ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ OBOR GEODÉZIE A KARTOGRAFIE KATEDRA MAPOVÁNÍ A KARTOGRAFIE Digitální fotoaparáty a digitalizace map semestrální práce Martina Jíšová Petr Dvořák editor: Štěpán Růžička V Praze dne 10. 4. 2011 Kartografická polygrafie a reprografie
Úvod Digitalizace je obecný převod analogové formy map do digitální podoby. Metody digitalizace lze rozdělit v zásadě na tři základní metody se zcela odlišnými výsledky. Každá z nich je vhodná pro jiný účel v závislosti na požadované přesnosti, podrobnosti a nákladech: kartometrická digitalizace fotografování skenování 1 Digitalizace map a digitální fotoaparáty Pro jednoduchou digitalizaci lze s jistými omezeními použít i fotografické techniky. V případě možnosti použít kopírovací stěny a kvalitního fotoaparátu lze dosáhnout digitální kopie s minimálním zkreslením. Ve většině případů je ale používán klasický digitální fotoaparát. Zde je nutné zabezpečit orientaci osy fotografování kolmo k rovině mapy (eliminace perspektivního zkreslení), použití objektivu s minimální distorzí nebo kalibrovaného objektivu se známým průběhem distorze, který lze dodatečně odstranit (např. pomocí aplikace DistortionPM). Dalším aspektem je vinětce objektivu a rovnoměrné osvětlení předlohy, kterého lze docílit velmi obtížně běžnou technikou. Na obrázcích (obr. 1) a (obr. 2) je vidět příklad fotografované mapy s poduškovitým zkreslením a ukázka jeho odstranění pomocí kalibrace. Obr. 1: Poduškovité zkreslení Obr. 2: Kalibrace Výhoda fotografování map je rychlost digitalizace a možnost snímat předlohy téměř libovolné velikosti. Pro dokumentační účely může být barevnost, rozlišení a prostorová přesnost dostatečná, použití v GIS je však velmi problematické. 1
1.1 Úprava zkreslení obrazu Nejčastější příčinou zkreslení je nevhodná poloha clony v systému čoček. Pozice clony určuje velikost a charakteristiku polohové odchylky v radiálním směru (obr. 3) a (obr. 4). V případě, kde je clona mezi předmětem (mapový list) a čočkou fotoaparátu, je pozice výsledného obrazu určována paprsky světla dopadajícími na čočku značně šikmo. Vzniká tak soudkovité zkreslení (obr. 3). Je-li clona umístěná mezi čočkou a CCD snímačem, paprsky světla dopadají na čočku méně šikmo a vzniká tak poduškovité zkreslení (obr. 5). Je-li clona umístěna na čočce, světelný paprsek prochází skrz optický střed a opouští čočku v tom samém úhlu, ve kterém do ní vstoupil. Takový systém nezkresluje obraz a nazývá se ortoskopickým (obr. 4). Optická zkreslení se dají upravit pomocí programu DistortionPM, kde se nastaví hodnoty zkreslení tak, aby se docílilo zarovnání okrajů mapy. Obr. 3: Soudkovité zkreslení Obr. 4: Ortoskopické zkreslení Obr. 5: Poduškovité zkreslení Konfigurace clony a čočky na obrázku (obr. 5) vede k situaci, kdy poměr h/y se zvětšuje směrem k rohům a vzniká tak poduškovité zkreslení (obr. 6). 2
Obr. 6: Příklad poduškovitého zkreslení Obr. 7: Příklad odstranění poduškovitého zkreslení Z velkého počtu optických vad je častým problémem důsledek tzv. vinětace. Jedná se o nedostatek způsobený optikou objektivu, zejména širokoúhlého. Projevuje se poklesem množství světla směrem k okrajům snímku (obr. 8). Pro odstranění tohoto nedostatku se dá použít software Adobe Photoshop 7.0 CE, kde se pomocí kruhového přechodu změní hodnoty jasu a kontrastu (obr. 9). 3
Obr. 8: Příklad vinětace Obr. 9: Příklad odstranění vinětace 1.2 Rozlišení Při fotografování je velmi důležitým parametrem rozlišení v jednotkách DPI (dots per inch, tj. bodů na palec). Pro archivní účely lze doporučit rozlišení 600 DPI, při kterém jsou zachyceny veškeré detaily kresby. Pro běžné zpracování jsou používána rozlišení 200 400 DPI, dle jemnosti kresby a účelu. Při rozlišení pod 200 DPI již dochází k mírným ztrátám v detailech (hlavní informace je však stále dobře čitelná). Pro prohlížení na monitoru počítače jsou používána rozlišení 72 DPI nebo 96 DPI. Pro internetové aplikace může rozlišení 100 DPI být zcela dostatečné (bez zvětšení zobrazení v poměru 1:1) a lze tím výrazně šetřit místo na disku serverů. 1.3 Metody transformace Transformace jsou používány k převodu jedné souřadnicové soustavy do druhé. V případě digitalizovaných starých map se může jednat o převod pixelových souřadnic do referenčního geodetického souřadnicového systému, například S-JTSK. Volba metody transformace (nebo taky často nazývané jako georeferencování) je výrazně závislá na použité metodě digitalizace a rovněž na způsobu použití transformované mapy. V případě potřeb zachovat původní prostorové vztahy budou použity transformace nižších řádů (podobnostní 4
transformace), při snaze ztotožnit původní kresbu co nejvíce se současným stavem bude naopak použita transformace vyšších řádů, která obraz částečně deformuje. Jednotlivé metody lze rozdělit na: podobnostní afinní kolineární polynomickou 1.3.1 Podobnostní transformace Nejjednodušší transformací používanou pro georeferencování mapových podkladů je podobnostní transformace, jejíž parametry jsou pootočení (R), posun (X 0 ) a změna měřítka (M). Jsou u této transformace tedy zachovány vnitřní úhly (jedná se o lineární konformní transformaci) a nedochází tak k žádné deformaci tvaru (čtverec zůstává čtvercem). K transformaci postačují dva vlícovací body, u nichž jsou známy souřadnice X a Y. Variantou podobnostní transformace je transformace Helmertova, která používá při výpočtu transformačního klíče metodu nejmenších čtverců a zajistí tak nejlepší přiblížení obou sítí. 1.3.2 Afinní transformace Afinní transformace se od podobnostní liší rozdělením měřítkových koeficientů zvlášť pro osu X a Y (Mx se nerovná My). Pro transformaci jsou zapotřebí tři vlícovací body a již zde dochází ke změně vnitřních úhlů, která se projevuje deformací tvarů (ze čtverce může být obdélník nebo kosočtverec). Afinní transformace se používá při georeferencování map, u kterých je předpoklad různého měřítka v jednotlivých osách nebo pro zjednodušení mezi různými kartografickými zobrazeními. 1.3.3 Kolineární transformace Kolineární transformace (někdy též perspektivní) se používá pro odstranění perspektivního zkreslení, které vzniká při fotografování (centrální projekci). Měřítkové koeficienty zde nepředstavují jednoznačné hodnoty ale lineární funkce (Mx = f(x), My = g(y)). Lineární změna měřítka v obraze se projevuje deformací čtverce na lichoběžník nebo obecný čtyřúhelník, kdy hrany se v prodloužení protínají v úběžnících. Tento typ transformace by měl být používán u fotografické digitalizace, kdy není možné zajistit kolmé nastavení fotoaparátu k rovině mapy. Perspektivní zkreslení je efekt, který vzniká při velkém úhlu pohledu fotoaparátu. Znamená to, že objekt nebo jeho část blíže k objektivu, se jeví na fotce větší než části ve větší vzdálenosti od objektivu. 1.3.4 Polynomická transformace Polynomická transformace je obecnou transformací která dovoluje se vrůstajícím řádem přidáním většího počtu vlícovacích bodů zpřesňovat polohu uvnitř mapy. 5
1.4 Přístrojové vybavení Pro fotografickou digitalizaci se osvědčila odborníkům některá ze středoformátových digitálních zrcadlovek. 1.5 Důvody digitalizace Existují čtyři základní důvody digitalizace: 1. Dostupnost informací - při digitalizaci jsou informace převedeny do dvojkové soustavy, proto je můžeme jednoduše přenášet prostřednictvím počítačových sítí. Elektronický dokument je tak přístupný např. na internetu všem, kteří mají připojení a znají adresu, na níž je dokument vystaven. Navíc mohou obsahovat odkazy na příbuzné dokumenty. 2. Úspora místa - patří k hlavním důvodům digitalizace. Předpokládejme, že kniha o velikost 100 stran zabírá v elektronické podobě maximálně 20 MB). Kapacita jednoho CD je 700 MB. Jednoduchým výpočtem pak zjistíme, že na jedno CD se vejde 35 knih, tedy malá příruční knihovna. 3. Ochrana dat - data v elektronické podobě jsou ve většině případů odolnější než jejich analogová verze. Například pásek videokazety se opakovaným přehráváním poškozuje a záznam ztrácí na kvalitě. To u elektronické verze nehrozí. 4. Vyhledávání - v elektronických textových dokumentech lze jednoduše prohledávat plné texty. Tuto vlastnost využívá většina databází článků (např. Proquest 5000, EBSCO aj.), ale také fulltextové vyhledávače (např. Google, Yahoo, Jyxo). Proces digitalizace však přináší také celou řadu problémů. K největším problémům digitalizace patří porušování autorského zákona nelegální konverzí chráněných analogových dokumentů. Závěr Využití map pro studium objektů a jevů existujících na našem území je velmi často používána. Postupná digitalizace a převod rastrové podoby na mapový server umožňuje rozšíření map pro širokou veřejnost. Velmi důležitým aspektem je uchování kopie (s dnešními zařízeními lze hovořit o téměř dokonalé kopii) v digitální podobě, která ve výsledku může mít pozitivní dopad na zamezení dalšího opotřebovávání originálu při fyzické manipulaci. Rastrovou podobu map lze využít v archivech a tím i zjednodušit přístup k cenným historickým exemplářům. Digitalizace map digitálními fotoaparáty má svoje kladné i záporné stránky, proto nelze přesně říci, zda-li je to metoda pro digitalizaci nejlepší. Vzhledem k rychlosti metody, možnosti fotografování různě velikých předloh, poměrně levnému přístrojovému a programovému vybavení a relativně snadným a přesným způsobům odstraňování optických vad objektivů fotoaparátů lze říci, že tato metoda má svou budoucnost v digitalizaci map. 6
Literatura [1] DOLANSKÝ, Tomáš; MACHÁČOVÁ, Alexandra; NOŽKA, Jan. Mapový server pro historické mapy Ústecka [online]. Ústí nad Labem: Fakulta životního prostředí UJEP, 2006 [cit. 2008-05-11]. Dostupný z WWW: <http://fzp.ujep.cz/kig/obecne/lidi/ dolansky/publikace/geos-hmu.pdf> [2] KRČÁL, Martin. Digitalizace dokumentů - skenování [online]. Brno: Filosofická fakulta MU v Brně, 2004 [cit. 2008-05-11]. Dostupný z WWW: <http://www.phil.muni.cz/ ~krcal/dokumenty/sken.pdf> [3] DOLANSKÝ, Tomáš. Způsoby zpracování starých mapových podkladů [online]. Ústí nad Labem : Fakulta životního prostředí UJEP, [cit. 2008-05-11]. Dostupný z WWW: <http://fzp.ujep.cz/kig/obecne/lidi/dolansky/publikace/ StudOecologica01.pdf> 7