Opracowanie fotogrametrycznych zdjęć lotniczych, satelitarnych i naziemnych 311[10].Z4.01

Transkrypt

1 MINISTERSTWO EDUKACJI NARODOWEJ Leszek Wiatr Opracowanie fotogrametrycznych zdjęć lotniczych, satelitarnych i naziemnych 311[10].Z4.01 Poradnik dla ucznia Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy Radom 2007

2 Recenzenci: mgr inŝ. Wanda Brześcińska mgr inŝ. Julitta Rosa Opracowanie redakcyjne: mgr inŝ. Barbara Kapruziak Konsultacja: mgr Małgorzata Sienna Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[10].Z4.01. Opracowanie fotogrametrycznych zdjęć lotniczych, satelitarnych i naziemnych, zawartego w modułowym programie nauczania dla zawodu technik geodeta. Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, Radom

3 SPIS TREŚCI 1. Wprowadzenie 4 2. Wymagania wstępne 5 3. Cele kształcenia 6 4. Materiał nauczania Wstęp do fotogrametrii Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Budowa i zasada działania aparatu fotograficznego klasycznego i cyfrowego. Matryca CCD Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Charakterystyka obiektywu Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Podstawy stereoskopii Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Geometria rzutu środkowego Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Rodzaje zdjęć naziemnych Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Właściwości pomiarowe zdjęć naziemnych Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Przyrządy i metody opracowania zdjęć naziemnych Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów 66 2

4 4.9. Rodzaje zdjęć lotniczych Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Pomiary na zdjęciach lotniczych Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Przyrządy do opracowania zdjęć lotniczych Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Technika wykonywania fotoszkiców, fotomap i ortofotomap Materiał nauczania Pytania sprawdzające Ćwiczenia Sprawdzian postępów Sprawdzian osiągnięć Literatura 101 3

5 1. WPROWADZENIE Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o fotogrametrii i opracowaniu fotogrametrycznym zdjęć lotniczych, satelitarnych i naziemnych. W poradniku zamieszczono: wymagania wstępne, czyli wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć juŝ ukształtowane, abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika, cele kształcenia, czyli wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem, materiał nauczania, czyli wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki modułowej, zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy juŝ opanowałeś określone treści, ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować umiejętności praktyczne, sprawdzian postępów, sprawdzian osiągnięć, czyli przykładowy zestaw zadań; zaliczenie testu potwierdzi opanowanie materiału całej jednostki modułowej, literaturę uzupełniającą. 311[10].Z4 Fotogrametria 311[10].Z4.01 Opracowanie fotogrametrycznych zdjęć lotniczych, satelitarnych i naziemnych 311[10].Z4.02 Wykorzystanie materiałów fotogrametrycznych do opracowywania map Schemat układu jednostek modułowych 4

6 2. WYMAGANIA WSTĘPNE Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: posługiwać się podstawowymi pojęciami z optyki dotyczącymi soczewek, posługiwać się podstawowymi pojęciami z chemii, dotyczącymi światłoczułych związków chemicznych, posługiwać się podstawowymi pojęciami z zakresu promieniowania elektromagnetycznego, stosować zasady rzutu prostokątnego (ortogonalnego), posługiwać się geodezyjnym układem współrzędnych, korzystać z róŝnych źródeł informacji, obsługiwać komputer, współpracować w grupie. 5

7 3. CELE KSZTAŁCENIA W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: określić zasady działania aparatów fotograficznych, rozróŝnić zdjęcia fotogrametryczne, dobrać sprzęt do wykonania zdjęć fotogrametrycznych, wykonać zdjęcie fotogrametryczne aparatem klasycznym i cyfrowym, dokonać pomiaru współrzędnych tłowych i paralaks, sporządzić projekt realizacji zdjęć naziemnych i lotniczych, przygotować zdjęcia do obserwacji stereoskopowej, dokonać interpretacji fotogrametrycznej treści zdjęć lotniczych, określić zasady powstawania fotomap i ortofotomap. 6

8 4. MATERIAŁ NAUCZANIA 4.1. Wstęp do fotogrametrii Materiał nauczania Nazwa fotogrametria pochodzi od trzech słów greckich: photos światło, gramma zapis, metreo mierzę. Fotogrametria (wg Wielkiej Encyklopedii PWN z 2002 r.) jest dziedziną nauk technicznych zajmującą się pozyskiwaniem, przekształcaniem, prezentacją i gromadzeniem informacji (ilościowych i jakościowych) dotyczących danego terenu lub obiektu na podstawie zdjęć fotogrametrycznych (tzw. fotogramów) lub ich reprezentacji cyfrowych. Od 1998 r., czyli od XVI Kongresu Międzynarodowego Towarzystwa Fotogrametrii i Teledetekcji w Kioto podaje się definicję: Fotogrametria i teledetekcja to dziedziny nauk technicznych zajmujące się zdalnym pozyskiwaniem wiarygodnych informacji o obiektach fizycznych i ich otoczeniu drogą rejestracji, pomiaru i interpretacji obrazów i zdjęć. Fotogrametria zajmuje się zdalnym pomiarem obiektów, wyznaczaniem ich kształtu i połoŝenia w przestrzeni, natomiast teledetekcja zajmuje się rozpoznawaniem i pomiarem innych cech obiektów niŝ ich wymiary geometryczne. Rozwój fotogrametrii wiąŝe się ściśle z historią samej fotografii (wynalezienie fotografii Daguerre i Nipce, 1839 r.). Pierwsze opracowania fotogrametryczne powstały w 1850 r., a na początku XX wieku skonstruowano pierwsze instrumenty słuŝące do pomiaru i opracowania zdjęć. Skonstruowanie samolotu (1903 r. bracia Wright) otworzyło przed fotogrametrią nieograniczone moŝliwości fotografowania z powietrza i w konsekwencji rozwój fotogrametrii lotniczej. Szczególnie szybki rozwój fotogrametrii przypada na okres I i II wojny światowej. W początkach lat siedemdziesiątych XX wieku zostały wprowadzone na orbity okołoziemskie satelity przeznaczone do ciągłego wykonywania zdjęć powierzchni Ziemi. Interpretacja tych zdjęć przynosi wiele ciekawych i poŝytecznych informacji zarówno dla celów naukowych jak i gospodarczych a zajmuje się nią teledetekcja. Teledetekcja satelitarna jest to badanie powierzchni Ziemi (lub innej planety) za pomocą sztucznych satelitów rejestrujących natęŝenie wysyłanego przez nią promieniowanie elektromagnetycznego. Wyniki pomiarów (zdjęcia satelitarne) po przesłaniu do stacji naziemnych są przetwarzane komputerowo na interesujące nas informacje np. o złoŝach, ogniskach chorób roślin, zanieczyszczeniach itp. Zdjęcia satelitarne umoŝliwiają ciągłość obserwacji zarówno w czasie jak i przestrzeni, niezaleŝnie od pory roku i lokalnych warunków atmosferycznych. W 1976 r. w Instytucie Geodezji i Kartografii powołano Ośrodek Przetwarzania Obrazów Lotniczych i Satelitarnych (OPOLIS) spełniający rolę krajowego centrum teledetekcji. Fotogrametryczne metody pomiarowe przewyŝszają znacznie inne metody pomiarowe z następujących względów: do rejestracji (fotografowania) i opracowania obiektu nie jest potrzebny bezpośredni kontakt z obiektem, wykonanie zdjęcia (pomiar) trwa bardzo krótko (ułamek sekundy) co jest szczególnie waŝne przy pomiarze obiektów ruchomych, sam pomiar i opracowanie są przeniesione do warunków kameralnych, 7

9 w przypadku stwierdzenia błędów czy konieczności uzupełnienia nie ma kłopotu z powtórzeniem pomiaru, nie ma problemów z pomiarem duŝej liczby punktów, zdjęcia stanowią wierny i obiektywny obraz mierzonego obiektu i zachowują wartość archiwalną, opracowania fotogrametryczne są często opracowaniami ciągłymi pozbawionymi subiektywnych etapów interpretacji czy generalizacji (np. kreskowa mapa sytuacyjnowysokościowa lub fotomapa). Pomiar fotogrametryczny jest pomiarem pośrednim, poniewaŝ wykonuje się go na podstawie zdjęć fotograficznych danego terenu lub obiektu. Po wykonaniu zdjęć wyznacza się rzeczywiste wymiary i kształt zarejestrowanego na zdjęciach terenu lub obiektu wykorzystując do tego celu znajomość warunków, w jakich zdjęcia te zostały wykonane (odległość fotografowania i rodzaj aparatu). Z wymienionych względów metody fotogrametryczne znalazły zastosowanie w archeologii, architekturze i konserwacji zabytków, astronomii, balistyce, budownictwie, geologii, górnictwie, hydrologii, kryminalistyce, leśnictwie, medycynie, przemyśle motoryzacyjnym i stoczniowym a szczególnie w geodezji i kartografii. Fotogrametrię moŝna podzielić ze względu na: 1. zastosowanie: topograficzna; (do celów geodezyjnych), gdzie mierzonym obiektem jest powierzchnia topograficzna Ziemi i obiekty sytuacyjne znajdujące się na niej (efektem pomiaru są róŝnego rodzaju mapy), nietopograficzną; nazywaną równieŝ fotogrametrią bliskiego zasięgu (przewaŝnie do celów nie geodezyjnych), gdzie mierzonym obiektem moŝe być kształt, deformacja lub ruch róŝnych obiektów, konstrukcji, detali maszyn itp., 2. miejsce fotografowania: naziemna (terrofotogrametria); wykorzystującą zdjęcia wykonywane ze stanowisk naziemnych np. fototeodolitem, lotnicza (aerofotogrametria); wykorzystującą zdjęcia wykonywane z samolotu przy pomocy kamery fotogrametrycznej, satelitarna; wykorzystującą lotnicze i satelitarne zobrazowania niefotograficzne, 3. metody opracowania: jednoobrazowa; gdzie pomiar wykonujemy na pojedynczych zdjęciach (fotogramach), dwuobrazowa (stereofotogrametria); gdzie pomiar wykonujemy na parach zdjęć (sterogramach), 4. formę danych (zdjęć) i wyniki opracowania: analogowa, w której pomiary oparte są na metodach analogowych polegających na optyczno-mechanicznym rozwiązaniu zaleŝności geometrycznych między obiektem a jego obrazem fotograficznym. Wykorzystuje się tu głównie autografy analogowe pozwalające na rekonstrukcję wiązki promieni kaŝdego z fotogramów (lotniczych lub naziemnych) tworzących stereogram a następnie zbudowanie przestrzennego modelu obiektu odfotografowanego na obu zdjęciach. Model ten moŝna mierzyć i przedstawiać w postaci numerycznej lub ciągłego opracowania graficznego (np. mapa kreskowa sytuacyjno-wysokościowa). Innymi instrumentami analogowymi są przetworniki optyczne i ortofotograficzne umoŝliwiające analogowe przekształcenie zdjęcia fotograficznego będącego rzutem środkowym na obraz fotograficzny w rzucie ortogonalnym (fotomapa lub ortofotomapa), numeryczna (analityczna), w której pomiary są oparte na metodach analitycznych polegających na matematycznym sformułowaniu i rozwiązaniu zaleŝności 8

10 geometrycznych zachodzących między obiektem (terenem) a jego obrazem na zdjęciu (lotniczym czy naziemnym), przejawem rozwoju metod analitycznych i techniki obliczeniowej jest tworzenie map numerycznych tj. zbioru odpowiednio zakodowanych współrzędnych punktów i informacji opisujących topograficzną powierzchnię terenu i obiekty stanowiące treść takiej mapy, cyfrową, w której obraz nie jest rejestrowany fotograficznie lecz przy pomocy elektroniki w postaci cyfrowej. Rezultaty opracowań fotogrametrycznych moŝna przedstawić w następujących formach: opracowania graficznego (np. mapa wektorowa), opracowania numerycznego, (np. wykaz współrzędnych), opracowania fotograficznego.(np. ortofotomapa), opracowania cyfrowego (obraz rastrowy). Opracowania analogowe mogą być przedstawione w kaŝdej z wymienionych form. Najbardziej typowym opracowaniem jest opracowanie graficzne w postaci kreskowej mapy sytuacyjno-wysokościowej uzupełnionej o pewne dane numeryczne (np. punkty wysokościowe). Innym produktem opracowania analogowego, czyli fotomapą jest połączenie fotograficznej formy prezentacji z formą graficzną (ramka mapy, opisy, warstwice, częściowo uczytelnione obiekty sytuacyjne w formie graficznych znaków umownych). Rezultaty opracowań metodami analitycznymi są podawane w formie numerycznej np. NMT (Numeryczny Model Terenu) lub mapa numeryczna. Mogą one być przekształcone na postać graficzną za pomocą koordynatografu automatycznego Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Co to jest fotogrametria? 2. Co to jest teledetekcja? 3. Jakie zalety mają fotogrametryczne metody pomiarowe? 4. Jak dzielimy fotogrametrię ze względu na zastosowanie? 5. Jak dzielimy fotogrametrię ze względu na miejsce wykonywania zdjęć? 6. Jak dzielimy fotogrametrię ze względu na ilość zdjęć słuŝących do pomiaru? 7. Jak dzielimy fotogrametrię ze względu na przyjęte metody opracowania zdjęć? 8. Jakie są formy opracowań fotogrametrycznych? Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Dokonaj analizy wybranych zdjęć fotogrametrycznych. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zapoznać się z przykładowymi zdjęciami naziemnymi, lotniczymi i satelitarnymi, 2) zapoznać się z przykładowymi parami zdjęć (stereogramami), 3) porównać analizowane zdjęcia i wskazać ich cechy charakterystyczne. 9

11 WyposaŜenie stanowiska pracy: komplety zdjęć naziemnych, komplety zdjęć lotniczych, zdjęcia satelitarne. Ćwiczenie 2 Zapoznaj się z opracowaniami fotogrametrycznymi. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) zapoznać się z przykładową mapą wektorową, 2) zapoznać się z przykładową ortofotomapą, 3) zapoznać się z obrazem rastrowym, 4) scharakteryzować poszczególne opracowania. WyposaŜenie stanowiska pracy: mapa wektorowa, ortofotomapa, obraz rastrowy Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) zdefiniować pojęcie zdjęcia naziemne? 2) zdefiniować pojęcie zdjęcia lotnicze? 3) zdefiniować pojęcie para zdjęć? 4) zdefiniować pojęcie zdjęcia satelitarne? 5) wymienić przykłady opracowań fotogrametrycznych? 10

12 4.2. Budowa i zasada działania aparatu fotograficznego klasycznego i cyfrowego. Matryca CCD Materiał nauczania Nazwa fotografia pochodzi od greckich słów photos światło i grafo piszę. Zadaniem fotografii jest otrzymywanie wiernych obrazów rzeczywistości. W klasycznej fotografii odbywa się to w ten sposób, Ŝe przez załamanie promieni świetlnych w obiektywie (będącym zespołem kilku soczewek) powstaje obraz w ciemni optycznej, jaką jest kaŝdy aparat fotograficzny. Obraz ten zostaje utrwalony na płytach lub błonach pokrytych emulsją światłoczułą, której głównym składnikiem są sole srebra (halogenki srebra). Pod wpływem działania światła następuje proces fotolizy (rozpadu fotochemicznego). Proces rozpadu halogenków srebra następuje na skutek absorpcji (pochłonięcia) promieniowania elektromagnetycznego o określonej energii. Padające na emulsję promieniowanie powoduje wybicie elektronów z powłoki walencyjnej jonów halogenku, a następnie uwolnione elektrony ujemnie ładują centra czułości (atomy halogenku są wiązane przez odpowiednie akceptory zawarte w Ŝelatynie), do których z kolei przyciągane są międzywęzłowe jony Ag+, ulegające ostatecznie redukcji do atomów srebra tworząc obraz utajony. Wielkość centrów czułości decyduje o stopniu zaczernienia (naświetlenia) emulsji fotograficznej. W procesie tym halogenki srebra (AgBr, AgCl, AgJ) ulegają rozkładowi i wydzielają metaliczne srebro np. AgBr + hν Ag + Br gdzie: hν oznacza kwant światła (najmniejsza porcja promieniowania elektromagnetycznego). Zmiany te powodują, Ŝe na płycie lub błonie powstaje obraz utajony. Przejście od obrazu utajonego do negatywu lub pozytywu dokonuje się na drodze procesów chemicznych i specjalnego postępowania, którego kolejność jest następująca: wywołanie obrazu utajonego, płukanie przerywające proces wywoływania, utrwalenie wywołanego obrazu, płukanie i suszenie utrwalonego obrazu. Negatyw cechuje się odwróceniem skali tonalnej w stosunku do obrazu rzeczywistego. W celu otrzymania zdjęcia fotograficznego w tonach zgodnych z tonami fotografowanego przedmiotu wykonuje się odbitki pozytywowe lub diapozytywowe (obraz na materiale przeźroczystym) przez kopiowanie stykowe lub optyczne. Klasyczna fotografia jest fotografią czarno-białą, a technika fotograficzna, która umoŝliwia wykonanie zdjęcia w barwach naturalnych nosi nazwę fotografii barwnej. Pojęcie barwa ma zrozumiałe znaczenie jedynie w obecności jasnego światła białego i odbiornika, czyli oka ludzkiego. W widmie słonecznym oko ludzkie rozróŝnia bez trudności 12 barw, a kaŝdą z nich oprócz nazwy określa pewien przedział długości fal (rys. 1) 11

13 Rys. 1. Kolo kolorów [opracowanie własne] Określone pary barw (leŝące naprzeciw siebie) mają szczególną właściwość, ze połączone razem dają barwę białą i z tego powodu nazywa się je barwnymi dopełniającymi. Istnieją dwa sposoby otrzymywania barw (rys. 2). Rys. 2. Otrzymywanie barw: a) metodą addytywną, b) metodą subtraktywną [opracowanie własne] 12

14 Zgodnie z addytywną metodą tworzenia barw, światła o barwach podstawowych to: czerwone (R-red), zielone (G-green), niebieskie (B-blue) rzutowane i mieszane na wspólnym ekranie tworzą nowe barwy. Kiedy rzutuje się światło niebieskie i zielone powstaje barwa niebieskozielona, zielone i czerwone powstaje barwa Ŝółta, czerwone i niebieskie powstaje barwa purpurowa. Równoczesne rzutowanie trzech świateł o barwach podstawowych daje barwę białą. W naturze barwy powstają przez odejmowanie barw metodą subtraktywną. W metodzie tej następuje odejmowanie składowych świateł barwnych od światła białego (np. wydruk na białym papierze) lub od światła o innej barwie, aby otrzymać barwy podstawowe. W takim przypadku trzy podstawowe kolory to: magenta (fioletoworóŝowy, purpurowy), cyjan (błękitny) i Ŝółty. Fotografia czarno-biała od barwnej róŝni się budową materiałów światłoczułych, na których powstaje zdjęcie. Materiały do fotografii czarno-białej mają jedną warstwę emulsji fotograficznej uczulonej na promieniowanie widzialne, a materiały do fotografii barwnej trzy warstwy emulsji uczulonej na światło niebieskie, zielone i czerwone. Negatyw w fotografii barwnej pozostaje w barwach dopełniających do barw rzeczywistych. W uproszczeniu klasyczny aparat fotograficzny składa się z systemu soczewek (obiektywu), przysłony i migawki (rys. 3). Rys. 3. Schemat optyczny klasycznego aparatu fotograficznego (lustrzanka jednoobiektywowa) [1] Obiektyw troszczy się o to, by obraz fotografowanego motywu tworzony w aparacie był wyraźny i ostry, podczas, gdy przysłona reguluje ilość światła docierającego do materiału światłoczułego. Jak tylko zostanie naciśnięty spust aparatu, otwiera się migawką (na określony czas), a wpadające światło po przejściu przez obiektyw dociera do powierzchni materiału światłoczułego. Następujący samoczynnie w emulsji światłoczułej proces fotolizy zapamiętuje przesłane wraz ze światłem informacje o obrazie. Zupełnie inaczej funkcjonuje cyfrowy aparat fotograficzny, który co prawda wykorzystuje obiektyw i przysłony, jednak zdjęcie w nim nie jest zachowywane w materiale światłoczułym, lecz w postaci cyfrowej na nośniku danych. Sercem cyfrowego aparatu fotograficznego jest element CCD (Charge Coupled Devices), który przekształca informacje o jasności fotografowanego motywu na sygnały elektryczne. 13

15 NajwaŜniejszą cechą jakości jest ilość pojedynczych sensorów znajdujących się na powierzchni tego elementu półprzewodnikowego. Fizyczna rozdzielczość odpowiada zazwyczaj maksymalnej ilości punktów obrazowych opisanych w pliku graficznym. PoniewaŜ kaŝdy piksel obrazu cyfrowego składa się z trzech kolorów podstawowych RGB razem, dlatego pojedyncze elementy matrycy CCD zaopatrzone są w barwne mikrofiltry (na kaŝdy jeden czerwony i jeden niebieski filtr wypadają po dwa zielone). Odpowiada to warunkom widzenia człowieka, który najczulej reaguje na zmiany jasności w zielonej części widma. Elektronika aparatu zachowuje dla pojedynczego piksela precyzyjne jasności dokładnie dla jednego koloru, a pozostałe kolory muszą zostać ustalone poprzez interpolację z sąsiadujących pikseli. Sensory elementu CCD są fotodiodami o mikroskopijnych wymiarach, w których padające światło wyzwala powstawanie ładunków. Pojedyncze komórki są ze sobą pomieszane (Charge Coupled) i odczytywane rzędami lub kolumnami, przy tym ładunki przesuwane są od komórki do komórki aŝ do brzegu jednostki CCD by tam zostać odczytane przez całą elektronikę jako analogowe wartości napięcia i przekształcone w cyfrowe wartości. PoniewaŜ jasność jako ilość wpadającego światła i wytworzone przy tym ładunki są proporcjonalne, łatwo jest w przypadku tych danych warunków oświetleniowych podnieść czułość przetwornika przez wzmocnienie sygnału. Negatywnym efektem ubocznym wzmocnienia jest zmniejszenie się otrzymanych kolorów i powiększenie się tzw. szumów tła. JeŜeli na skutek zbyt długiego czasu naświetlania lub zbyt wysokiej jasności zostanie wytworzony w pojedynczych sensorach zbyt wysoki ładunek, moŝe zdarzyć się, Ŝe system odprowadzania ładunków zostaje przepełniony wtedy ładunki lądują w sąsiednich komórkach, co w konsekwencji daje nadmierną jasność (efekt bloomingu ). Pliki zdjęciowe zapisywane są w pamięci typu Flash umieszczonej (stosownie do modelu typu aparatu) w karcie pamięci typu Smart Media, Compact Flash, Multimedia lub Memory Stick. Większość aparatów cyfrowych w odróŝnieniu od klasycznych została wyposaŝona w małe kolorowe wyświetlacze LCD pokazujące podgląd obrazu z obiektywu, a takŝe pozwalające obejrzeć efekty naszej pracy. Na ekranie wyświetlacza jest takŝe menu sterowania aparatem. Liczba pikseli w matrycy to jedyny parametr mówiący nam o rozdzielczości moŝliwej do uzyskania danym aparatem. Parametrem zaleŝnym od liczby megapikseli jest rozdzielczość obrazu uzyskiwanego przy pomocy tego aparatu, np. aparat firmy Canon model S2 IS ma matrycę 5,3 MP a maksymalna rozdzielczość obrazu wynosi 2592x1944 pikseli. To znaczy, Ŝe fotografia zrobiona tym aparatem będzie zbudowana z 1944 linii, kaŝda po 2592 punkty. MnoŜąc liczbę linii przez liczbę pikseli w linii otrzymamy 2592x1944= , czyli w zaokrągleniu 5,03 MP. Widać z tego, Ŝe nie wszystkie piksele matrycy wykorzystane zostały do odwzorowania fotografowanego obiektu Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. W jaki sposób otrzymujemy obrazy w klasycznej fotografii? 2. Jaka jest kolejność przechodzenia od obrazu utajonego do negatywu lub pozytywu w klasycznej fotografii? 3. Co to jest fotografia barwna? 4. Jakie są metody otrzymywania barw? 5. Jaka jest róŝnica między fotografią czarno- białą a barwną? 6. Na jakich zasadach funkcjonuje cyfrowy aparat fotograficzny? 7. Jak zbudowana jest matryca CCD? 14

16 Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Wykonaj dwa zdjęcia określonego obiektu aparatem fotograficznym (klasycznym i cyfrowym). Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) odnaleźć w materiałach dydaktycznych Budowę i zasadę działania aparatu fotograficznego (klasycznego i cyfrowego), 2) wybrać obiekt w pobliŝu szkoły, który będzie fotografowany, 3) wykonać zdjęcia wybranego obiektu aparatem klasycznym, 4) wykonać zdjęcia wybranego obiektu aparatem cyfrowym, 5) porównać wykonane zdjęcia, 6) opracować sprawozdanie techniczne. WyposaŜanie stanowiska pracy: klasyczny aparat fotograficzny, cyfrowy aparat fotograficzny, papier formatu A4, wywołane zdjęcia. Ćwiczenie 2 Wykonaj dwa zdjęcia określonego obiektu klasycznym aparatem fotograficznym (jedno zdjęcie czarno-białe a drugie barwne). Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) odnaleźć w materiałach dydaktycznych róŝnice między fotografią czarno-białą a fotografią barwną, 2) wybrać obiekt w pobliŝu szkoły, który będzie fotografowany, 3) wykonać zdjęcia wybranego obiektu jako fotografię czarno-białą, 4) wykonać zdjęcia wybranego obiektu jako fotografię barwną, 5) porównać wykonane zdjęcia (negatywy i pozytywy), 6) opracować sprawozdanie techniczne. WyposaŜanie stanowiska pracy: klasyczny aparat fotograficzny, materiały do fotografii czarno-białej, materiały do fotografii barwnej, wywołane negatywy, wywołane zdjęcia, papier formatu A4, wywołane zdjęcia. 15

17 Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) określić sposób powstawania obrazu w klasycznej fotografii? 2) określić kolejność procesów przechodzenie od obrazu utajonego do negatywu lub pozytywu? 3) zdefiniować pojęcie fotografia barwna? 4) określić metody otrzymywania barw? 5) określić róŝnice pomiędzy fotografią czarno-białą a barwną? 6) podać zasady funkcjonowania cyfrowego aparatu fotograficznego? 7) określić budowę matrycy CCD? 16

18 4.3. Charakterystyka obiektywu Materiał nauczania NajwaŜniejszą częścią aparatu fotograficznego jest obiektyw, który stanowi zespół soczewek tworzących układ skupiający, dający obraz pomniejszony, rzeczywisty i odwrócony. Współczesne obiektywy kamer pomiarowych są skomplikowanymi układami optycznymi i zamiast posługiwać się tak skomplikowanym układem przy konstruowaniu obrazów tworzonych przez obiektyw, wygodnie jest posługiwać się pewnym wyidealizowanym modelem geometrycznym takiego obiektywu (rys. 4). Rys. 4. Schemat układu optycznego obiektywu [3] Obiektyw charakteryzuje się następującymi cechami: a) ogniskową obiektywu (rys. 4.), Obiektyw kamery pomiarowej spełnia podstawowe prawo optyki wyraŝane wzorem = a a ' f ' Ogniskowa obiektywu f jest to odległość głównego ogniska obrazowego F od głównego punktu obrazowego obiektywu O. Jej wielkość decyduje o zdolność tworzenia obrazu o określonej wielkości. Długość ogniskowej podawana jest na oprawie obiektywu. b) otworem względnym obiektywu, Światło wnika do aparatu przez otwór czynny, zwany źrenicą wejściową (rys. 4.) Otwór względny obiektywu jest to stosunek średnicy źrenicy wejściowej obiektywu d do jego ogniskowej f. Dla określenia otworu względnego stosuje się zapis d lub f Na oprawie obiektywu oprócz ogniskowej podany jest takŝe otwór względny np. napis 2,8/50, oznacza otwór względny 1:2,8 i ogniskową 50 mm. 1 f d 17

19 Wynika z tego maksymalna średnica otworu czynnego d = f 17,8 2,8 = mm W praktyce rzadko korzystamy z maksymalnej średnicy i w celu przepuszczenia przez obiektyw odpowiedniej ilości światła stosujemy urządzenie wbudowane w oprawę obiektywu tzw. przysłonę (rys. 5). Rys. 5. Przysłona irysowa: a) przekrój, b) widok [1] Przysłonę stanowi kilka łukowato wyciętych blaszek osadzonych ruchomo na pierścieniu nastawczym. Przez obrót pierścienia płytki nachodzą na siebie, a część ich krawędzi tworzy otwór kołowy o zmiennej średnicy. Zmniejszanie otworu czynnego moŝe następować skokowo lub w sposób ciągły. PoniewaŜ powierzchnia otworu czynnego wynosi S = πr 2, to r zmniejszenie jej o połowę wymaga zmniejszenia promienia w stosunku 2 r r 1 S = πr 2 2 S 1 = πr 1 = r r1 = s 2 1 = S = π r 2 πr

20 Na tej zasadzie ( 2 1,4 ) najbardziej rozpowszechniona skala otworów względnych to 1:2; 1:2,8; 1:4; 1:5,6; 1:8;1:11; 1:16; 1:22; 1:32. KaŜdy następny otwór względny powstaje przez 1 pomnoŝenie poprzedniego przez. 2 f Przysłonę moŝemy zdefiniować jako p = i wówczas napis na obiektywie 2,8/50 oznacza d liczbę przysłony 2,8 i długość ogniskowej 50 mm. Przyjęto zasadę, Ŝe kaŝda zmiana przysłony o jedną wartość (opisana na pierścieniu zewnętrznym obiektywu) powinna spowodować dwukrotnie większą zmianę ilości światła padającego przez obiektyw, gdyŝ zmiana otworu względnego o jedną podziałkę skali, zmniejsza powierzchnię otworu czynnego o połowę. c) kątem rozwarcia i kątem widzenia obiektywu, który wiąŝe się z polem obrazu i polem widzenia obiektywu (rys. 6). Rys. 6. Kąt rozwarcia (2α) i kąt widzenia (2β) oraz pole obrazu i pole widzenia obiektywu [opracowanie własne] Kąt rozwarcia to kąt bryłowy o przekroju, 2α pod jakim obiektyw widzi przestrzeń. Powierzchnia uzyskanego w ten sposób kolistego obrazu nosi nazwę ogólnego pola widzenia obiektywu. Ze względu na spadek jasności i ostrości obrazu na jego brzegu, format zdjęcia oparty jest tylko na jego środkowej części zwanej polem obrazu charakteryzowanej przez kąt widzenia (2β). Kąt widzenia obiektywu to część pola widzenia określona przez kąt bryłowy o przekroju 2β (gdzie 2β wierzchołek trójkąta o podstawie równej przekątnej formatu zdjęcia i wysokości równej ogniskowej obiektywu). W zaleŝności od kąta widzenia moŝna podzielić obiektywy na: wąskokątne o kącie widzenia od około 2 do 35, normalnokątne (standardowe) o kącie widzenia od około 40 do 60, szerokokątne (tzw. rybie oka) o kącie widzenia od ok. 80 do 220. Pojęcie obiektyw wąskokątny nie jest jednoznaczne z pojęciem teleobiektyw, gdyŝ teleobiektyw to układ optyczny długoogniskowy, dwuczłonowy, złoŝony z dwóch skorygowanych zespołów soczewek (dodatniego i ujemnego) umieszczonych w metalowym tubusie o stałej lub regulowanej odległości między tymi zespołami (zoom). Kąt rozwarcia teleobiektywu moŝe wynosić do 60. Teleobiektywy słuŝą do fotografowania miedzy innymi oddalonych obiektów. W obiektywach normalnokątnych (oddających wierne wraŝenie rzeczywistości) ogniskowa jest zbliŝona do przekątnej formatu negatywu. 19

21 W obiektywach wąskokątnych ogniskowa jest znacznie dłuŝsza od przekątnej formatu zdjęcia, a w szerokokątnych znacznie krótsza, przy czym powstający obraz jest zniekształcony w stosunku do rzeczywistości. Obiektywy wąskokątne umoŝliwiają naturalną wielkość zbliŝenia, a szerokokątne słuŝą do uzyskiwania specyficznych efektów plastyczno-artystycznych, polegających na karykaturalnym przerysowaniu perspektywicznym. d) zdolnością rozdzielczą obiektywu. Decyduje ona o najmniejszych elementach obrazu, jakie da się rozróŝnić na zdjęciu, a więc o szczegółowości obrazu. Zdolność rozdzielczą określa liczba linii, jakie moŝna rozróŝnić na odcinku 1 mm w płaszczyźnie obrazowej. Zdolność rozdzielczą ustala się za pomocą specjalnych testów wzorcowych. W praktyce nie określamy zdolności rozdzielczej obiektywu, lecz układu obiektyw-materiał fotograficzny. Przysłona w aparacie fotograficznym nie tylko reguluje ilość światła wpadającą do wnętrza aparatu, ale wpływa na ogólny wzrost ostrości obrazu. Przy fotografowaniu obiektów przestrzennych naleŝy wprowadzić pojęcie głębi ostrości, czyli zdolności oddawania na materiale światłoczułym ostrych obrazów obiektów połoŝonych w rozmaitych odległościach od obiektywu, więc nieleŝących w płaszczyźnie nastawienia (rys. 7). Rys.7. Przyrost głębi ostrości [1] Wynika to z niedoskonałości oka ludzkiego, które nie dostrzega róŝnicy (z odległości dobrego widzenia 25 cm) w wymiarach plamek o średnicach: 0,05 mm, 0,10 mm, 0,15 mm. Wszystkie te plamki są dostrzegane jako jednakowo ostre obrazy punktu. Zmniejszanie wielkości otworu wejściowego obiektywu powoduje większy przyrost głębi ostrości poza miejscem, na które nastawiono ostrość (rys. 7). Przy fotografowaniu istotna będzie taka odległość, od której strefa ostrości będzie sięgała nieskończoności. Obszar od aparatu do 20

22 miejsca, w którym zaczyna się głębia ostrości przy nastawieniu obiektywu na nieskończoność przy danej wielkości przysłony nazywa się odległością hiperfokalną. Zasięg głębi ostrości zaleŝy od: długości ogniskowej obiektywu im krótsza ogniskowa tym większa głębia, otworu przysłony im mniejszy otwór tym większa głębia, odległości fotografowania im większa odległość tym większa głębia. KaŜdy obraz utworzony przez pojedynczą soczewką lub układ optyczny (obiektyw) naraŝony jest na szereg błędów, do których zaliczamy: a) aberrację chromatyczną, która spowodowana jest róŝnymi współczynnikami załamania promieni odpowiadających składowym barwom światła białego (rys. 8). Rys. 8. Aberracja chromatyczna obiektywu [1] Aberrację chromatyczną moŝna łatwo usunąć przez zastąpienie pojedynczej soczewki układem dwóch soczewek o róŝnych, lecz odpowiednio dobranych współczynnikach załamania. Taki układ soczewek nazywa się achromatem (rys. 9) i skupia promienie o róŝnych długościach fal w jednym ognisku. Rys. 9. Układ optyczny typu achromat [1] b) aberrację sferyczną, polegającą na tym, Ŝe wiązki światła symetryczne względem osi optycznej po przejściu przez obiektyw przecinają się nie w jednym punkcie lecz na pewnej powierzchni (rys. 10). Rys.10. Aberracja sferyczna [1] c) komę (rys. 11), polegająca na tym, Ŝe wiązka promieni wychodząca z punktu usytuowanego z dala od osi optycznej, tworzy po przejściu przez obiektyw plamkę w kształcie przecinka (rys. 12). 21

23 Rys. 11. Powstanie komy [1] Rys. 12. Obraz punktu [1] d) astygmatyzm występujący w obrazie punktów, których wiązki promieni padają skośnie do osi obiektywu (rys. 13). JeŜeli w tej wiązce wyróŝnimy promienie leŝące w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach to obrazy punktów utworzone przez promienie leŝące w płaszczyźnie poziomej i promienie leŝące w płaszczyźnie pionowej powstają w dwóch róŝnych płaszczyznach obrazowych. Rys. 13. Astygmatyzm [1] 22

24 e) krzywiznę pola, która sprawia, Ŝe obrazem płaszczyzny prostopadłej do osi optycznej jest powierzchnia sferyczna (rys. 14). Rys. 14. Krzywizna pola [1] f) dystorsję, polegającą na tym, Ŝe linie proste odwzorowane są jako linie krzywe co powoduje przesunięcie niektórych punktów. Wygięcie w kierunku do środka lub na zewnątrz zdjęcia zaleŝy od umieszczenia przysłony w obiektywie (rys. 15). Rys. 15. Dystorsja: a) dodatnia (poduszkowa), b) ujemna (beczkowata) [1] Obiektyw działa w zasadzie jak pojedyncza soczewka skupiająca. Ze względu na wymienione błędy pojedyncza soczewka (monokl) względnie dwie soczewki sklejone razem (achromat rys. 9) znajdują zastosowanie jedynie w najprostszych aparatach fotograficznych. Obecnie stosowane obiektywy są układami wielosoczewkowymi tworzonymi na drodze obróbki komputerowej. Przez dobór odpowiedniego rodzaju szkła oraz prawidłowe określenie krzywizn uŝywanych w obiektywach soczewek, współczesne obiektywy pomiarowe są praktycznie wolne od wpływu pierwszych pięciu błędów (od a do e ), a dystorsja jest spowodowana do wielkości minimalnych (kilka µm). 23

25 Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Do czego słuŝy obiektyw fotograficzny? 2. Co to jest ogniskowa obiektywu? 3. Co to jest otwór względny obiektywu? 4. Na jakiej zasadzie działa przysłona w obiektywie fotograficznym? 5. Jak dzielimy obiektywy ze względu na kąt widzenia? 6. Co to jest zdolność rozdzielcza obiektywu? 7. Co to jest głębia ostrości obiektywu i od czego zaleŝy? 8. Co to jest odległość hiperfokalna? 9. Jakie błędy obrazu powstają na skutek oddziaływania aberracji optycznych? 10. W jaki sposób umieszczenie przysłony w stosunku do przedmiotu wpływa na kształt dystorsji? Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Wykonaj zdjęcie klasycznym aparatem fotograficznym z uwzględnieniem głębi ostrości fotografowanych obiektów. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) wybrać w terenie obiekt fotografowany, 2) wykonać zdjęcie tego obiektu z tego samego miejsca przy zastosowaniu róŝnych przysłon, 3) wykonać zdjęcie przy odległości hiperfokalnej, 4) porównać wykonane zdjęcia z uwzględnieniem powstałej głębi ostrości, 5) opracować sprawozdanie techniczne z wybranego ćwiczenia. WyposaŜenie stanowiska pracy: klasyczny aparat fotograficzny, materiały fotograficzne, wywołane zdjęcia, papier formatu A4. Ćwiczenie 2 Wykonaj zdjęcia tego samego obiektu klasycznymi aparatami fotograficznymi o róŝnych ogniskowych. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś: 1) wybrać w terenie obiekt fotografowany, 2) wykonać zdjęcia obiektu z tego samego stanowiska fotografowania aparatami fotograficznymi o róŝnych ogniskowych, 3) porównać wykonane zdjęcia z uwzględnieniem treści kadru, 4) opracować sprawozdanie techniczne z wykonanego ćwiczenia. 24

26 WyposaŜenie stanowiska pracy: klasyczne aparaty fotograficzne o róŝnych ogniskowych, materiały fotograficzne, papier formatu A Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie 1) opisać obiektyw fotograficzny? 2) określić sposób ustalenia ogniskowej obiektywu? 3) określić źrenicę wyjściową obiektywu na podstawie otworu względnego? 4) opisać konstrukcję i zasadę działania przysłony? 5) zakwalifikować przykładowy obiektyw ze względu na kąt widzenia? 6) zdefiniować sposób określania zdolności rozdzielczej obiektywu? 7) określić głębię ostrości obiektywu? 8) określić odległość hiperfokalną dla danej płaszczyzny nastawienia? 9) rozróŝnić błędy obrazów optycznych utworzonych przez obiektyw? 25

27 4.4. Podstawy stereoskopii Materiał nauczania Mechanizm działania oka ludzkiego Oko ludzkie jest naturalnym przyrządem optycznym (rys. 16). Rys. 16. Budowa oka ludzkiego [1] Gałka oczna ma kształt zbliŝony do kuli o średnicy ok. 25 mm. Ścianka gałki ocznej składa się z trzech warstw: zewnętrznej (twardówki) chroniącej gałkę oczną przed szkodliwymi bodźcami mechanicznymi, środkowej (naczyniówki) przewodzącej naczynia krwionośne, wewnętrznej (siatkówki) uczulonej na światło. Twardówka, w przedniej części gałki ocznej przechodzi w przeźroczystą rogówkę, a naczyniówka w tęczówkę otaczającą źrenicę i silnie umięśnione ciałko rzęskowe. Soczewka oczna znajdująca się za przeźroczystą rogówką, połączona jest z ciałkiem rzęskowym za pomocą wiązadeł. Przestrzeń między rogówką a soczewką wypełnia płyn wodnisty, a wnętrze gałki ocznej galaretowata substancja zwana ciałem szklistym. Padające do oka promienie świetlne przenikają przez rogówkę, soczewkę i ciało szkliste i tworzą na siatkówce rzeczywisty, pomniejszony odwrócony obraz oglądanego przedmiotu, a otrzymane wraŝenie przenoszone jest za pośrednictwem nerwu wzrokowego do mózgu. Ustawienie ostrości w oku odbywa się przez zmianę kształtu soczewki ocznej, gdyŝ odległość między soczewką a siatkówką jest stała. Ta zdolność oka nazywa się akomodacją i pod jej wpływem ogniskowa oka ludzkiego zmienia się w granicach od 12 mm do 16 mm. Tęczówka i źrenica tworzą przesłonę regulującą ilość światła przenikającego do oka (przysłona w aparacie fotograficznym). ZwęŜanie i rozszerzanie się źrenicy następuje samoczynnie bez udziału woli ludzkiej tzw. adaptacja oka (w ciemności średnica źrenicy wynosi 7,5 mm, a przy intensywnym oświetleniu maleje do 1,8 mm). WaŜnym zjawiskiem jest nieświadoma zdolność skupienia uwagi układu nerwowowzrokowego na przedmiocie tzw. fiksacja. 26

28 Dzięki fiksacji i akomodacji uwaga wzrokowa skupia się na poszczególnych punktach i są one ostro odwzorowane na siatkówce oka. Siatkówka, czyli warstwa światłoczuła składa się z ok. 130 mln pręcików reagujących na bodźce świetlne i 7 mln czopków reagujących na barwy. Czopki reagują na barwę, jasność i ostrość obrazu, pręciki zaś na natęŝenie światła. Największe skupisko czopków występuje w plamce Ŝółtej a całkowity ich brak w plamce ślepej, czyli miejscu wyjścia nerwu wzrokowego z wnętrza gałki ocznej. Oko ludzkie obarczone jest jedynie błędem astygmatyzmu, natomiast brak ostrości widzenia (krótkowzroczność i dalekowzroczność) wynikają z faktu, Ŝe promienie świetlne po przejściu przez soczewkę oczną nie tworzą obrazu na siatkówce oka. Podstawy widzenia stereoskopowego Obserwacja jednym okiem (monokularna) umoŝliwia określenie kierunków do poszczególnych przedmiotów, nie pozwala jednak określić odległości do nich, jak teŝ i usytuowania w stosunku do innych przedmiotów. Określenie połoŝenia przedmiotów dokonujemy, więc w tym przypadku drogą pośrednią, przez porównanie wielkości ich obrazów. Dla normalnego oka obserwującego bliskie przedmioty odległość najlepszego widzenia wynosi 25 cm. Znacznie doskonalsze jest widzenie dwuoczne (binokularne), którego właściwością jest odczucie przestrzeni trójwymiarowej. Zdolność widzenia przestrzennego polega na tym, Ŝe ludzkie oko widzi obserwowany przedmiot jednocześnie z dwóch róŝnych punktów. Te dwa róŝniące się nieco obrazy, (rys. 17.) (lewy i prawy), kojarzą się w świadomości człowieka w jeden obraz przestrzenny. Rys. 17. Stereoskopowe figury geometryczne [opracowanie własne] W celu wyrobienia nawyku obserwacji stereoskopowej bez zastosowania specjalnych przyrządów optycznych wykonamy doświadczenie, w którym obserwujemy parę figur (rys. 17) z odległości dobrego widzenia (25 cm). OkaŜę się wówczas, Ŝe obydwa rysunki zaczynają oddalać się od siebie, a w środku, między nimi powstaje trzeci obraz. Obrazy po lewej i prawej stronie są obrazami płaskimi natomiast w środku powstaje model przestrzenny w kształcie piramidy. JeŜeli obserwację będziemy prowadzić w ten sposób, aby kaŝde oko widziało tylko jeden rysunek, to wówczas obydwa rysunki zaczną zbliŝać się do siebie i utworzą jeden obraz przestrzenny. Trening w obserwacji stereoskopowej wymaga uporu i cierpliwości, a czas uzyskiwania efektu stereoskopowego jest zaleŝny od predyspozycji obserwatora. Wynika stąd, Ŝe utrwalenie tych obrazów metodą fotograficzną, z pozycji jak je widzi lewe i prawe oko oddzielnie stwarza moŝliwość utworzenia modelu przestrzennego na podstawie dwóch płaskich obrazów danego przedmiotu. 27

29 Podczas obserwacji binokularnej oczy znajdują się w stałej odległości wzajemnej, nazywanej bazą oczną b (rys. 18). Rys. 18. Widzenie dwuoczne płaskie [3] Wielkość bazy ocznej (rys. 18.) odpowiada odległości pomiędzy środkami optycznymi soczewek O L i O P. Praktycznie moŝe ona być zmierzona pomiędzy środkami źrenic przy wzroku skierowanym na daleki punkt. Wielkość bazy ocznej waha się w granicach mm a przeciętnie wynosi 65 mm. Efektem fiksacji i akomodacji jest dostrzeganie dwóch róŝnych obrazów tego samego przedmiotu. Rys. 19. Widzenie stereoskopowe (przestrzenne) [3] Podczas obserwacji punktu P 1, znajdującego się w skończonej odległości d 1 (rys. 19.) promienie świetlne rzutują obraz punktu P 1 na siatkówkę lewego i prawego oka odpowiednio w punktach P 1 i P 1. Para tych promieni, leŝąca w płaszczyźnie zawierającej bazę oczną b wyznacza główną płaszczyznę obserwacji, a kąt γ 1 o wierzchołku w punkcie P 1, który tworzą osie oczu, nosi nazwę kąta konwergencji (zbieŝności). Dowolny inny punkt przestrzeni P 2 odwzorowuje się na siatkówce w punktach P 2 i P 2, a promienie odpowiadające tym punktom tworzą kąt γ 2 nazywany kątem paralaktycznym. Tak, więc kąt konwergencji jest szczególnym przypadkiem kąta paralaktycznego. RóŜnica kątów paralaktycznych γ = γ 1 γ 2 punktów przestrzeni jest doskonale wyczuwalna przez oko ludzkie i pozwala wnioskować o wzajemnym połoŝeniu punktów w przestrzeni. 28

30 Widzenie binokularne, przy którym jest odczuwana trójwymiarowość przestrzeni nazywamy widzeniem stereoskopowym. Zasięg stereoskopowego widzenia (odległość do obserwowanego punktu) obliczamy korzystając z zaleŝności między bazą oczną a kątem konwergencji d = b γ : tg 2 2 Przy bardzo małych kątach moŝemy wzór powyŝszy przedstawić w postaci: d = b γ Zdolność rozróŝniania wzajemnego połoŝenia dwóch blisko siebie połoŝonych punktów w przestrzeni określana jest mianem ostrości widzenia stereoskopowego. Graniczne wartości róŝnicy kątów paralaktycznych γ wynoszą i zaleŝą od właściwości fizjologicznych oczu, warunków obserwacji i charakteru obserwowanych przedmiotów. Ostrość stereoskopowego widzenia, wpływa na zasięg, czyli odległość, przy której obserwator odczuwa głębię przestrzeni. Maksymalna odległość, przy której odczuwamy róŝnicę odległości dwóch obiektów w przestrzeni jest przy minimalnej wartości γ. b dmax = V γ Przykład Obliczyć zasięg widzenia stereoskopowego obserwatora, którego baza oczna wynosi 65 mm, a ostrość widzenia stereoskopowego 10. Dane: b = 65 mm γ min = 10 b dmax = γmin γ min musi być przedstawione w mierze analitycznej (radianach) i wówczas min min b dmax = ρ" γ 65mm dmax = " 10" d max 1340 m Dla tego obserwatora wszystkie punkty znajdujące się poza zasięgiem widzenia stereoskopowego (1340m) wydają się być połoŝone w jednakowej odległości. Praktycznie przestaje się widzieć stereoskopowo juŝ przy odległościach rzędu m. Zasięg widzenia stereoskopowego moŝna powiększyć przez zwiększenie bazy obserwacyjnej oraz zmniejszenie wartości γ stosując odpowiednie układy optyczne. Przykładem instrumentu zwiększającego zasięg stereoskopowego widzenia jest lornetka pryzmatyczna (rys. 20). 29

31 Rys. 20. Bieg promieni w lornetce pryzmatycznej: b baza oczna, b 1 baza obserwacyjna [4] Zasięg stereoskopowego widzenia powiększy się z powodu zwiększenia bazy ocznej do bazy obserwacyjnej oraz zwiększenia ostrości widzenia stereoskopowego proporcjonalnie do powiększenia układu optycznego. Powstawanie i sposoby budowania modelu stereoskopowego Uzyskanie efektu stereoskopowego w warunkach kameralnych wymaga, aby zdjęcia tego samego terenu lub obiektu były wykonane za pomocą tego samego aparatu i w tym samym czasie z dwóch róŝnych stanowisk, odległych o wielkość B zwaną bazą fotografowania. Takie zdjęcia nazywamy stereogramem lub zdjęciem stereoskopowymi. Warunkiem widzenia przestrzennego dowolnego punktu odfotografowanego na zdjęciach tworzących stereogram jest połoŝenie tego punktu na płaszczyźnie zawierającej środki rzutów zdjęć oraz obrazy tego punktu na obydwu zdjęciach (rys. 21). Rys. 21. Elementy rdzenne zdjęć stereoskopowych 30

32 Płaszczyznę taką nazywamy płaszczyzną rdzenną. Prostą łączącą środki rzutów poszczególnych zdjęć, nazywamy osią rdzenna (znajduje się na niej baza B ). JeŜeli oś zdjęcia przebija płaszczyznę zdjęcia π 1 i π 2 w punktach R 1 i R 2 to punkty te nazywamy punktami rdzennymi. Proste łączące punkty rdzenne i obrazy identycznych punktów przestrzeni nazywamy promieniami rdzennymi r. Usytuowanie elementów rdzennych pozwala wnioskować o połoŝeniu kamery w momencie fotografowania, a zatem stanowi kryterium utworzenia poprawnego modelu stereoskopowego. Uzyskanie efektu stereoskopowego wymaga, aby w czasie obserwacji osie optyczne oczu były do siebie równoległe. Spełnienie tego wymagania nie jest łatwe przy obserwacji prowadzonej z odległości dobrego widzenia (25 cm), poniewaŝ osie optyczne oczu są wtedy zbieŝne i wykonują ciągłe wcięcie w przód. W związku z tym podstawą wszystkich sposobów tworzenia modelu stereoskopowego jest rozdzielenie obrazów lewego i prawego zdjęcia stereoskopowego. Model stereoskopowy moŝemy tworzyć następującymi sposobami: 1. Sposobem optycznym polegającym na rozdzieleniu promieni biegnących od lewego zdjęcia do lewego oka i promieni od prawego zdjęcia do prawego oka za pomocą specjalnych układów optycznych. Najpowszechniej stosowanym instrumentem fotogrametrycznym do obserwacji modelu przestrzennego jest stereoskop zwierciadlany (rys. 22). Rys. 22. Stereoskop zwierciadlany W skład układu optycznego wchodzą dwie pary zwierciadeł, nachylone pod kątem 45º w stosunku do płaszczyzny zdjęcia (rys. 23). 31

33 Rys. 23. Schemat stereoskopu zwierciadlanego Zestrojenie zdjęć do obserwacji polega na ustawieniu punktów głównych zdjęcia w odległości równej bazie stereoskopowej. Praktycznie wybieramy na zdjęciach te same szczegóły i przesuwając zdjęcia równolegle do bazy stereoskopu znajdujemy pokrycie się tych szczegółów (osiągamy maksymalny efekt stereoskopowy). W zaleŝności od ułoŝenia zdjęć względem siebie (rys. 24) moŝemy uzyskać następujące efekty stereoskopowe: Rys. 24. Przypadki ułoŝenia zdjęć pod stereoskopem I. Zdjęcia do obserwacji ułoŝone prawidłowo, otrzymujemy poprawny efekt stereoskopowy, zwany równieŝ efektem ortoskopowym. II. Zamiana miejsc zdjęciami, otrzymujemy efekt pseudoskopowy i jest on inwersją w stosunku do modelu poprawnego. W tych miejscach, w których fotografowany obiekt jest wypukły, na modelu przestrzennym będzie on wklęsły. III. Zdjęcia ułoŝone prawidłowo, lecz odwrócone o 180º, otrzymujemy efekt ortoskopowy o charakterze lustrzanego odbicia względem osi x w stosunku do modelu poprawnego. IV. Zdjęcia zamienione miejscami i obrócone o 180º, otrzymujemy efekt pseudoskopowy względem II. V. Zdjęcia ułoŝone prawidłowo i obrócone o 90º, otrzymujemy minimalny efekt stereoskopowy, a plastyka modelu jest zerowa. VI. Zdjęcia zamienione miejscami i obrócone o 90º, nie powstaje Ŝaden efekt przestrzenny. 2. Sposobem anaglifowym polegającym na wykorzystaniu anaglifów. Anaglif są to dwa zdjęcia tego samego przedmiotu, nałoŝone na siebie z niewielkim przesunięciem a następnie wydrukowane na jednym fotogramie w dwóch dopełniających się barwach (niebieskozielona i czerwona). Efekt przestrzenny uzyskuje się oglądając anaglif przez okulary wyposaŝone w filtry o takich samych barwach. Filtr pochłania barwy w swoim 32

34 kolorze, dzięki temu kaŝde oko widzi barwę przeciwną niŝ kolor filtru, a mózg przetwarza je na jeden trójwymiarowy obraz. W płaszczyźnie anaglifu (rys.25.) A-B punkty przestrzeni c odwzorowane są na czerwono jako punkty a i na niebiesko jako punkty b. Rys. 25. Widzenie przestrzenne na podstawie anaglifu [1] Punkty a wygaszą filtr czerwony (F c ) i widoczne są one przez punkt niebieski (F n ) a przeciwnie dzieje się z punktami b. Przy ustawieniu filtrów jak na rysunku uzyskujemy efekt ortoskopowy, a przy zmianie ustawienia filtrów uzyskujemy efekt pseudoskopowy. 3. Sposobem wirujących przysłon polegającym na przemiennym rzutowaniu obrazu lewego zdjęcia i prawego zdjęcia. W metodzie tej wykorzystuje się zasadę bezwładności oka ludzkiego mającego zdolność zachowania wraŝeń wzrokowych na siatkówce przez 1/10s. Szybkość zmian obrazu lewego i prawego jest tak dobrana, Ŝe obserwator odnosi wraŝenie spostrzeŝenia ciągłego. 4. Sposobem rastrów polegającym na równoczesnym rzutowaniu dwóch zdjęć tworzących stereogram, poprzez siatki linii równoległych, co prowadzi nie tylko do uzyskania modelu stereoskopowego, ale takŝe linii na tym modelu, które są odpowiednikami warstwic. 5. Sposobem holograficznym polegającym na wykorzystaniu przy budowaniu modelu stereoskopowego źródła światła spójnego, jakim jest laser. Otrzymane obrazy falowe tzw. hologramy (rys. 26) zapisywane są na materiałach o bardzo duŝej zdolności rozdzielczej ( linii/mm). 33

35 Rys. 26. Schemat otrzymywania hologramu [1] Metodą tą moŝna odtworzyć pełny obraz przedmiotu nawet wówczas, gdy hologram uległ zniszczeniu i zachował się jedynie jego niewielki fragment (nawet na niewielkiej części hologramu zawarta jest informacja przestrzenna o całym obiekcie) Pytania sprawdzające Odpowiadając na pytania, sprawdzasz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczenia. 1. Jak zbudowana jest gałka oczna? 2. Jak powstaje obraz w oku? 3. Co to jest akomodacja oka? 4. Co to jest adaptacja oka? 5. Co to jest fiksacja oka? 6. Czym róŝni się obserwacja monokularna od binokularnej? 7. Na czym polega zdolność widzenia przestrzennego? 8. Co to jest baza oczna i jak ją określamy? 9. Co to jest kąt konwergencji? 10. Od czego zaleŝy zasięg stereoskopowego widzenia? 11. W jaki sposób moŝemy powiększać zasięg stereoskopowego widzenia? 12. W jaki sposób uzyskujemy efekt stereoskopowy na podstawie zdjęć fotograficznych? 13. Co to jest płaszczyzna rdzenna? 14. Co to są punkty rdzenne? 15. Co to są promienie rdzenne? 16. Jaka zasada obowiązuje przy tworzeniu modelu stereoskopowego? 17. Jakimi sposobami moŝemy budować model stereoskopowy? 18. Jak zbudowany jest stereoskop zwierciadlany? 19. Jakie efekty stereoskopowe moŝemy uzyskać przy obserwacji dwóch zdjęć tworzących stereogram? 20. Co to jest anaglif? 21. Jakie efekty stereoskopowe moŝemy uzyskać przy obserwacji anaglifu? 34