SPŠS Č.Budějovice Obor Geodézie a Katastr nemovitostí 4.ročník DIGITÁLNÍ SNÍMEK DIGITÁLNÍ KAMERY A SKENERY

Transkript

1 SPŠS Č.Budějovice Obor Geodézie a Katastr nemovitostí 4.ročník DIGITÁLNÍ SNÍMEK DIGITÁLNÍ KAMERY A SKENERY

2 DIGITÁLNÍ SNÍMEK Digitální obraz vzniká 1.Přímo v digitální podobě primární získání digitálního obrazu je umožněno konstrukcí přijímacího zařízení (elektronické prvky reagující na světlo uspořádané do matic snímač CCD) rozlišení je dnes srovnatelné s rozlišením fotografických materiálů kvalitnější digitální komory jsou drahé 2.Digitalizací analogového obrazu (mapy apod.) - skenování probíhá na pevných laboratorních skenerech přesnost závisí na typu skeneru a jeho rozlišení po skenování se digitální obraz ukládá a dále zpracovává ve zvoleném grafickém formátu (TIFF, PCX, IMG, GIF, JPEG, BMP apod.)

3 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU Digitální obraz se skládá z jednotlivých pixelů z anglického picture elements nabývajících určitých hodnot podle možností snímače a kódování

4 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU PŘÍMÁ METODA snímač CCD - nejběžnějším typ snímače Charge Coupled Device - je elektronická světlocitlivá součástka používaná pro snímání obrazové informace. ve videokamerách, digitálních fotoaparátech, faxech, scannerech, čtečkách čárových kódů, ale i řadě vědeckých přístrojů, jakými jsou například astronomické dalekohledy (včetně Hubbleova dalekohledu). využívá fyzikálního jevu známého jako fotoefekt. Tento jev spočívá v tom, že částice světla foton při nárazu do atomu dokáže převést některý z jeho elektronů ze základního do tzv. excitovaného stavu (kdy elektrony v elektronovém obalu atomu jsou přeneseny do vyšších energetických hladin)

5 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU PŘÍMÁ METODA Činnost lineárního (řádkového) CCD snímače se skládá ze tří fází: Příprava CCD - z CCD jsou bez přístupu světla odebrány všechny volné elektrony, čímž je z něj smazán jakýkoliv zbytek předchozího nasnímaného obrazu. Expozice obrazu - na elektrody označené na obrázku číslem 1 se přivede kladné napětí a na CCD se nechá působit světlo. Dopadající fotony excitují v polovodiči elektrony, které jsou pak přitahovány ke kladně nabitým elektrodám. Po elektronech zbudou v polovodiči tzv. díry, které vůči svému okolí vykazují kladný náboj a ty jsou naopak přitahovány elektrodou na spodku CCD. Hranice pixelů jsou na obrázku znázorněny svislými tečkovanými čarami. Protože na pixel vlevo dopadlo více fotonů, je u jeho elektrody shromážděno více elektronů než u pixelu vpravo.

6 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU PŘÍMÁ METODA Snímání obrazu - po uzavření závěrky se začne na množiny elektrod 1, 2 a 3 přivádět trojfázový hodinový signál. To v praxi znamená, že na elektrodách 2 se začne pozvolna zvyšovat napětí, zatímco na elektrodách 1 se souběžně snižuje. Díky tomu jsou shluky elektronů přitahovány pod elektrody 2. Následně se celý děj opakuje mezi elektrodami 2 a 3, dále mezi 3 a 1 a tak stále dokola. Shluky elektronů z jednotlivých pixelů se tak posouvají přes sousední pixely směrem k výstupnímu zesilovači (na obrázcích vpravo). Tento zesilovač pak zesílí malý proud odpovídající počtu nachytaných elektronů v jednotlivých pixelech na napěťové úrovně vhodné pro další zpracování obrazu.

7 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU PŘÍMÁ METODA Plošné (maticové) CCD - ve většině zařízení (kamery, digitální fotoaparáty atd.) je ovšem třeba snímat dvojrozměrný obraz najednou. Základní konstrukce dvojrozměrného CCD je pouhým spojením mnoha lineárních CCD na jediném čipu. Namísto toho, aby náboje na koncích řad vstupovaly do obrazových zesilovačů, vstupují ovšem do dalšího lineárního CCD, které je k řadám kolmé a tímto CCD teprve postupují k jedinému zesilovači na jeho konci. Existuje ovšem celá řada daleko složitějších konstrukcí dvourozměrných CCD snímačů jejichž cílem je zlepšení užitných vlastností součástky (například zrychlení čtení).

8 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU PŘÍMÁ METODA Snímání barevného obrazu - Barevný obraz se snímá pomocí CCD prvků v zásadě dvěma metodami. Tříčipové uspořádání - použijí se pro tři základní barvy RGB tři samostatné CCD snímače, před které se umístí příslušné barevné filtry, Barevný CCD snímač (jednočipové snímání) - barevné filtry se umístí v šachovnicovém vzoru přímo před jednotlivé pixely jediného CCD snímače. tříčipové uspořádání Barevný CCD snímač

9 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU PŘÍMÁ METODA Plošný barevný CCD snímač Detail

10 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU PŘÍMÁ METODA Primární digitální obraz vytvářený elektro-optickým skenerem s řádkou CCD (skenující radiometr DPZ) a digitální komorou s maticí CCD (fgm) Maticové skenery: větší hloubka obrazu (radiometrické rozlišení) lepší výsledky obrazové korelace snazší potlačení atmosférických vlivů nejsou ovlivněny smazem Snímání řádkovým a maticovým CCD snímačem

11 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU KAMERY

12 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU KAMERY Specifické parametry digitálních komor pro leteckou FTM definují matematický model, který se používá při transformaci snímků Digitální komora ADS 40 (LH Systems) Leica RCD30 UltraCam Osprey DMC (Digital Mapping) Camera - Z/I Imaging UltraCam Eagle

13 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU SKENOVÁNÍ Principy snímání (skenování) obrazu buben plošina CCD lineární snímač CCD plošný snímač

14 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU SKENOVÁNÍ Pro potřeby fotogrammetrie je nutné používat profesionální ftm skenery. Princip skenování spočívá v tom, že ve spodní části je umístěna digitální kamera s plošným CCD čipem. Nad objektivem kamery je pohyblivý nosič snímků a v nejvrchnější části je vyústění světlovodu. Obraz je tedy snímán po čtvercích, které představují jeden záběr digitální kamery. Maximální rozlišovací schopnost skeneru závisí na použité kameře a pohybuje se od 4-15 mikrometru. Jeden barevný letecký snímek se skenuje 7-9 minut s rozlišením 12.5 mikrometru a černobílý snímek pod 4 min. Digitální fotogrammetrický skener DSW500 firmy LH Systems

15 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU SKENOVÁNÍ PhotoScan TD (Z/I Imaging) Přesnost skenování: geometrická radiometrická U těchto fotogrammetrických skenerů je porváděna kalibrace skenerů. Hustota skenování ve ftm je v mikrometrech. PhotoScan TD (Z/I Imaging) Skenery mohou provádět řadu předzpracování např. subpixelová interpolace, radiometrické úpravy, aerotriangulace)

16 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU SKENOVÁNÍ Vztah mezi hustotou skenování a velikostí souboru Rozměr pixelu [µm]=25400 / rozlišení v DPI Rozlišení v DPI =25400 / Rozměr pixelu [µm]

17 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU SKENOVÁNÍ Vztah mezi hustotou skenování a velikostí souboru

18 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU SKENOVÁNÍ Vztah mezi hustotou skenování a velikostí souboru

19 VZNIK DIGITÁLNÍHO OBRAZU SKENOVÁNÍ Vztah mezi hustotou skenování a velikostí pixelu (na zemském povrchu v metrech ground sample distance - GSD) pro různá měřítka letecké fotografie

20 PROSTOROVÉ ROZLIŠENÍ DIGITÁLNÍCH SNÍMKŮ Prostorové rozlišení digitálních snímků Rozměr, který pixel reprezentuje na zemském povrchu - ground sample distance GSD K detekci je třeba, aby byl nejdelší rozměr objektu reprezentován alespoň třemi pixely K interpretaci je třeba, aby byl objekt reprezentován alespoň pixely

21 PROSTOROVÉ ROZLIŠENÍ DIGITÁLNÍCH SNÍMKŮ Prostorové rozlišení digitálních snímků K detekci je třeba, aby byl nejdelší rozměr objektu reprezentován alespoň třemi pixely K interpretaci je třeba, aby byl objekt reprezentován alespoň pixely

22 PROSTOROVÉ ROZLIŠENÍ DIGITÁLNÍCH SNÍMKŮ Prostorové rozlišení digitálních snímků

23 Formáty digitálního LMS, komprese dat Dříve - standard - formát TIFF, GeoTIFF Nativní formáty jednotlivých SW řešení PIX, IMG, Stále více se prosazují kompresní formáty a algoritmy: LZW komprese používaná v běžném formátu TIFF JPEG algoritmus DCT - Fourierovy JPEG2000 možno využívat jako ztrátový i bezztrátový, dekomprese části obrazu podle různého měřítka, různě nastavitelný stupeň komprese pro různé části obrazu. ECW (Enhanced Compression Wavelet) MrSID (Multi-Resolution Seamless Image Database)

24 OBRAZOVÁ PYRAMIDA Jedná se o převzorkování obrazu na několik úrovní menšího rozlišení, které jsou používány v přehledovém režimu (Overview) Nižší úrovně poskytují více detailů, vyšší úrovně reprezentují celou plochu v přehledu Jednotlivé úrovně se tvoří postupným shlazováním nízkopásmovými filtry nebo výběrem n-tého pixelu