Характеристики цифровых изображений

Растровое изображение характеризуется геометрическим, пространственным, спектральным, радиометрическим разрешением и не- которыми иными параметрами. Геометрическое разрешение (∆) является мерой разрешающей способности экрана компьютера, принтера или цифрового изображения, полученного путем сканирования аналогового снимка. Оно всегда относится непосредственно к изображению, представляет собой линейный (в мкм) или относительный (в dpi – dots per inch, количество точек на дюйм) размер пиксела в пространстве изображения и определяет его детальность, точность вычислительной обработки, возможности преобразования, увеличения и пр. При получении цифрового изображения путем сканирования аэронегатива его геометрическое разрешение (размер пиксела) определяется в соответствии с требованиями действующей инструкции по фотограмметрическим работам и с учетом нескольких критериев, в частности: • требуемой точности определения плановых координат точек XY VSM m VS Kt ∆ = 0,5 = 0.5 ; • требуемой точности определения высот точек , f V (bm) ∆Z = 0 5 Z ; • сохранения разрешающей способности исходного снимка: ∆R = 0,4 R ; • обеспечения требуемого разрешения графических фотопланов (ортофотопланов) ∆P = 70M m = 70 Kt , (1.4) где M, m – знаменатели масштабов создаваемого плана и аэроснимка соответственно; VS, VZ – требуемая точность определения плановых координат и высот точек в метрах; R – разрешающая способность исходного снимка (линий на мм); f, b – фокусное расстояние съемочной камеры и базис фотографирования в масштабе снимка (мм). Значения VS и VZ принимаются равными 0,2 мм в масштабе создаваемого плана и 1/5 сечения рельефа соответственно. При M = 2000, m = 10000, f = 100 мм, b = 70 мм, R = 40 линий на мм и сечении рельефа h = 1,0 м будем иметь: ∆XY=0,5×0,2/5=0,02 мм = 20 мкм; ∆Z=0,5×100×0,2×1000/(70×10000)=0,014 мм =14 мкм; ∆R=0,4/40=0,01 мм = 10 мкм; ∆P=70/5=0,014 мм = 14 мкм. При учете всех перечисленные выше критериев сканирование нужно выполнять с разрешением 10 мкм, или 25600/10 = 2600 dpi. Заметим, что теоретически возможная разрешающая способность объектива может достигать 350–400 линий на миллиметр (около 2,5 – 3,0 мкм), что соответствует разрешающей способности изображения порядка 4–5 мкм. 29 Максимальное геометрическое разрешение, обеспечиваемое сканером, достигает 4 – 6 мкм. Пространственное разрешение (LR) характеризует размер наименьших объектов, различимых на изображении, полученном с помощью съемочной системы авиационного или космического базирования. Оно определяется мгновенным полем зрения детектора IFOV (Instantaneous Field Of View), спроектиро- ванным на земную поверхность. Так что угловая величина IFOV является мерой фрагмента местности, проецированного через единственный детектор в конкретный момент времени и изображаемого одним пикселом. Если направление обзора съемочной системы направлено в надир (отвесно), то величина пространственного разрешения связана с геометрическим разрешением ∆, фокусным расстоянием оптической системы f и высотой полета носителя H известной в фотограмметрии формулой (рис. 1.14): f H LR = ∆ . (1.5) Однако если направление обзора составляет с отвесной линией некоторый угол β (рис. 1.14), то пространственное разрешение при неизменной величине углового (IFOV) оказывается различным в направлении полета (L′RX) и перпендикулярно к нему (L′RY): ′ = β ′ = β2 / cos , / cos LRX LR LRY LR . (1.6) Как показывают расчеты значений L′RX и L′RY при различных величинах угла β (табл. 1.3), фактическое разрешение реальных снимков может оказаться существенно отличающимся от разрешения в надир, что необходимо учитывать при приобретении снимков и планировании соответствующих работ. Пространственное разрешение цифровых изображений, полученных съемочными системами авиационного базирования, при соответствующем фокусном расстоянии и высоте съемки может достигать 5 – 10 см. Связь разрешения с отклонением направления обзора от надира H f w IFOV LR L′RY L′RX β X30. Радиометрическое разрешение зависит от динамического диапазона светочувствительного датчика и определяет число уровней квантования яркости исходного изображения. Для его определения весь диапазон яркостей (максимальный заряд потенциальных ям) делится 2n частей (2, 4, 8, …, 256, …), называемых уровнями квантования. Радиометрическое разрешение изображения обозначается числом бит (т. е. показателем степени n) и для современных цифровых камер достигает 12 - 14 бит. В бинарном изображении используется два уровня квантования, и в нем представлены только белый и черный цвета. В полутоновом (панхроматическом) изображении используется, как правило, 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 255 полутонового (при 256 уровнях квантования). Спектральное разрешениецифровых изображений характеризует количество регистрируемых спектральных зон, их ширину, размещение по электромагнитному спектру и измеряется в нанометрах (нм) или микрометрах (мкм). Регистрируемая зона может быть достаточно широкой, как, например, единственная зона панхроматического снимка (0,4 – 0,7 мкм), или узкой, как, например, красная зона (0,63 – 0,69 мкм). Наиболее высокое спектральное разрешение (порядка 10 нм) имеют снимки, полученные с помощью гиперспектрального радио- метра. Чем шире зона, тем ниже спектральное разрешение, тем меньше вероятность обнаружения интересующего объекта. Съемка чаще всего выполняется в панхроматическом (Pan), синем (B), зеленом (G), красном (R) и ближнем инфракрасном (NIR) спек- тральных диапазонах. Выбор названных диапазонов объясняется свойствами полупроводника (кристалла кремния), использованием при компьютерной обработке цветных изображений палитры RGB и широкими возможностями их дешифрирования в инфракрасном (тепловом) диапазоне. Красный, синий и зеленый диапазоны палитры RGB, используются для синтеза цветных изображений; их комбинация с ближним инфракрасным диапазоном дает мультиспектральное изображение, широко используемое для дешифрирования и решения многочисленных тематических задач. При этом нужные оттенки передаются путем смешивания трех основных цветов различной интенсивности: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Так, сочетание красного цвета с зеленым дает желтый цвет; зеленого с синим – голубой; синего с красным – оранжевый, а всех трех цветов – белый. Для представления одного элемента бинарного изображения необходим 1 бит; полутонового с 256 уровнями квантования – 8 бит (1 байт), цветного с тем же числом уровней квантования интенсивности цветов – 24 бита (3 байта), а цветного и инфракрасного – 32 бита (4 байта).

Преобразование цифровых изображений

В общем случае цифровые изображений могут быть подвергнуты самым различным преобразованиям, начиная от простейшей регулировки яркостных характеристик на экране компьютера и заканчивая изменением его геометрического разрешения и вычислением яркостей искусственно созданных пикселов. Характер таких преобразований всецело определяется решаемыми задачами и заключается в улучшении тех или иных характеристик изображения на основе спектральных или пространственных преобразований, трансформировании его в заданную проекцию, выявлении объектов требуемых типов или их групп, получении специализированной или комплексной характеристики местности и др. Модели преобразований построены с учетом того, что яркость каждого пиксела относится к его центру, а яркости иных его точек определяются в зависимости от яркостей окружающих.