SUB-PIXELOVÁ ANALÝZA

Transkript

1 Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Fakulta životního prostředí SUB-PIXELOVÁ ANALÝZA Vypracovali: Iveta Holá, Pavel Stránský Předmět: Dálkový průzkum Země Obor: OŽP-P, Most III.roč. Únor, Březen 2006

2 Obsah: Dálkový průzkum Země (DPZ) Dálkový průzkum (Remote sensing - RS) ve všeobecném chápání je každé získávání informací o objektu zkoumání z dálky - bez přímého kontaktu s ním. Podle definice přijaté na 16. kongresu ISPRS (International Society for Photogrammetry and Remote Sensing) v roce 1988 je dálkový průzkum Země umění, věda a technologie na získávání spolehlivých informací o fyzikálních objektech a jejich okolí pomocí záznamu, měření a interpretace snímků a digitálních záznamů, které se získávají pomocí nekontaktních snímacích systémů. Dálkový průzkum Země využívá množství technologických nástrojů, jeho teorie sahá od fyzikální podstaty elektromagnetického záření a jeho interakce s různými materiály přes způsoby snímání, zaznamenávání intenzity záření, způsoby přenosu informací až po metody 2

3 digitálního zpracování jeho produktů. Co je to pixel? Pixel představuje jeden svítící bod na monitoru, resp. jeden bod obrázku zadaný svou barvou, např. ve formátu RGB či CMYK. Body na obrazovce tvoří čtvercovou síť a každý pixel je možné jednoznačně identifikovat podle jeho souřadnic. Vzhledem k omezenému množství pixelů a omezené frekvenci vykreslování obrazu dochází při zobrazovování na monitoru k celé řadě problémů. Dochází k mnoha nežádoucím efektům. Mezi ně patří např. aliasing, moaré, neostrosti, mozaikové zkreslení, ztráta informací při zmenšování, zvětšování nebo otáčení obrazu apod. Velikost pixelu záleží na typu monitoru. U obvyklých analogových typů lze velikost pixelu měnit změnou rozlišení. LCD obrazovky naproti tomu mají počet fyzických pixelů (tzv. nativní rozlišení) zpravidla pevně vázaný na používané rozlišení (např ) a zobrazování jiného rozlišení u takového monitoru vede k určité deformaci obrazu, neboť počítačové pixely jsou přepočítávány a nerovnoměrně přerozdělovány na větší počet fyzických pixelů. V běžných režimech má obrazovka rozlišení od zhruba po , někdy i více. U patnáctipalcového monitoru při rozlišení představuje velikost jednoho pixelu sotva 0,3 mm. Maximální možné rozlišení monitoru se uvádí v jednotkách pixel na palec (zkratka ppi z anglického pixel per inch). Dělení pixelů kdy pixel není pixel? Jeden obrazový element ("pixel") na LCD monitoru je ve skutečnosti složen ze tří menších elementů "sub-pixelů": červený, zelený a modrý (one red, one green, and one blue: R-G-B). Tento subelementární triplet zprostředkovává vlastnost pixelu (můžeme vyhodnotit vlastnost pixelu). Lidské oko vnímá pixel jako: 3

4 Ale dokonalejší optická technika odhalí subelementy (sub-pixely): Příklad 1.: To znamená, že vnímaný řádek zobrazený na LCD monitoru je složen z 800 pixelů. Řádek je ale skutečně složený z 800 červených, 800 zelených, and 800 modrých sub-pixelů. Pravidelné uspořádání sub-pixelů je R-G-B-R-G-B-R-G-B... do lineární řady složené z 2400 jednobarevných sub-pixelů. Jestliže naše oko uvidí čistě bílý řádek, bude ho vnímat takto: Ale složení tohoto řádku je ve skutečnosti: Lidské oko není schopno rozlišit jednotlivé barvy sub-pixelů, protože náš vizualizační systém systém úmyslně smíchává tyto primární barvy do kombinací, které je náš mozek schopen zpracovat. Naše oko registruje pouze 3 základní barvy a všechny ostatní barvy, které si tedy uvědomujeme, vznikají smícháním (kombinací) těchto 3 základních barev. Jak můžeme výše uvedené využít? Uvedu na příkladu. Příklad 2: Předpokládejme, že chceme nakreslit objekt se šikmou hranou. Pokud použijeme standardní celé bílé pixely. Výsledek našeho snažení bude, že vytvoříme objekt se zubatou hranou. Pixelizace je běžný jev ve všech digitálních zobrazovacích systémech. Odborný název tohoto jevu je Spatial Sampling (doslovný překlad prostorové vzorkování). 4

5 Ale na LCD panelu, ve stejné situaci kdy využijeme sub-pixelového zobrazení (R-G-B) tak, jak je zde ukázáno, dojde k významné redukci zubatosti diagonály(dojde ke zjemnění hrany k jejímu zostření) Výše uvedený příklad (zobrazení v RGB) vnímá naše oko takto. Jakou roli hraje zkoumání sub-pixelového světa při zdokonalování digitálního zobrazení? Kvalitní (čitelné) zobrazení malých písmen na digitálních monitorech je technicky náročné. Například, toto je obyčejné velké písmeno 'A', typ fontu - klasický Times New Roman. Ačkoliv je toto písmeno značně neostře zobrazeno jsme schopni určit, že je to písmeno A a ne jiné (B, C,.). 5

6 Když si písmeno A přiblížíme (zvětšíme na monitoru), pozorujeme, že na pixelové úrovni je písmeno značně nečitelné. Lze těžko určit, zda jde vůbec o písmeno (stačí dokreslit ručičky a vznikne panáček). Bohužel písmenu v zobrazení chybí ostré diagonální hrany, což je na monitoru způsobeno nedokonalým rozlišením. Byly vynalezeny zobrazovací metody typu anti-aliasing. Metoda anti-aliasing se snaží využít odstínů šedé barvy, což způsobuje, že vnímáme pouze část pixelu. Metoda využívá schopnosti člověka zprůměrovat dva sousední šedivé pixely a vidět je oba jako jeden jediný pixel uprostřed. Avšak skutečnost není zcela úžasná. Metoda anti-aliasing u malých typů písmen vytváří šmouhy a snižuje jejich čitelnost. Jestliže rozdělíme pixel na tři elementy, zvýšíme rozlišení zobrazení písmene. Získáme-li trojnásobný počet elementů, lze vytvořit typ malého písma, který bude svou kvalitou (čitelností) srovnatelný s písmem vytisknutým na papíře. Zobrazení na LCD panelu Díky tomu, že si můžeme vypůjčit sub-pixely od sousedních pixelů, lze vyladit celkový vzhled písmena. vidět v bílé barvě. Náš mozek tento obrázek zpracuje do černo-bílé podoby. Sousední sub-pixely se doplňují tak, aby výsledný pixel naše oko bylo schopno Využití sub-pixelové disparity v DPZ 6

7 Pomocí subpixelové disparity je možno vyhodnotit i ty objekty, které na snímku zabírají menší plochu než je plocha jednoho pixelu družicového snímku. Tím je mimoto vyřešen problém materiálů mísících se na ploše jednoho pixelu. Hodnocení rozdílnosti sub-pixelů umožňuje vyhodnotit procentuální podíl zájmového materiálu na celkové ploše pixelu. Disparita je uplatňována například při detekci jednotlivých typů dřevin ve smíšeném porostu, při detekci skládek škodlivých materiálů, výchozu určitého typu horniny apod. Subpixelová klasifikace umožňuje získat podstatně vyšší informační potenciál, než jaký by dostupná data poskytovala při vyhodnocení klasickými metodami. Využití DPZ Údaje DPZ jsou obvykle získány z leteckých nebo družicových nosičů. Výsledky analýz z DPZ lze využít v různých oblastech, např. v lesnictví k mapování, určení druhů, typů, věku lesů, zjišťování působení škodlivých vlivů na vegetaci, v zemědělství k mapování, hodnocení stavu porostů plodin, určení potřeby zavlažování, v meteorologii na sledování oblačnosti, sledování vývoje meteorologických jevů, sledování teploty, v geologii na vyhledávání nalezišť nerostů a surovin, studium změn, v ochraně životního prostředí na zjišťování velikosti znečištění atmosféry a vod, na sledování vlivu technických děl na prostředí, v hydrologii, plánovaní, urbanismu atd. Produkty DPZ je vhodné použít jako vstupní data pro GIS. I když tento vztah - DPZ jako zdroj dat pro GIS se nejčastěji prezentuje, vazby jsou mnohem silnější. Některé GIS systémy jsou např. vybaveny prostředky pro analýzu údajů z DPZ. Naopak softwarové prostředí pro analýzu obrazů (z DPZ) potřebuje pro svoji úspěšnou činnost údaje již ukládané či zpracované v GIS - např. prověření správnosti interpretací (klasifikací), geometrické sladění (napasování údajů) apod. 7

8 Klíčová slova Pixel Pixelizace (angl. Spatial Sampling) Sub-pixel Disparita Metoda anti-aliasing Zdroje 1) Tomášek M. (2003): Půdy České republiky, Česká geologická služba: Praha 8

9 1) Tomsa K. (1984): Teoretické základy letecké fotogrammetrie, nakladatelství Československé akademie věd: Praha 2) Hojec V. (1987): Kartografie, Geodetický a kartografický podnik v Praze: Praha 3) Murdych Z. (1985): Dálkový průzkum Země, nakladatelství České akademie věd: Praha Méně významné zdroje 1) DIDEROT, spol. s r.o.: Encyklopedie Diderot. D a t a , definice a popis jednotlivých hornin a minerálů 2) Microsoft: Encyklopedie Encarta ) 4) 5) 9