CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.2 Thông số đánh giá chất lượng ảnh
2.2.3 Thông số phù hợp với Việt Nam
Dựa vào việc phân tích các thơng số đại diện cho yếu tố không gian và bức xạ ở trên, nghiên cứu sinh đề xuất sử dụng hai thông số là MTF và SNR để đánh giá chất lượng ảnh trong điều kiện của Việt Nam hiện nay. Những phân tích cụ thể về điều kiện của Việt Nam được đề cập trong phần 2.5 sau đây.
a. Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR)
Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu là thuật ngữ để thể hiện tỉ lệ giữa giá trị năng lượng tối đa của tín hiệu thu được và năng lượng nhiễu ảnh hưởng đến độ chính xác của tín hiệu thu được (minh họa trong hình 2.6). Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu được sử dụng để đánh giá chất lượng của các hệ thống thu nhận tín hiệu. Trong trường hợp hệ thống chụp ảnh trên vệ tinh, năng lượng thu được là giá trị bức xạ từ vật được chụp ảnh và nhiễu là mức năng lượng thu được trên ảnh không tương ứng với mức bức xạ của vật được chụp.
SNR là một trong các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng ảnh, và nó đặc trưng cho giá trị nhiễu xạ [51]. Và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR được định nghĩa theo cơng thức sau:
Trong đó m là giá trị trung bình của giá trị bức xạ đối với một khu vực đồng nhất
σ là độ lệch chuẩn của các giá trị đó.
Nếu hệ thống chụp ảnh thực hiện quét các đường ảnh bằng các mảng cảm biến CCD, thì nhiễu trong ảnh là sự kết hợp của hai nguồn tách biệt, bao gồm:
• Nhiễu theo cột, hay cịn được gọi là nhiễu thiết bị: nguyên nhân là do dao động Poisson của tín hiệu do bộ cảm biến phát ra và các nhiễu do chuỗi điện tử không đổi khác nhau trên thiết bị.
• Nhiễu theo hàng, hay cịn gọi là nhiễu chuẩn hóa, sau khi chuẩn hóa ảnh, phần dư có thể khiến các “cột” có thể nhìn thấy được trên ảnh một khu vực đồng nhất.
Trong trường hợp này, cần phải đánh giá riêng biệt từng nguồn nhiễu. Sau đó chúng được tổng bình phương để có được giá trị duy nhất.
Hình 2.6. Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu [10]
Đối với các hệ thống chụp ảnh trên vệ tinh, các cảm biến không chỉ nhận được bức xạ từ vật được chụp ảnh mà ngay cả khi khơng chụp ảnh thì các hoạt động sinh nhiệt cũng tạo ra bức xạ, và cảm biến vẫn ghi nhận mức năng lượng này. Điều này dẫn đến các sai số về thơng tin của vật được chụp ảnh. Bên cạnh đó, sự thu nhận năng lượng khơng đồng đều giữa các cảm biến trên bộ cảm cũng gây ra sai lệch thông tin của vật được chụp ảnh. Hai thông số đại diện cho hiện tượng này là tín hiệu tối, và mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh; đây là hai thông số cần được hiệu chỉnh trước khi đánh giá tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu để loại trừ sai số thơ, có tính hệ thống.
Tín hiệu tối (DS) là độ chuyển dịch bức xạ cố định được đo đạc khi khơng có bức
xạ vào cảm biến. Giá trị trung bình của tín hiệu tối phải được đánh giá trên từng kênh phổ và đối với từng điểm ảnh để hiệu chỉnh ảnh thô cho giá trị này. Công tác hiệu chỉnh này thường được thực hiện đầu tiên trên dữ liệu thu được.
Mức độ hồi không đồng đều của điểm ảnh (PRNU) bao gồm sự khác nhau giữa
chính các cảm biến trên bộ cảm khi đáp ứng bức xạ, không bức xạ vào.
Tương tự như giá trị tín hiệu tối (DS), PRNU cũng được sử dụng để hiệu chỉnh dữ liệu ảnh trước khi sản xuất; q trình này cịn được gọi là quá trình cân bằng, và bao gồm việc đánh giá khả năng đáp ứng giữa các cảm biến, cũng như đáp ứng trung bình trong tồn bộ trường nhìn của thiết bị chụp ảnh.
(a) (b)
Hình 2.7. Biểu đồ phân bố độ xám của ảnh khơng có nhiễu (a) và có nhiễu (b) (ảnh VNREDSat-1 chụp ngày 07/03/2016 tại sân bay Tân Sơn Nhất, tp. HCM)
Ví dụ minh họa trong hình 2.7 cho thấy, tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu ảnh hưởng trực tiếp đến phân bố giá trị độ xám của dữ liệu ảnh vệ tinh, làm suy giảm chất lượng ảnh dẫn đến việc xử lý chiết tách thơng tin gặp khó khăn và có thể sai lệch trong trường hợp xử lý số. Do đó đây là một thơng số quan trọng trong công tác đánh giá chất lượng ảnh.
b. Hàm truyền điều biến (MTF)
Sau khi đi qua hệ thống quang học, hình ảnh thu nhận được sẽ bị giảm độ tương phản, và đại lượng đặc trưng cho sự suy giảm độ tương phản với tần số không gian là hàm truyền điều biến MTF.
Trong quang học, hàm truyền điều biến không chỉ thể hiện khả năng truyền tải độ tương phản quang học, độ nét mà cịn có mối liên hệ chặt chẽ với độ phân giải. Biểu đồ MTF của một hệ thống quang học được sử dụng để đánh giá độ nét và khả năng tái tạo thông tin của hệ thống quang học. Độ tương phản quang học là khái niệm quang học để chỉ khả năng truyền tải độ tương phản của hình ảnh thực tế thành độ tương phản của hình ảnh trên tiêu diện của hệ thống quang học. Thông thường, độ tương phản ảnh không bao giờ đạt được 100% độ tương phản vật, mà ln có sự suy hao khi đi qua hệ thống quang
học, ngun nhân chính là do sự lão hóa của thiết bị quang học. Vật có mức độ chi tiết càng cao thì độ tương phản tái tạo được càng thấp. Khi kích thước của vật nhỏ hơn một giới hạn nào đó, hệ thống quang học khơng cịn phân biệt được vật, lúc này độ tương phản tái tạo được là bằng 0.
Giả thiết rằng thiết bị thu nhận ảnh được lấy mẫu liên tục, và có thể đo phân bố bức xạ của ảnh đến độ chính xác khơng gian cần thiết. Nếu coi đối tượng thực sự là một nguồn điểm, thì phân bố hai chiều trên ảnh bằng với đáp ứng xung hay còn gọi là hàm lan truyền điểm (Point Spread Function_PSF). (xem minh họa hình 2.8) [20]
Hình 2.8. Nguyên tắc hàm lan truyền điểm[20]
Khi đó, MTF là giá trị tuyệt đối của biến đổi Fourier của hàm lan truyền điểm PSF. Được biểu diễn bằng cơng thức sau: [20]
Nếu phân tích một hệ thống quang học về mặt tần số, chúng ta thường coi giá trị đầu vào là dạng hình sin hơn là dạng các điểm, lúc đó MTF là đáp ứng cường độ của hệ thống quang học đối với các tần số khơng gian hình sin khác nhau.
Tức là một hệ thống quang học sẽ chụp ảnh một hình sin này và cho ra một hình sin khác. Giới hạn độ phân giải khơng gian của hệ thống quang học thể hiện ở việc suy giảm biên độ điều biến M của ảnh liên quan đến phân bố đối tượng (xem hình 2.9). Biên độ điều biến được định nghĩa là cường độ của sự sai khác bức xạ chia cho mức độ xiên, thể hiện như sau [20]
Hình 2.9. Biên độ điều biến giảm từ đối tượng đến ảnh khi qua hệ thống quang học[20]
Có thể nhận thấy biên độ điều biến M sẽ tiến dần đến 0 khi Amax – Amin tiến đến 0 và
M tiến đến 1 khi Amin tiến đến 0. Khi M =0 có nghĩa là, mặc dù bức xạ trên ảnh vẫn khác
0 nhưng khơng có sự khác biệt khơng gian nào tại bức xạ đó cả, nói cách khác là khơng phân biệt được các đối tượng [20].
Biên độ điều biến M của đối tượng dạng sóng khơng nhất thiết phải đồng nhất, nếu sử dụng điều biến thấp ở đầu vào thì ảnh điều biến cũng sẽ thấp theo tỉ lệ (xem hình 2.10).
Để thể hiện khả năng tái tạo độ tương phản, độ sắc nét của hệ thống quang học, cần đo đạc và khảo sát biểu đồ đường cong MTF của hệ thống đó. Biểu đồ MTF là biểu đồ hai chiều, trong đó trục tung thể hiện độ tương phản, độ sắc nét và trục hồnh thể hiện tần số khơng gian.
Trong trường hợp hệ thống thu nhận ảnh của vệ tinh viễn thám quang học, ngồi hệ thống quang học cịn có hệ thống điện tử xử lý tín hiệu, đồng thời MTF còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác như vận động của vệ tinh, hay sol khí khi chụp đối tượng trên bề mặt Trái đất, thậm chí do chính bản thân các cảm biến,... Giá trị MTF của hệ thống chụp ảnh là tích của nhiều MTF thành phần khác nhau (xem minh họa hình 2.11).
Hình 2.11. MTF hệ thống là tích của nhiều MTF thành phần[20]
Để xác định được biểu đồ MTF của một hệ thống chụp ảnh, cần tiến hành đo đạc các giá trị độ tương phản của ảnh thu được tại nhiều tần số không gian khác nhau. Tuy nhiên, trong viễn thám, khi chụp ảnh từ vệ tinh việc xác định được một chuỗi các vật thể có tần số khơng gian khác nhau, có cùng một giá trị tương phản đầu vào là rất khó. Do vậy, đã có một số thuật tốn được phát triển để xác định một cách gần đúng nhất biểu đồ MTF của hệ thống chụp ảnh thông qua việc nội suy từ giá trị MTF đo đạc tại một tần số không gian xác định. Ví dụ trong hình 2.12 dưới đây thể hiện biểu đồ độ xám cửa dữ liệu ảnh có giá trị MTF khác nhau (độ mờ khác nhau).
(a) (b)
Hình 2.12. Biểu đồ phân bố độ xám của ảnh không mờ (a) và ảnh mờ (b) (ảnh VNREDSat-1 chụp ngày 07/03/2016 tại sân bay Tân Sơn Nhất, tp. HCM)
Đồ thị đường cong MTF thể hiện hiệu suất của hệ thống quang học về tần số không gian và độ tương phản. Một hệ thống quang học hồn hảo sẽ khơng làm giảm độ tương phản của đối tượng mà nó có thể chụp được ảnh, tuy nhiên, vì sẽ ln có quang sai trong bất kỳ hệ thống nào nên việc giảm độ tương phản là không thể tránh khỏi. Không xét đến việc độ phân giải bị giới hạn bởi chính khẩu độ; đồ thị MTF cho thấy một hệ thống quang học làm giảm độ tương phản và độ phân giải đến mức nào so với mức hoàn hảo đối với một hệ thống quang học nhất định (xem minh họa hình 2.13). Hai trục đồ thị biểu diễn tần số khơng gian dọc theo trục hồnh, trong khi trục tung biểu diễn độ tương phản.
(A) (B) (C)
Hình 2.14. Ảnh của các hệ thống quang học với đường cong MTF khác nhau
(ảnh VNREDSat-1 chụp ngày 24/02/2019 khu vực huyện Giang Thành, tỉnh Kiên Giang)
Trong hình 2.14, minh họa dữ liệu ảnh mô phỏng của cùng một khu vực với các đường cong MTF khác nhau. Trong đó A: là hệ thống quang học có độ phân giải khơng gian và độ tương phản tốt; B là hệ thống có độ tương phản tốt nhưng độ phân giải không gian kém; C là hệ thống có độ phân giải khơng gian tốt nhưng độ tương phản kém.
Theo định nghĩa ở trên, để đánh giá thông số MTF của mỗi hệ thống thu nhận ảnh của vệ tinh viễn thám, đã có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện để tái tạo lại giá trị PSF và tính ra giá trị MTF.