Trong công nghệ đo ảnh số mặt đất từ đối t−ợng đo, thiết bị chụp ảnh, công cụ xử lý đ−ợc sản phẩm đo, nếu chụp ảnh đối t−ợng đo bằng máy kinh vĩ chụp ảnh chuyên dụng thì phải thông qua máy quét ảnh chuyên dụng để chuyển khuôn dạng t−ơng tự của “phim kính” sang dạng số sau đó nhập vào trạm đo ảnh số. Điều này dẫn đến một số khó khăn là: máy móc chụp ảnh khá cồng kềnh, các dạng chụp yêu cầu đặc biệt và chặt chẽ (chụp xiên đều, chụp giao nhau, chụp thẳng), “phim kính” đặc dụng thiếu thốn phải nhập ngoại, không đáp ứng đ−ợc yêu cầu sản phẩm số một cách nhanh chóng do phải quét ảnh... cho nên công nghệ số đi theo h−ớng truyền thống sẽ không hiệu quả về thời gian và kinh tế.
Hình 1.8. Công nghệ đo ảnh số mặt đất
Sử dụng máy chụp ảnh số chuyên dụng (DMC, ADS40...), các máy này sản xuất chủ yếu phục vụ cho đo ảnh hàng không rất đắt tiền và hiện tại ở n−ớc ta ch−a nhập loại máy này. Hơn nữa ứng dụng nó chụp trong một không gian hẹp thì không kinh tế. Ph−ơng án sử dụng máy chụp ảnh số chuyên dụng cũng không khả thi.
Máy chụp ảnh số phổ thông (non-metric digital camera) với độ phân giải cao xuất hiện nhiều trên thị tr−ờng có thể giải quyết khúc mắc ở t− liệu đầu vào trong công nghệ đo ảnh số. Bởi vì các lý do sau:
- Máy chụp ảnh số: ngày càng có độ phân giải cao và ngày càng rẻ. - Công tác chụp ảnh gọn nhẹ, nhanh chóng, t− liệu chụp nhiều, khuôn dạng ảnh số dễ dàng nhập vào máy tính không cần máy quét ảnh.
Việc áp dụng máy chụp ảnh số phổ thông vào công tác đo vẽ phi địa hình ở trên thế giới là khá phổ biến, nh−ng ở Việt Nam thì vẫn còn khá mới
mẻ. áp dụng loại máy này vào lĩnh vực địa hình với khoảng cách chụp lớn hơn 100m thì cả ở trên thế giới và Việt Nam đều ch−a thành công về độ chính xác. Vấn đề cần giải quyết là sự không chuyên dụng của máy chụp ảnh và các đặc tr−ng xử lý truyền thống của ảnh số nhằm nâng cao khả năng đo vẽ địa hình và phi địa hình ở Việt Nam, đây là h−ớng giải quyết cơ bản của luận văn.
Kết luận ch−ơng 1:
- Sự phát triển của công nghệ đo ảnh mà đỉnh cao là công nghệ ảnh số có ảnh h−ởng rất lớn đến khả năng đo vẽ hiện đại nói chung của trắc địa ảnh.
- Lĩnh vực ứng dụng của đo ảnh số ngày càng đa dạng và t− liệu ảnh số phổ thông là một sự lựa chọn hợp lý trong thời điểm hiện tại khi đo vẽ địa hình tỷ lệ lớn và đo vẽ phi địa hình.
- Việc phát triển các ứng dụng trong lĩnh vực địa hình tỷ lệ lớn và phi địa hình sử dụng ảnh số phổ thông tại Việt Nam cần đ−ợc quan tâm, phát triển và hoàn thiện.
Ch−ơng 2
máy chụp ảnh số phổ thông vμ ph−ơng pháp kiểm định
Ch−ơng này giới thiệu về thiết bị thu nhận hình ảnh không chuyên dụng cho đo ảnh, đó là máy chụp ảnh số phổ thông. Nguyên lý tạo ảnh, nguyên nhân gây sai số vị trí điểm ảnh của máy chụp ảnh số phổ thông. Ph−ơng pháp kiểm định, thuật toán và ch−ơng trình kiểm định, phân tích các kết quả kiểm định. Từ đó khẳng định kiểm định máy chụp ảnh số là không thể thiếu và kết quả kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông rất cần thiết trong đảm bảo độ chính xác của công tác đo vẽ ảnh.
2.1. máy chụp ảnh số phổ thông
Máy chụp ảnh số phổ thông là loại máy ảnh số thông dụng trên thị tr−ờng phục vụ cho mục đích chính là chụp ảnh nghệ thuật. Đối với đo ảnh các máy chụp ảnh loại này có các thuật ngữ gọi là: non-metric digital camera, amateur digital camera, unprofessional digital camera [17]. Đó là các máy không chuyên dụng cho đo ảnh. Các loại máy này có độ phân giải ngày càng cao và giá thành rẻ, kiểu máy nhẹ nhàng, cơ động, dễ chụp và hiện đại.
Hình 2.1. Máy chụp ảnh số Sony CyberShot Pro DSC-F828
Về đặc điểm cấu tạo, máy chụp ảnh số phổ thông có các phần chính nh−: thân máy chứa các bộ phận cấu thành, hệ thống kính vật cùng bộ điều chỉnh chế độ thu phóng, bộ cảm CCD nhận ảnh, các vi mạch điện tử, thẻ nhớ
l−u trữ hình ảnh chụp dạng số, các phím điều chỉnh các chức năng chụp theo phần mềm có trong máy. Ngoài ra, máy chụp ảnh số còn các bộ phận phụ trợ khác nh−: đèn Flash, màn hình hiển thị, pin sạc...
Bảng 2.1. Một số máy chụp ảnh số phổ thông có độ phân giải tốt Hình dáng Đặc điểm chính
Tên gọi : Sony CyberShot Pro DSC-F707 Hãng sản xuất : Sony, Nhật Bản
Ra đời : 9 -2002
Kênh chụp: toàn sắc, hồng ngoại Bộ cảm CCD đơn: 5 triệu pixel Bộ nhớ : 128 MB
Tên gọi : Sony CyberShot Pro DSC-F828 Hãng sản xuất : Sony, Nhật Bản
Ra đời : 8 -2003
Kênh chụp: toàn sắc, hồng ngoại Bộ cảm CCD đơn: 8 triệu pixel Bộ nhớ : 256 MB
Tên gọi : NIKON CoolPix 8700 Hãng sản xuất : Nikon, Nhật Bản Ra đời : 2003
Kênh chụp: toàn sắc, hồng ngoại Bộ cảm CCD đơn: 8 triệu pixel Bộ nhớ : 256 MB
Nếu đặt máy chụp ảnh loại này trong sự so sánh với một số máy chụp ảnh kỹ thuật số chuyên dụng cho đo ảnh hàng không sẽ thấy rõ sự khác biệt về tính phổ thông và chuyên dụng. Một điều nữa là giá thành của máy chụp ảnh chuyên dụng đắt gấp khoảng 100 lần so với máy chụp ảnh số phổ thông.
Bảng 2.2. Một số máy chụp ảnh kỹ thuật số chuyên dụng Hình dáng Đặc điểm chính
Tên gọi : DMC
Hãng sản xuất : Z/I imaging, Mỹ Ra đời : 2002
Kênh chụp : toàn sắc, đỏ, lục, chàm, cận hồng ngoại Bộ cảm CCD tích hợp mảng: 106 triệu pixel
Bộ nhớ : 840 GB Tên gọi : ADS-40
Hãng sản xuất : Leica Geosystems, Thụy Sĩ Ra đời : 7 - 2000
Kênh chụp: toàn sắc, đỏ, lục, chàm, cận hồng ngoại Bộ cảm CCD tích hợp hàng : 12000pixel/hàng/kênh đa phổ, 24000 pixel/hàng/kênh toàn sắc Bộ nhớ : 200-500 GB 2.2. Một số đặc tr−ng của ảnh số 2.2.1. ảnh số n m n m g m g m g n g g g n g g g ì − − − − − − ) 1 , 1 ( ) 1 , 1 ( ) 0 , 1 ( ) 1 , 1 ( ) 1 , 1 ( ) 0 , 1 ( ) 1 , 0 ( ) 1 , 0 ( ) 0 , 0 ( L L L L L L L Hình 2.2. Ma trận độ xám của ảnh số
ảnh số là một mảng hai chiều của các phần tử ảnh có cùng kích th−ớc đ−ợc gọi là pixel (picture element). Mỗi pixel đ−ợc xác định bằng tọa độ hàng (i), tọa độ cột (j) và độ xám g(i,j). Độ xám của mỗi pixel đ−ợc mã hóa theo đơn vị thông tin là bit. Thông th−ờng pixel ảnh toàn sắc mã hóa theo 8bit=1byte tức là 28=256 bậc độ xám, pixel ảnh màu đ−ợc tổ hợp từ ba băng đỏ R(256), lục G(256), chàm B(256) t−ơng ứng với 24bit=3byte có 256x256x256 màu.
ảnh số có thể đ−ợc thu nhận thông qua máy quét ảnh t−ơng tự, máy chụp ảnh số hoặc SenSor quét của vệ tinh.
2.2.2. Độ phân giải của ảnh số
Độ phân giải của t− liệu ảnh số là mối quan tâm hàng đầu của công nghệ đo ảnh số. Có hai loại độ phân giải cần quan tâm là độ phân giải không gian và độ phân giải độ xám
* Độ phân giải không gian: Là khoảng cách hình học tối thiểu giữa hai đối t−ợng mà chúng phân chia và tách biệt với nhau trên ảnh. Biểu thị cho độ phân giải không gian là: kích cỡ pixel và DPI (Dot Per Inch).
+ Độ phân giải theo kích cỡ pixel thể hiện độ rộng của một pixel. Kích cỡ pixel càng nhỏ thì độ phân giải càng cao, th−ờng tính theo đơn vị μm
+ Độ phân giải DPI: là số l−ợng pixel chứa trong một inch (đơn vị đo l−ờng của Anh: 1inch = 25,4mm). Số pixel trên 1 inch càng nhiều thì độ phân giải càng cao.
Hai cách biểu thị này có thể chuyển đổi cho nhau theo công thức: 25,4.103
Độ phân giải kích cỡ pixel =
số pixel DPI μm 25,4.103
Độ phân giải DPI =
kích cỡ pixel
(2.1)
Trong máy chụp ảnh số, ng−ời ta gọi độ phân giải của ảnh số theo số l−ợng pixel của bản thân ảnh số t−ơng ứng với số hàng nhân số cột của ảnh số, th−ờng lấy đơn vị là MP Mega Pixel (triệu điểm ảnh). Ví dụ nh− độ phân giải 5 triệu pixel, 8 triệu pixel gọi là 5 MP, 8 MP.
* Độ phân giải độ xám (Radiometric): là sự thay đổi nhỏ nhất về độ xám mà hai pixel phân biệt đ−ợc với nhau trên ảnh. Thông th−ờng lấy 256 bậc để biểu thị độ xám trong ảnh toàn sắc và 224 (24 bit) bậc màu trong ảnh màu. Ngoài ra còn có độ phân giải phổ phụ thuộc vào sự cảm biến theo b−ớc sóng ánh sáng của bộ cảm SenSor, th−ờng quan tâm nhiều ở ảnh vệ tinh.
2.2.3. Nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh số
Hình 2.3. Nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh số
Nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh số cũng giống nh− nguyên lý tạo ảnh của máy chụp ảnh thông th−ờng. Điểm khác biệt lớn nhất của máy chụp ảnh số là không dùng phim halogel Bạc để l−u trữ hình ảnh với độ nhạy cao mà dùng bộ cảm biến ánh sáng CCD để l−u hình ảnh tạm thời kết hợp với bộ chuyển đổi A/D (Analog to Digital) để mã hóa tạo ảnh số l−u trữ trong đĩa cứng. CCD đóng vai trò là “phim” trong máy chụp ảnh số.
2.2.4. Bộ cảm CCD
Bộ cảm CCD (Charge Coupled Device) là một thiết bị tích điện kép đ−ợc sáng chế bởi các nhà khoa học của phòng thí nghiệm Bell bang New Jerney Mỹ những năm 60 của thế kỷ tr−ớc. CCD đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong ngành chụp ảnh, quét ảnh, quay phim số, thiên văn học [20] ...
Hình 2.4. Một số CCD nhìn ở bên ngoài
Mảng CCD gồm tập hợp các tế bào quang điện rất nhỏ làm bằng chất bán dẫn nhạy sáng (photodiot) tựa trên hợp chất silic, mỗi tế bào quang điện t−ơng ứng là một pixel. Số l−ợng và kích cỡ các tế bào quang điện cùng với độ lớn của mảng CCD chính là yếu tố quyết định độ phân giải của ảnh số.
Khi ánh sáng đập lên CCD, c−ờng độ ánh sáng giải phóng điện tử trên mỗi tế bào quang điện, sau đó chuyển thành dòng điện nhỏ có c−ờng độ tuỳ thuộc vào c−ờng độ chiếu sáng trên mỗi tế bào quang điện, tức là liên quan tới số l−ợng điện tử đ−ợc giải thoát và đ−ợc mã hóa thành độ xám l−u trữ theo vị trí của các sensor-pixel thành phần tạo nên ảnh số và chuyển vào bộ nhớ.
Hình 2.5. Nguyên lý tạo ảnh trên CCD
Từ khi CCD ra đời nó đã thống trị trong các lĩnh vực liên quan đến công nghệ ảnh số vì CCD có nhiều −u điểm nh−: độ nhiễu nhỏ (các sensor t−ơng ứng đ−ợc đặt cố định và dùng chung một nguồn điện), chất l−ợng l−ợng tử và chuyển đổi số cao, thu phóng dễ dàng (thay đổi độ phân giải), khả năng giảm nhiễu phản xạ tốt... tuy vậy CCD cũng có một số nh−ợc điểm: vì phải có quá nhiều sensor chip trên khung CCD dẫn tới phải chuyển đổi nhiều tín hiệu điện cùng một lúc, tốc độ ghi ảnh chậm, khó có thể nâng cao độ phân giải nếu cứ phải giảm nhỏ kích cỡ của tế bào quang điện. Đối trọng với CCD, từ giữa những năm 90 thế kỉ tr−ớc phòng thí nghiệm phản lực của NASA (Mỹ) đã giới thiệu công nghệ CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) [21] kết hợp tất cả các bộ phận nh− sensor, đọc ảnh, xử lý chuyển đổi trên một chip nên tốc độ ghi ảnh “pixel động” nhanh, tốn ít năng l−ợng... nó đ−ợc dùng rất nhiều trong công nghệ quay video số, chụp ảnh số, công nghệ vi mạch... CMOS là công nghệ nano có yêu cầu kỹ thuật chế tạo rất cao và đắt tiền...Phần lớn các máy chụp ảnh số hiện nay đều vẫn dùng CCD.
Hiện nay, vị trí, kích th−ớc của các sensor trên CCD đ−ợc chế tạo, sắp xếp rất chính xác. Bởi vậy, quá trình lộ quang nhanh và ghi ảnh của bản thân
mặt CCD không ảnh h−ởng đến vị trí điểm ảnh hay nói chính xác hơn là ảnh h−ởng rất bé. Vậy nguyên nhân chính của sự xê dịch vị trí điểm ảnh của bản thân máy chụp ảnh sẽ nằm ở hệ thống kính vật.
2.3. hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số
Hình 2.6. Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số
Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số là một tổ hợp của các thấu kính hội tụ và phân kì loại bỏ sắc sai, cầu sai và để có khả năng thay đổi tiêu cự theo chế độ thu phóng (Zoom) nhằm tạo ảnh hội tụ rõ nét trên CCD. Hệ thống kính vật loại này tuy chất l−ợng rất cao (tạo ảnh rất nét) nh−ng độ chính xác hình học thì lại thua kém kính vật của máy chụp ảnh chuyên dụng (RC30, RMK-TOP, DMC, ADS-40). Có nghĩa là sai số méo hình kính vật lớn dẫn tới sự xê dịch vị trí điểm lớn. Một đặc điểm nữa là sự thu phóng chính là nguyên nhân gây thay đổi tiêu cự dẫn tới cả sự thay đổi tọa độ điểm chính ảnh và hệ số méo hình. Trong đo ảnh thì các yếu tố rất quan trọng này cần giữ đ−ợc sự ổn định vì nó ảnh h−ởng rất lớn tới độ chính xác của các kết quả đo cuối cùng. Nh− vậy, vấn đề mấu chốt ở đây là phải có chế độ chụp “ổn định” trong mức độ cho phép, và phải kiểm nghiệm các yếu tố định h−ớng trong, các hệ số méo hình của hệ thống kính vật máy chụp ảnh số phổ thông.
2.4. Kiểm định máy chụp ảnh số phổ thông
2.4.1. Sự cần thiết phải kiểm định
Trong đo ảnh, các sai số hệ thống gây nên sai lệch vị trí điểm ảnh cần đ−ợc loại trừ, các sai số này bao gồm:
- Sai số biến dạng phim ảnh,
- Sai số do độ sai lệch các yếu tố định h−ớng trong, - Sai số méo hình kính vật.
Đối với đo ảnh khoảng cách gần dùng máy chụp ảnh số phổ thông: sai số do chiết quang, độ cong trái đất ch−a cần quan tâm vì khoảng cách chụp gần trong không gian hẹp. Sai lệch biến dạng phim ảnh là nói đến chụp ảnh truyền thống, sai số này hiệu chỉnh nhờ các mấu khung tọa độ, tuy nhiên ảnh số của máy chụp ảnh số phổ thông không có mấu khung tọa độ, ảnh số này đ−ợc tạo nên nhờ mảng CCD. Công nghệ nano sắp xếp các tế bào quang điện tạo mảng CCD là rất chính xác, sự tạo ảnh trên CCD ở phần 2.2.4 là gần nh−
không có sai số, sai số này sẽ đ−ợc kiểm định và hiệu chỉnh tổng hợp cùng sai số méo hình. Hệ thống kính vật của máy chụp ảnh số phổ thông tuy chất l−ợng cao, cho hình ảnh nét nh−ng ảnh số đ−ợc tạo chỉ nhằm mục đích nghệ thuật, sự xê dịch vị trí điểm ảnh bởi méo hình kính vật rất lớn vì tính không chuyên dụng cho đo ảnh và chế độ thu phóng lúc chụp.
Nh− vậy, các thông số kiểm định ảnh của máy chụp ảnh số phổ thông là các yếu tố định h−ớng trong là tiêu cự, tọa độ điểm chính ảnh và các hệ số méo hình. Các thông số này là một phần không thể thiếu của đo ảnh nói chung, nó phục vụ công tác định h−ớng trong khôi phục chùm tia xây dựng mô hình, hiệu chỉnh sự xê dịch vị trí điểm ảnh nâng cao độ chính xác. Nếu không có các thông số này ảnh số phổ thông chỉ có ý nghĩa “nghệ thuật” thuần tuý. Khi nhà sản xuất cung cấp máy chụp ảnh số phổ thông thì chỉ cung cấp khoảng tiêu cự dao động, không cung cấp tọa độ điểm chính ảnh, hệ số méo hình. Do vậy vấn đề kiểm định các thông số máy chụp ảnh số phổ thông