KP, Fotogrametria cyfrowa, sem. 8, wykład 5 1

Transkrypt

1 Krystian Pyka Fotogrametria cyfrowa sem /08 Rozdzielczość zdjęć lotniczych Wybrane problemy współczesnej fotogrametrii lotniczej Rozdzielczość układu obiektyw film Kontrast, zakres dynamiczny Filtry w kamerach Porównanie kamer analogowych i cyfrowych Zdolność rozdzielczą zdjęcia lotniczego kształtują: - obiektyw - film i jego obróbka / GSD - rozmazanie obrazu spowodowane ruchem samolotu oraz jego drganiami - atmosfera W fotografii analogowej finalna zdolność rozdzielcza jest praktycznie równa rozdzielczości najsłabszego ogniwa którym jest sam film. Zdolność rozdzielcza obiektywu teoretyczna (dyfrakcyjna) zdolność rozdzielcza środkowa część obrazu: dowolne miejsce obrazu: p liczba przysłony (np.4) p=f:d R d maleje ze wzrostem długości fali λ dla λ=0,65µm, p=4, R d = 384 linii/mm (92 lp/mm) praktyczna zdolność rozdzielcza R d =,22λp R R d, r d, t = R cosα d 3 = R cos α w środku lp/mm, na brzegach lp/mm (tangencjalna < radialnej) AWAR (Area Weighted Awerage Resolution) 25 lp/mm dla kontrastu 00: lp/mm rozdzielczość maleje ze spadkiem kontrastu (2-3 razy dla kontrastu,6;) d Końcowa rozdzielczość analogowych zdjęć lotniczych (układ obiektyw-film) najsłabsze ogniwo film = 2 R I zdjęcia wykonane kamerą z kompensacją rozmazu ok. 40 lp/mm dla czarno-białych (emulsja panchromatyczna), ok. 30 lp/mm dla barwnych (emulsja wielowarstwowa) II zdjęcia wykonane kamerą bez kompensacji rozmazu ok. 30 lp/mm dla czarno-białych (emulsja panchromatyczna), ok. 25 lp/mm dla barwnych (emulsja wielowarstwowa) rozdzielczość jest wyraŝona w parach linii na milimetr (lp/mm), dotyczy obiektów o niskim kontraście,6:, dla kontrastu 00: rozdzielczość jest ok % wyŝsza 2 2 R ob R f wtórniki (kopie) oryginalnych zdjęć mają rozdzielczość niŝszą o około 0-20% ; + KP, Fotogrametria cyfrowa, sem. 8, wykład 5

2 Fragment metryki kalibracji kamery Kontrast a zdolność rozpoznania obiektu (detalu) na obrazie Zdolność rozpoznania obiektu na zdjęciu zaleŝy od: Rozdzielczości zdjęcia (piksel terenowy, skala) Wielkości obiektu w stosunku do GSD Kontrastu obiektu (detalu) z tłem Zakres dynamiczny DR (ang. Dynamic Range) DR = stosunek luminancji najjaśniejszego miejsca do luminacji najciemniejszego sceny sensora obrazu światło gwiazdy światło księŝyca oświetlenie pokojowe światło słoneczne rozproszone (cień) teren oświetlony bezpośrednio słońce [cd/m 2 ] Luminacje w świecie rzeczywistym Zakres dynamiczny (DR - Dynamic Range) sceny DR jaki występuje w obszarze sceny (krajobrazu) sensora DR jaki jest w stanie zarejestrować sensor - oko ludzkie : (stabilne spojrzenie w określonym kierunku) - * ) kamery analogowe 000: - kamery cyfrowe > 2000: (2 =2048) - * ) skanery 000: 3D; 2500: 3.4D obrazu rzeczywistego (np. na monitorze) - DR jaki występuje w obszarze obrazu wirtualnego (plik obrazowy) - DR = max G / min G kodowanie na 256 poziomach: DR = 256: * ) gęstość optyczna = log0 (L in /L out ) g.o. 3D oznacza Ŝe L in /L out =0 3 Detektory, zarówno fotochemiczne jak i elektroniczne, charakteryzują się nieliniowym przetworzeniem mierzonego napromienienia. ZaleŜność pomiędzy energią pobudzającą system obrazowania a jasnościami pikseli obrazu cyfrowego moŝna zapisać w postaci: G = A H + γ B H napromienienie mierzone przez detektory sensora (pobudzenie systemu obrazowania); G jasność piksela obrazu cyfrowego (odpowiedź systemu obrazowania); γ współczynnik gamma; dla metody fotochemicznej gamma ujemne oznacza pozytyw, gamma dodatnie- negatyw; A, B współczynniki proporcjonalności i przesunięcia pomiędzy pobudzeniem i odpowiedzią. KP, Fotogrametria cyfrowa, sem. 8, wykład 5 2

3 Czułości spektralne filmu i matryc CCD czułość względna SŁOŃCE CZŁOWIEK FILM CCD 0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9,0,,2,3 UV IR ( podczerwień ) λ [µm] Halogenki srebra są czułe na fale niebieskie; w wyniku barwienia halogenków (sensybilizacja) udaje się uczulić je na inne barwy; współczesne filmy mają barwoczułość zbliŝoną do oka ludzkiego. Elementy CCD osiągają maksimum czułości dla bliskiej podczerwieni. W celu dostosowania tej charakterystyki do czułości spektralnej oka ludzkiego stosuje się w kamerach odpowiednie filtry optyczne. na podstawie: Tadeusiewicz Filtry w fotografii lotniczej złagodzenie wpływu mgiełki atmosferycznej poprzez odcięcie rozpraszanego w atmosferze krótkofalowego zakresu światła (ultrafioletu i niebieskiego), - dla filmu panchromatycznego filtr zwiększa kontrast, - dla barwnego równowaŝy barwy (redukcja zaniebieszczenia), odcięcie zakresu widzialnego dla zdjęć w podczerwieni, konieczność uŝywania filtrów rośnie wraz z wysokością fotografowania, filtry wydłuŝają czas naświetlania (tzw. krotność filtru) Mgiełka atmosferyczna rozproszenie krótkofalowego promieniowania (ultrafiolet prawie w 00%) spotęgowane przez obecność aerozoli. Promieniowanie odbite ulega osłabieniu a dodatkowo sensor rejestruje promieniowanie rozproszone (światło atmosfery, nieboskłon) efektem jest obniŝenie kontrastu i zaniebieszczenie zdjęć (problem rośnie z wysokością lotu: mały do 500m, bardzo duŝy >4000m) Ale są i korzyści: światło rozproszone oświetla cienie. W uŝyciu są następujące lotnicze kamery fotogrametryczne: RC 20, RC 30 - LEICA, RMK TOP - CARL ZEISS (od 998 Carl Zeiss + Intergraph = Z/I) Kamery analogowe LMK, LMK 000, LMK 2000, LMK CARL ZEISS JENA (koniec produkcji) Spełniają warunki: obiektywy o dystorsji zredukowanej do wartości rzędu 2 3 µm i średniej zdolności rozdzielczej rzędu par linii/mm, system do wypłaszczania filmu, cykl pracy kamery poniŝej 2 sek., system kompensacji rozmazania obrazu (z tytułu ruchu postępowego samolotu) (FMC - Forward Motion Compensation), moŝliwość zamontowania na stabilizowanym podwieszeniu utrzymującym oś kamery w pozycji pionowej z dokładnością rzędu 0.5 o oraz moŝliwość współpracy z systemem nawigacyjnym GPS i z systemem pomiaru EOZ w momencie ekspozycji (fabryczna realizacja: RC30, RMK TOP). Images for data acquisition Very clear trend to digital cameras array camera Z/I DMC Vexcel Applanix DSS DIMAC pixels 7680 x x x 4077 up to 4 times 4080 x 5440 DMC small format in flight direction pixel size 2 µm focal length 20mm 00mm 55mm or 35mm 60mm 50mm DSS DIMAC connection with up to 4 independent cameras GPS + IMU KP, Fotogrametria cyfrowa, sem. 8, wykład 5 3

4 Digital Modular Camera array camera Z/I DMC Vexcel Applanix DSS DIMAC pixels 7680 x x x 4077 up to 4 times 4080 x 5440 pixel size 2 µm focal length 20mm 00mm 55mm or 35mm 60mm 50mm array camera image size [mm] H/B (60%) Z/I DMC 92,2 x 65,9 3,2 Vexcel 67,5 x 03,5 3,7 H ck = B ( p) a 92 mm 66 mm GEOMETRIC ACCURACY POTENTIAL OF THE DIGITAL MODULAR CAMERA Liang Tang, Christoph Dörstel, Karsten Jacobsen, Christian Heipke3, Alexander Hinz KP, Fotogrametria cyfrowa, sem. 8, wykład 5 4

5 Digital array cameras analogue cameras Information contents Photo from analogue camera resolution ~ 40 lp/mm ~80 pixels/mm 230mm format ~ pixels DMC 43% in flight direction compensated by number of images 76% across flight direction compensated by better image quality 4% / 62% DSS 22% / 22% used with direct sensor orientation DIMAC 22% / 30% DSS and DIMAC economic only for small projects DMC can be compared with analogue photos in flight direction more images, across the number of pixels correspond to 30 lp/mm by the better quality of digital images (no film grain) this corresponds to analogue photos in flight direction 94% of DMC, across 82% but less expensive Digital array cameras analogue cameras Accuracy Horizontal accuracy: SX = SY ~ /3 ground sample distance (GSD) image scale not important only GSD e.g. swath width = 2.3km ( corresponds to analogue image scale :0 000) DMC GSD=6cm SX=SY~5cm GSD=20cm SX=SY~7cm analogue camera SX=SY~0cm (Sx =0µm) Vertical accuracy: SZ = h/b * Spx Spx [GSD] ~ /3 GSD e.g. swath width = 2.3 km analogue camera wide angle: f=53mm DMC h/b=3. SZ~SX*3. = 5cm h/b=3.7 SZ~SX*3.7 = 26cm analogue camera SZ~SX*.6 = 6cm (Spx=0µm) DMC: with same swath width like analogue camera: better horizontal, same vertical accuracy : better horizontal, less vertical accuracy (:.6) line camera Leica ADS40 Starlabo StarImager Digital line scan cameras pixels 2 x 2000 staggered 4400 pixel size 6.5µm 5µm Staggered CCD-lines view direction in flight direction -6, nadir, 26-23, nadir, 7 c k =62,5 mm field of view across Leica ADS40 f=62.5mm 4 colour bands with 2000 pixels 3 view directions panchromatic has to be connected to direct sensor orientation (GPS + IMU) from h=3km swath=3.75km pixel size on ground = 3cm pan: GSD=6cm colour: GSD=3cm H=3000m M z =3000 / 0,062 M z x 0,0065mm =3cm GSD ms =3cm GSD pan =6cm Wielkość GSD w kierunku lotu zaleŝy od V samolotu, konieczna synchronizacja V x,2ms = GSD min,2 ms czas odczytu linii obrazu (moŝe być dłuŝszy) KP, Fotogrametria cyfrowa, sem. 8, wykład 5 5

6 Comparison digital array camera digital line scan camera Company 300 Inc, USA equipped with Z/I DMC and Leica ADS40 ADS40 is an ortho-engine - optimal conditions for the generation of ortho-images Z/I DMC used for mapping projects Imaging GSD 5cm 2m with ADS40 (GSD of product) Imaging GSD 4cm 5cm with DMC In general total project costs with digital cameras ~ 5% below costs for analogue cameras - no film, no film scanning, faster turn around, better image quality, no scratches KP, Fotogrametria cyfrowa, sem. 8, wykład 5 6