическим разрешением (не менее 10 мкм при использовании ПЗС-матриц и ПЗС-линеек) и высокой геометрической точностью, определяемой величиной ошибки сканирования и повторяемостью (изменением ошибки в десяти сканированиях). С их помощью можно сканировать черно-белые (штриховые) или цветные снимки. Технические характеристики некоторых наиболее распространенных фотограмметрических сканеров приведены в табл. 11.2; наличие 24-х уровней квантования обеспечивает получение цветного изображения (3 канала по 8 бит).

Таблица 11.2
Наименование характеристики	Характеристика фотограмметрического сканера
ОАО «Пеленг», РБ	«Дельта», Украина	СКФ-11. Россия	DSW500 LH System
Размер снимка, мм	300´ 400	300´ 450	300´ 300	260´ 260
Размер пиксела, мкм		8 – 128
Ошибка сканирования, мкм	±2	±3	±3	±2
Число уровней квантования, бит	3´ 8 =24	3´ 8 =24	3´ 8 =24	1´ 10

Некоторые фотограмметрические сканеры (например, «Дельта» и др.) предусматривают возможность сканирования аэронегативов с неразрезанного аэрофильма, как это практикуется в фотограмметрическом производстве.

Затраты времени на сканирование характеризуются следующими данными для сканера «Дельта» (рис. 11.6): черно-белый снимок формата 23´ 23 см с геометрическим разрешением 8 мкм сканируется за 12 минут, а с геометрическим разрешением 30 мкм – за 4 минуты. Для получения цветного растрового изображения того же формата и с той же геометрической точностью требуется 30 и 9 минут соответственно.

Важнейшим элементом формирования цифрового изображения является эталонирование сканера, особенно в случае, если он не является фотограмметрическим. Сущность эталонирования заключается в сканировании контрольной сетки с нанесенными на нее горизонтальными и вертикальными штрихами, расстояния между которыми известны с точностью 1–2 мкм. На полученном изображении измеряют «пиксельные» координаты x_P, y_P крестов контрольной сетки в системе o_Px_Py_P(рис. 11.2), преобразуют их в линейную меру с учетом заданного геометрического разрешения и сравнивают полученные значения с точными координатами, отсчитанными по контрольной сетке. По найденным разностям координат соответствующих точек строят поле искажений, характеризующее все виды геометрических искажений, вносимых сканером в той или иной точке поля сканирования.

В последующем изображения, полученные с помощью этого сканера, могут быть исправлены в соответствии с параметрами поля искажений. Имеющиеся публикации свидетельствуют, что искажения фотограмметрического сканера можно уменьшить до 1 мкм.

Цифровые съемочные системы (сенсоры) появились только на рубеже веков. К этому времени было достигнуто сопоставимое с фотоснимками геометрическое разрешение (5–6 мкм), появились средства хранения громадных объемов информации (порядка 1 Гб на каждый снимок), создана аппаратура стабилизации съемочной камеры в полете и высокоточного определения координат центров фотографирования.

В настоящее время успешно эксплуатируются несколько цифровых камер, в частности: ADS40 (фирм LH-System, Швейцария), DMC2001 (фирма Z/IImaging (США, Германия), HRSC (центр космических исследований Германии DLR) и др., обеспечивающие возможность получения изображений как в видимой части спектра, так и в инфракрасном диапазоне. Имеются данные о Российских цифровых съемочных комплексах ЦТК-140 и ЦТК-70. Некоторые характеристики этих камер приведены в табл. 11.3.

Наименование характеристики	Характеристика камеры
ADS40	DMC	HRSC	ЦТК-140	ЦТК-70
Фокусное расстояние, мм	62, 5		47¸ 175
Размер пиксела, мкм	6, 5		6¸ 7
Число спектральных каналов
Радиометрическое разрешение, бит			8 ¸ 12		10/8
Светочувствительный ПЗС-элемент	линейка	матрица	линейка	линейка	линейка

С точки зрения фотограмметрической обработки цифровых изображений, получаемых с помощью цифровых съемочных систем на ПЗС-линейках, чрезвычайно важны два обстоятельства:

1. Изображения формируются в результате сканирования местности в направлении, перпендикулярном направлению полета. Поэтому результатом съемки являются не кадровые снимки, а полосы изображений, так что стереоскопические наблюдения и измерения возможны только по полосе перекрытия со смежным маршрутом (рис. 11.7, a).

2. Геометрия сканерных снимков не соответствует центральной проекции, поскольку каждая их строка формируется из собственного центра. Фотограмметрической обработке таких изображений предшествует преобразование их в форму, соответствующую законам построения изображений при центральном проектировании.

Отсутствие продольных перекрытий сканерных снимков и невозможность создания по ним стереопар существенно снижают точность их фотограмметрической обработки, поэтому современные съемочные системы предусматривают одновременное применение нескольких ПЗС-линеек, каждая из которых формирует изображение по определенному направлению (рис. 11.7, б).

Так, цифровая система ASD40 имеет в фокальной плоскости три ПЗС-линейки, одна из которых обеспечивает съемку полосы по направлению «вперед», вторая – полосы в направлении точки надира («вниз»), а третья – полосы «назад». Совместная обработка трех полос изображений позволяет получить продольные перекрытия и выполнить стереоскопические наблюдения.

Цифровая съемочная система HRSC (HighResolutionStereoCamera) с помощью девяти линеек ПЗС в фокальной плоскости объектива выполняет съемку одновременно девяти перекрывающихся полос, пять из которых используется для стереообработки, а остальные четыре обеспечивают получение изображения в том или ином оптическом диапазоне.

Лекция 9

1. Фотограмметрическая обработка цифровых изображений (внутреннее ориентирование, взаимное ориентирование, внешнее ориентирование)

2. Цифровые модели рельефа (ЦМР). Способы построения цифровых моделей рельефа.

3. Создание цифровой модели рельефа в ЦФС.(для ЦФС Photomod )

4. Ортотрансформирование снимков.

5. Построение ортофотоизображения в ЦФС.

6.. Особенности фотограмметрической обработки данных дистанционного зондирования

7. Технологии создания цифровых планов и карт по материалам АФС.

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 11 121314 15 16 Следующая ⇒