a. Dữ liệu ảnh mức 1A
Sau khi loại bỏ sai số bức xạ thô nhờ tệp tin hiệu chỉnh bức xạ, dữ liệu ảnh mức 1A tại các khu vực đồng nhất trên bề mặt Trái đất được sử dụng để đánh giá SNR. Trong nghiên cứu, dữ liệu ảnh mức 1A chụp bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột sẽ được thu thập và sử dụng.
b. Lấy mẫu
Các ô mẫu được lấy là các ô màu đồng nhất trên bãi kiểm định gồm có ơ màu trắng và ơ màu đen tại khu vực đánh giá MTF, và các ô trên dải thang độ xám để đánh giá SNR.
c. Tính tốn
Theo định nghĩa, tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu được xác định bằng giá trị trung bình của tín hiệu μsig chia cho độ lệch trung bình của nền ảnh σbg [36].
Tuy nhiên, trong các bài toán xử lý ảnh, nhất là đối với dữ liệu ảnh có độ tương phản cao, nhiều hệ thống xử lý ảnh đồng nhất nền ảnh với màu đen tuyệt đối, từ đó đưa giá trị độ lệch trung bình nền ảnh σbg về 0, dẫn đến đưa giá trị SNR lên lớn vơ cùng. Do đó, trong trường hợp này, định nghĩa SNR được đổi thành tỉ số giữa giá trị trung bình của tín hiệu μsig chia cho độ lệch chuẩn của tín hiệu σsig (theo cơng thức 2.7)
d. Đánh giá SNR
Sau khi tính tốn giá trị SNR cho các kênh ảnh và so sánh với giá trị thiết kế ban đầu, nếu cao hơn thì có thể sản xuất ra sản phẩm ảnh mức 1A tại khu vực chụp các bãi kiểm định để phục vụ bước đánh giá tiếp theo, trong trường hợp nếu giá trị SNR vẫn thấp hơn giá trị thiết kế thì khơng sử dụng dữ liệu.
3.3 Quy trình đánh giá chất lượng ảnh qua thơng số MTF
Sau khi chất lượng ảnh đảm bảo chất lượng theo yêu cầu về SNR, dữ liệu ảnh được đánh giá chất lượng qua thông số MTF, Tương tự như thông số SNR, mỗi hệ thống vệ tinh viễn thám quang học có một giá trị ngưỡng MTF khác nhau (đối với VNREDSat-1, giá trị ngưỡng MTF của hệ thống chụp ảnh là 0,08). Nếu giá trị tính tốn lớn hơn giá trị ngưỡng thì dữ liệu ảnh đạt chất lượng và có thể đưa vào sử dụng; nếu giá trị tính tốn thấp hơn giá trị ngưỡng thì dữ liệu ảnh khơng sử dụng được. Quy trình đánh giá MTF được mơ tả như hình 3.5 dưới đây.
Giá trị ngưỡng MTF
Dữ liệu ảnh
mức 1A (bãi kiểm định)
Đánh giá MTF Không đạt Không sử dụng
Đạt
Dữ liệu ảnh cấp cho người dùng Tính tốn MTF Xác định LSF Xác định ESF Chiết tách cạnh Lấy mẫu Hình 3.5. Quy trình đánh giá MTF a. Dữ liệu ảnh mức 1A (bãi kiểm định)
Dữ liệu mức 1A sau đánh giá SNR đạt yêu cầu để đảm bảo tính đồng nhất của các ơ mẫu đen trắng sẽ được dùng làm dữ liệu đầu vào cho việc đánh giá MTF.
Các dữ liệu để đánh giá thông số MTF được sử dụng trong nghiên cứu là dữ liệu VNREDSat-1, mức 1A, chụp bãi kiểm định tại Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk, Việt Nam. Ngoài ra các dữ liệu khu vực bãi kiểm định Salon de Provence, cộng hòa Pháp [60] để đánh giá quá trình hoạt động của vệ tinh, dữ liệu được thu thập liên tục từ năm 2015 đến nay. Bãi kiểm định Bn Ma Thuột chỉ có dữ liệu hai thời điểm là 2017 và 2018. Các dữ liệu này được liệt kê trong bảng 3.1 dưới đây.
Bảng 3.1. Dữ liệu được sử dụng để đánh giá MTF
STT Ngày chụp Vị trí
1 10/7/2015 Bãi kiểm định Salon de Provence 2 25/4/2016 Bãi kiểm định Salon de Provence 3 07/8/2017 Bãi kiểm định Salon de Provence 4 20/4/2018 Bãi kiểm định Salon de Provence 5 25/7/2019 Bãi kiểm định Salon de Provence 6 24/6/2020 Bãi kiểm định Salon de Provence 7 15/6/2021 Bãi kiểm định Salon de Provence 8 14/11/2017 Bãi kiểm định Buôn Ma Thuột 9 02/11/2018 Bãi kiểm định Buôn Ma Thuột
b. Lấy mẫu
Vùng ảnh được lấy để làm dữ liệu cho q trình tính tốn MTF là vùng ảnh có chứa một cạnh tương phản giữa hai ơ màu đen và trắng, được đặt nghiêng một góc α so với các trục x và y của ảnh (xem hình 3.6). Giá trị của góc α đối với bãi kiểm định tại Salon de Provence là 14,9° [37] và bãi kiểm định tại Bn Ma Thuột là 15°.
Hình 3.6. Hướng của cạnh trong hệ quy chiếu ảnh phục vụ tính MTF
Khoảng cách lấy mẫu được chọn theo sơ đồ trong hình 3.7 sau đây:
Hàng ảnh 1
2 3 4
Lưới lấy mẫu ảnh Lưới lấy mẫu chuẩn
Khoảng cách lấy mẫu đến điểm ảnh lân cận được cho bởi giá trị p. Khoảng cách lấy mẫu đơn vị theo hai trục x và y là bằng nhau (do trong trường hợp vệ tinh quang học quan sát trái đất hoạt động theo chế độ chổi đẩy nên độ phân giải theo hai trục là tương đương nhau). Giá trị của mỗi điểm ảnh trong hàng điểm ảnh sẽ đại diện cho hàm lan truyền cạnh ESF được lấy mẫu theo khoảng cách p. Từ một hàng ảnh sang hàng ảnh kế tiếp sẽ bị dịch một khoảng Δx do ảnh khu vực cạnh được chụp nghiêng góc so với đường bay của vệ tinh. Giá trị Δx được tính theo cơng thức dưới đây [30]:
Số lượng hàng ảnh trung bình lấy trong một cạnh được cho bởi:
Như vậy số hàng ảnh được sử dụng để lấy mẫu đối với bãi kiểm định Buôn Ma Thuột sẽ lần lượt là 3,732 hàng ảnh. Như vậy mỗi cảnh ảnh tại bãi kiểm định, số hàng ảnh được lấy mẫu là 4 hàng, các điểm ảnh được lấy đảm bảo tính đồng nhất và khơng bị ảnh hưởng do nhiễu từ các điểm ảnh ở rìa của ơ mẫu. Các hướng lấy mẫu được mơ tả cụ thể như hình 3.8 sau đây:
Hình 3.8. Lấy mẫu để đánh giá MTFc. Chiết tách cạnh c. Chiết tách cạnh
Đối với các bãi thử dạng cạnh như sử dụng trong nghiên cứu, phương pháp chiết tách cạnh từ vùng mẫu được sử dụng là phương pháp Canny [75,45] như đã trình bày trong mục 2.5.4, kết quả thu được đối với một vùng mẫu như hình 3.9 dưới đây:
d. Xác định ESF
Một nhóm N hàng ảnh liên tiếp được sử dụng để tái tạo lại hàm lan truyền cạnh ESF, với N được xác định sao cho tổng độ dịch cạnh từ hàng thứ nhất đến hàng thứ N có giá trị tương đương với kích thước biểu diễn của một điểm ảnh trên thực tế theo chiều x hoặc chiều y. Do độ dịch của cạnh tương ứng với giá trị kích thước một điểm ảnh biểu diễn trên thực thế có thể tương ứng với một số khơng ngun hàng ảnh, số hàng ảnh được lấy theo điều kiện của công thức [56]:
Do đó cần xác định số N là số hàng ảnh sẽ sử dụng. Sau đó N hàng ảnh sẽ được lấy mẫu chồng chập để tái tạo lại hàm lan truyền cạnh ESF. Quá trình chồng chập được thực hiện theo cách: điểm ảnh 1 của hàng 1 được kế tiếp bởi điểm ảnh 1 của hàng 2, cứ như vậy cho đến điểm ảnh 1 của hàng thứ N, tiếp đó đến điểm ảnh 2 của hàng 1, điểm ảnh 2 của hàng 2…và điểm ảnh 2 của hàng N cho đến hết. Quá trình này được thực hiện như hình 3.10 trong đó mỗi hàng được dịch đi Δx so với hàng ảnh kề trước nó.
e. Xác định LSF
Sau khi xác định được ESF, LSF sẽ được tính tốn bằng hàm vi phân như sau:
Đường cong ESF và LSF được minh họa trong hình 3.11 sau đây.
Hình 3.11. Ví dụ minh họa xác định ESF và LSFf.Tính tốn MTF f.Tính tốn MTF
MTF được xác định bằng cách sử dụng biến đổi Fourier đối với LSF. Đường cong MTF có dạng như trong hình 3.12.
Hình 3.12. Ví dụ minh họa đường cong MTFg. Đánh giá MTF g. Đánh giá MTF
Giá trị ngưỡng của MTF được nhà sản xuất cung cấp, được xác định trên cơ sở hệ thống quang học được thiết kế cho mỗi loại vệ tinh khác nhau. Đối với vệ tinh VNREDSat-1, giá trị MTF ngưỡng là 0,08. Nếu giá trị MTF tính tốn thấp hơn giá trị ngưỡng thì dữ liệu ảnh không đảm bảo chất lượng và không được đưa vào sử dụng. Nếu cao hơn giá trị ngưỡng thì dữ liệu được tiến hành sản xuất ảnh.
3.4 Quy trình đánh giá chất lượng theo nhu cầu sử dụng
Mặc dù đảm bảo chất lượng theo thiết kế của hệ thống, tuy nhiên chất lượng ảnh có thể vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng. Căn cứ nhu cầu sử dụng và thông số kỹ thuật của dữ liệu ảnh, đề xuất các mức chất lượng tương ứng với giá trị MTF.
Hầu hết các hệ thống vệ tinh thực hiện đánh giá chất lượng ảnh thông qua các giá trị SNR, MTF mới chỉ dừng lại ở mức so sánh với thiết kế ban đầu mà chưa đề xuất mức chất lượng trên cơ sở nhu cầu của người dùng.
Quy trình đánh giá chất lượng theo nhu cầu sử dụng là một phần mới được đề xuất trong quy trình đánh giá chất lượng ảnh và được mơ tả trong hình 2.36 dưới đây, trong đó bao gồm các bước sau:
a. Dữ liệu ảnh cấp cho người dùng
Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 có độ phân giải không gian tối đa là 2,5m đối với kênh tồn sắc và có khả năng tăng cường chất lượng ảnh bằng cách trộn dữ liệu toàn sắc và dữ liệu đa phổ (độ phân giải không gian 10m) để thu được dữ liệu ảnh có độ phân giải khơng gian cao (2,5m) và mang thêm thông tin về đối tượng được chụp ảnh.
b. Đánh giá phù hợp
Xuất phát từ nhu cầu thực tế sử dụng dữ liệu VNREDSat-1 trong việc thành lập, hiện chỉnh, xây dựng bản đồ chuyên đề,… ở các tỉ lệ 1:25.000, 1:50.000, đề xuất các mức đánh giá chất lượng dựa trên thơng số MTF tương ứng như sau:
• Giá trị MTF trong khoảng < 0,15: mức xấu, không nên sử dụng
• Giá trị MTF trong khoảng 0,15-0,2: mức trung bình, nên sử dụng cho tỉ lệ 1:50.000 và nhỏ hơn
• Giá trị MTF > 0,2: mức tốt, có thể sử dụng cho tỉ lệ 1:25.000 và nhỏ hơn
c. Tăng cường chất lượng MTF của ảnh
Trong trường hợp dữ liệu ảnh có giá trị MTF thấp hơn u câu, ví dụ giá trị MTF là 0,15 trong khi yêu cầu sử dụng là tỉ lệ 1:25.000 thì cần thực hiện cơng tác tăng cường chất lượng ảnh, để đảm bảo chất lượng dữ liệu đáp ứng yêu cầu.
Bản chất của quá trình tạo ảnh hình học qua các hệ thống quang học là nhân chập hàm lan truyền điểm ảnh, và giá trị MTF là giá trị tuyệt đối của biến đổi Fourier của hàm làn truyền điểm PSF, nên để tăng cường chất lượng ảnh có thể sử dụng phương pháp nhân chập ngược.
PSF của một hệ thống quang học có thể được mơ tả bởi một hàm PSF(u,v,x,y). Hàm này sẽ chuyển một mảng đầu vào g(u,v) trong không gian vật thành mảng đầu ra R(x,y) trong không gian ảnh [49]
Với đa phần các hệ thống quang học, hàm PSF có để được xấp xỉ gần đúng bởi hàm Gaussian đối xứng trịn [1]
Trong đó x và y là toạ độ của điểm ảnh trong không gian ảnh ngang và dọc theo đường bay, u và v là toạ độ của vật được chụp trong không gian vật tương ứng. Thơng số ο được xác định bởi kích thước điểm ảnh. Hồi đáp chuẩn hóa
Hình 3.13. Lan truyền cường độ bức xạ tại một điểm ảnh
Trên hình 3.13 cho thấy, cường độ bức xạ tại một điểm ảnh thu nhận bởi hệ quang học chụp ảnh là một hàm chồng chập của nhiều điểm ảnh lân cận. Các điểm ảnh càng xa điểm ảnh được xét càng có ít ảnh hưởng lên điểm ảnh này. Một điểm ảnh thu được một tín hiệu hồn hảo khi tín hiệu của điểm ảnh này chỉ do bức xạ chiếu đến đúng vật mà nó chụp sinh ra.
Do một hệ thống chụp ảnh bao gồm cả hệ thống quang học và đầu thu là một hệ thống rời rạc, với phần tử thu nhận ảnh nhỏ nhất là một điểm ảnh, phương trình PSF ở trên có thể được viết lại dưới dạng rời rạc. Theo hình trên, khi tính tốn mức bức xạ thu nhận được tại một điểm ảnh, chỉ xét mức bức xạ tại điểm ảnh đó và một vài đóng góp bức xạ từ các điểm ảnh lân cận. Gọi α là đáp ứng tích phân của đầu thu đối với bức xạ từ điểm ảnh đang xét và các điểm ảnh lân cận. được chuẩn hố bởi đáp ứng trung bình. PSF rời rạc trong khơng gian hai chiều có thể được viết lại thành [56]
Biểu diễn PSF dưới dạng rời rạc trong không gian hai chiều dưới dạng như trên, viết lại ma trận 3x3 trong phương trình trên trở thành {PSFi,j(α)}, i,j = 1,2,3, mối quan hệ giữa mức bức xạ thu nhận được tại một điểm ảnh sau khi đã có ảnh hưởng từ PSF tại mỗi điểm ảnh (p,l) (ngoại trừ các điểm ảnh tại rìa ảnh) là [94]
với p = 2,....,M-1 và l = 2,...,N-1, trong đó M và N lần lượt là số lượng điểm ảnh trên một hàng ảnh và số lượng hàng ảnh trên một cảnh ảnh.
Đối với ảnh viễn thám quang học, do ảnh được chụp từ khoảng cách rất xa, giới hạn phân biệt của một thiết bị quang học được tính như sau:
fcutoff = D/λF (3.9)
Theo đó, đóng góp của một điểm ảnh thứ i vào điểm ảnh thứ j trong khơng gian ảnh (x,y) được tính bởi:
Do mẫu vật được chụp g(u,v) có thể có độ phân giải khơng gian nằm trong hoặc nằm ngoài giới hạn phân biệt của hệ thống thu nhận ảnh, phương trình trên được xấp xỉ theo cơng thức nhân chập ngược trong phương trình 2.36 như sau:
Đối với một cảnh ảnh vệ tinh, mỗi hàng ảnh có thể chứa đến hàng ngàn điểm ảnh, một cảnh ảnh có thể chứa đến hàng chục ngàn hàng ảnh, số lượng phép tính phải tính theo phương trình trên là rất lớn.
Dữ liệu ảnh cấp cho người dùng Tiêu chí sử dụng Đánh giá phù hợp Khơng đạt Đạt Dữ liệu ảnh thỏa mãn u cầu
Hình 3.14. Quy trình đánh giá chất lượng theo nhu cầu sử dụngd. Dữ liệu ảnh thoả mãn yêu cầu d. Dữ liệu ảnh thoả mãn yêu cầu
Đây là dữ liệu ảnh đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của hệ thống chụp ảnh cũng như các tiêu chí của người dùng.
3.5 Bãi kiểm định phục vụ công tác đánh giá chất lượng ảnh
3.5.1 Bãi kiểm định cố định
Tùy theo mục đích, mức độ chính xác, độ ổn định của thiết bị thu nhận ảnh và sản phẩm ảnh đầu ra của các hệ thống vệ tinh mà có thể lựa chọn các bãi kiểm định đơn lẻ hay thành mạng lưới, dạng tự nhiên hay nhân tạo. Trên cơ sở đó, có thể chia các bãi kiểm định cố định thành các dạng sau [35,23]
- LES (Land Equipped Site): Bãi kiểm định trên đất liền có trang thiết bị - SES (Sea Equipped Site): Bãi kiểm định trên biển có trang thiết bị
- LNES (Land Non Equipped Site): Bãi kiểm định trên đất liền khơng có thiết bị - SNES (Sea Non Equipped Site): Bãi kiểm định trên biển khơng có trang thiết bị Một bãi kiểm định được lựa chọn cần định danh thông qua các thông tin như sau: - Tên
- Tọa độ (kinh độ và vĩ độ) - Quốc gia
Một bãi kiểm định cần đáp ứng một số thông tin cơ bản nhất định để đảm bảo tiêu chuẩn cho mục đích kiểm định, đồng thời cũng có thể đáp ứng cho nhiều mục đích trong
Tăng cường chất lượng MTF của ảnh
công tác kiểm định. Tuy nhiên, đối với mỗi loại bãi kiểm định khác nhau lại cần đáp ứng những yêu cầu khác nhau [95,35,71,14]. Tổng hợp các điều kiện cần thiết đối với các bãi kiểm định được thể hiện trong bảng 3.2 dưới đây [35]
Bảng 3.2. Thông tin yêu cầu mô tả đối với mỗi bãi kiểm định
Yêu cầu LES SES LNES SNES
Vị trí vật chuẩn X X X X
Thơng tin lý luận X X
Khí hậu khu vực X X X X
Phương pháp kiểm định X X
Thiết bị đo đạc tại vật chuẩn X X
Độ chính xác đo đạc X X
Sử dụng vật chuẩn X X X X
Kế hoạch lấy mẫu X
Thông tin liên hệ X X X X