Материал: 2385

4. Источники цифровых изображений

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. 6.2; наличие 24-х уровней квантования обеспечивает получение цветного изображения (3 канала по 8 бит).

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. 6.6): 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

92

Рис. 6.6. Фотограмметрический

сканер «Дельта» (Украина)

временные съемочные системы предусматривают одновременное применение нескольких ПЗС-линеек, каждая из которыхформирует изображение по определенномунаправлению (рис. 6.7, 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 (High Resolution Stereo Camera) 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.

5. Стереоскопические наблюдения и измерения цифровых

изображений

Стереоскопические наблюдения двух изображений возможны при выполнении условий, полностью соответствующих сформулированным в Главе 6 и касающихся съемки с двух различных точек пространства, разномасштабности изображений, величины угла конвергенции главных оптических осей и тому подобное. Одним из основных условий получения стереоэффекта является требование наблюдения каждого снимка только одним глазом.

Как и в случае наблюдения аналоговых снимков, основными способами получения стереоскопического эффекта являются анаглифический, затворный, оптический и др., получившие в компьютерном исполнении новые возможности. Их реализация учитывает ряд особенностей работы с цифровыми изображениями, в частности: простота геометрических и фотометрических преобразований, формирование изображения на экране монитора с покадровым (page-flipping) или построчным (interlace) режимом выводом, наличие видеопамяти и др.

Анаглифический способ стереоскопических наблюдений не предполагает наличия какого-либо специального оборудования в виде плат или адаптеров, и требует наличия

наблюдатель видит пространственную модель местности, механизм возникновения которой был рассмотрен ранее применительно к получению стереомодели по аналоговым снимкам. В первом случае наблюдатель видит «разреженное» изображение, что снижает точность стереоскопических измерений, а во втором – цвет и оптическая плотность каждого пикселя суммарного изображения (элемента монитора), формируемые в зависимости от цвета и плотности накладывающихся пикселей изображений, что неизбежно ведет к некоторым потерям четкости. Однако в обоих случаях каждый глаз

94

наблюдателя видит только одно изображение, что и вызывает возникновение стереоскопической модели местности.

Затворный способ получения стереоскопического эффекта основан на специфике представления изображения на экране монитора и предполагает применение специальных

затворных (жидкокристаллических) очков с LCD-затворами (Liquid Crystal Display)

различных типов (ИБИК, NuVision, и др.), в которых стекла становятся прозрачными поочередно, в соответствии со сменой видеостраниц на экране монитора. Сущность способа заключается в следующем.

Изображения левого и правого снимков формируются на страницах видеопамяти и поочередно выводятся на экран монитора. Наблюдения выполняются через очки, представляющие собой пару плоскопараллельных пластин с заключенным между ними слоем жидкого кристалла, который при воздействии на него электрического импульса может изменять интенсивность проходящего через него света так, что в каждый момент времени наблюдатель воспринимает изображение на экране монитора только одним глазом, левым или правым. Поскольку смена страниц видеопамяти на экране монитора синхронизирована с изменением прозрачности пластин затворных очков при помощи специального канала связи, то наблюдатель видит либо прямой стереоэффект, либо обратный. Для смены прямого стереоэффекта на обратный и наоборот нужно изменить фазу, управляющую последовательностью вывода страниц видеопамяти.

Покадровый (page-flipping) режим стереонаблюдений предполагает поочередный вывод на экран левого и правого изображений синхронно со сменой прозрачности пластин затворных очков, установленных перед левым и правым глазом. Вывод полных изображений обеспечивает получение более высокого качества стереоизображения, но требует в целях обеспечения комфортности наблюдений для глаз достаточно высокой вертикальной частоты монитора (не менее 120 герц).

Построчный (interlace) режим стереонаблюдений предполагает деление кадра на два полукадра с чётными и нечетными строками соответственно. Правое и левое изображения стереопары выводятся на экран поочередно в «чётном» и «нечётном» полукадре, а синхронизируемые с вертикальной разверткой монитора затворные очки позволяют наблюдать два изображения «одновременно» и таким образом проводить стереоизмерения. Необходимым условием комфортной для глаз работы в этом режиме является достаточно высокая вертикальная частота монитора (как минимум 75 герц на «каждый глаз» – то есть примерно 150 герц при переключении в интерлейс).

реоприставки, устанавливаемой перед монитором. Это обеспечивает возможность наблюдения стереоскопической модели местности и ее измерения, минуя неизбежные потери света при использовании некоторых других способов и приспособлений.

95

Имеются и другие способы получения стереоскопического эффекта по паре цифровых изображений, например, поляроидный, адаптированный к компьютерному построению модели и др.

Измерение построенной рассмотренными выше способами стереоскопической модели выполняют, как и в случае использования аналоговых изображений, монокулярным и стереоскопическим способами.

Монокулярный способ измерений используют при нанесении на снимки опорных точек, внутреннем ориентировании снимков и др. Применительно к обработке цифрового изображения монокулярные измерения сводятся к опознаванию нужной точки путем наведения на нее маркера, заменяющего измерительную марку стереокомпаратора. Считывание координат точки в системе растрового изображения oPxPyP (рис. 6.2) и преобразование их в ту или иную систему выполняется в автоматическом режиме.

Стереоскопические измерения выполняют способом мнимой марки, в качестве которой используют курсор, причем, оператор может выбрать любой из доступной палитры цвет его изображения, размер и форму (точка, крест, прицел, косой крест и пр.). С помощью специальных технологических приемов точность стереоскопических измерений может быть повышена до ⅓ ¼ от величины геометрического разрешения цифровых снимков.

6. Автоматическая идентификация точек цифровых снимков

(коррелятор)

Первые исследования в области автоматизации стереоскопических измерений были выполнены в МИИГАиК профессором А. С. Скиридовым в 1924–1932 гг. Полагая изображения достаточно малых участков снимков стереопары подобными, он предложил преобразовывать эти участки в электрические сигналы и, анализируя их, отождествлять (идентифицировать) соответственные точки. В то время это не получило развития из-за отсутствия технических средств, и в 1960 г. А. С. Скиридов возобновил свои исследования, приступив вместе с Г. Д. Федоруком к созданию изогипсографа – прибора для автоматической рисовки горизонталей.

Первый автоматизированный прибор, доказавший принципиальную возможность решения этой задачи, был разработан в 1950-х гг. по предложению Гаррисона фирмой Бауш и Ломб совместно с Научно-исследовательским топографическим отделом инженерных войск США. В последующем эти идеи были воплощены в целой серии фотограмметрических приборов – Стереомате (США), Аналитическом стереоприборе ОМИ-НИСТРИ (Канада), Аналитическом фотокартографе (СССР) и др.

Новый импульс получили идеи автоматизации с появлением ПЭВМ, дешевой электронной памяти, высокоточных сканеров и развитием теории машинного зрения. Применение этих и ряда других достижений науки и техники открыло путь к автоматизации широкого круга фотограмметрических задач, основанных на автоматической идентификации точек на перекрывающихся снимках.