CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
3.2 Quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh qua thông số SNR
Đây là công đoạn đầu tiên trong đánh giá chất lƣợng ảnh viễn thám quang học để đảm bảo chất lƣợng dữ liệu đầu vào cho các công đoạn đánh giá tiếp theo
Trong giai đoạn này, dữ liệu mức 0 đƣợc sử dụng để đánh giá chất lƣợng ảnh qua thơng số tín hiệu tối DS, và mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh PRNU, và hiệu chỉnh hai thông số này (nếu cần); sau đó sử dụng dữ liệu chụp các khu vực đồng nhất (các bãi kiểm định nhân tạo, hoặc tự nhiên) để tính tốn giá trị SNR và so sánh với giá trị thiết kế ban đầu đã đặt ra cho mỗi hệ thống vệ tinh viễn thám quang học (đối với VNREDSat-1 là SNR > 100 [31])
Quy trình Đánh giá chất lƣợng ảnh qua thơng số SNR đƣợc mơ tả cụ thể trong hình 3.4 dƣới đây. Dữ liệu ảnh mức 1A Lấy mẫu Tính tốn Giá trị SNR Giá trị ngưỡng SNR Đạt Không đạt Dữ liệu ảnh mức 1A (bãi kiểm định) Khơng sử dụng Đánh giá SNR Hình 3.4. Quy trình đánh giá SNR 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 đƣợc 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 đƣợc thu thập và sử dụng.
b. Lấy mẫu
Các ô mẫu đƣợc lấy là các ô màu đồng nhất trên bãi kiểm định gồm có ơ màu trắng và ô 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 đƣợc 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 tƣơng phản cao, nhiều hệ thống xử lý ảnh đồng nhất nền ảnh với màu đen tuyệt đối, từ đó đƣa giá trị độ lệch trung bình nền ảnh σbg về 0, dẫn đến đƣa giá trị SNR lên lớn vô cùng. Do đó, trong trƣờng hợp này, định nghĩa SNR đƣợc 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 bƣớc đánh giá tiếp theo, trong trƣờng 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 lƣợng ảnh qua thông số MTF
Sau khi chất lƣợng ảnh đảm bảo chất lƣợng theo yêu cầu về SNR, dữ liệu ảnh đƣợc đánh giá chất lƣợng qua thông số MTF, Tƣơng tự nhƣ thông số SNR, mỗi hệ thống vệ tinh viễn thám quang học có một giá trị ngƣỡng MTF khác nhau (đối với VNREDSat-1, giá trị ngƣỡng MTF của hệ thống chụp ảnh là 0,08). Nếu giá trị tính tốn lớn hơn giá trị ngƣỡng thì dữ liệu ảnh đạt chất lƣợng và có thể đƣa vào sử dụng; nếu giá trị tính tốn thấp hơn giá trị ngƣỡng thì dữ liệu ảnh không sử dụng đƣợc. Quy trình đánh giá MTF đƣợc mơ tả nhƣ hình 3.5 dƣới đây.
Lấy mẫu Xác định ESF Xác định LSF Tính tốn MTF Đạt Khơng đạt Giá trị
ngưỡng MTF Đánh giá MTF Không sử dụng
Dữ liệu ảnh cấp cho người dùng Dữ liệu ảnh mức 1A (bãi kiểm định) Chiết tách cạnh 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 ô mẫu đen trắng sẽ đƣợc dùng làm dữ liệu đầu vào cho việc đánh giá MTF.
Các dữ liệu để đánh giá thông số MTF đƣợc sử dụng trong nghiên cứu là dữ liệu VNREDSat-1, mức 1A, chụp bãi kiểm định tại Bn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk, Việt Nam. Ngồi 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 đƣợc 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 đƣợc liệt kê trong bảng 3.1 dƣới 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 đƣợc lấy để làm dữ liệu cho q trình tính tốn MTF là vùng ảnh có chứa một cạnh tƣơng phản giữa hai ô màu đen và trắng, đƣợc 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 đƣợc chọn theo sơ đồ trong hình 3.7 sau đây:
Hình 3.7. Lưới lấy mẫu ảnh
Hàng ảnh 1
2 3 4
Lƣới lấy mẫu ảnh Lƣới lấy mẫu chuẩn hóa
Khoảng cách lấy mẫu đến điểm ảnh lân cận đƣợc cho bởi giá trị p. Khoảng cách lấy mẫu đơn vị theo hai trục x và y là bằng nhau (do trong trƣờng hợp vệ tinh quang học quan sát trái đất hoạt động theo chế độ chổi đẩy nên độ phân giải theo hai trục là tƣơng đƣơng nhau). Giá trị của mỗi điểm ảnh trong hàng điểm ảnh sẽ đại diện cho hàm lan truyền cạnh ESF đƣợc 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 đƣợc chụp nghiêng góc so với đƣờng bay của vệ tinh. Giá trị Δx đƣợc tính theo cơng thức dƣới đây [30]:
Số lƣợng hàng ảnh trung bình lấy trong một cạnh đƣợc cho bởi:
Nhƣ vậy số hàng ảnh đƣợc sử dụng để lấy mẫu đối với bãi kiểm định Buôn Ma Thuột sẽ lần lƣợt là 3,732 hàng ảnh. Nhƣ vậy mỗi cảnh ảnh tại bãi kiểm định, số hàng ảnh đƣợc lấy mẫu là 4 hàng, các điểm ảnh đƣợc lấy đảm bảo tính đồng nhất và khơng bị ảnh hƣởng do nhiễu từ các điểm ảnh ở rìa của ơ mẫu. Các hƣớng lấy mẫu đƣợc mơ tả cụ thể nhƣ hình 3.8 sau đây:
Hình 3.8. Lấy mẫu để đánh giá MTF c. Chiết tách cạnh c. Chiết tách cạnh
Đối với các bãi thử dạng cạnh nhƣ sử dụng trong nghiên cứu, phƣơng pháp chiết tách cạnh từ vùng mẫu đƣợc sử dụng là phƣơng pháp Canny [75,45] nhƣ đã trình bày trong mục 2.5.4, kết quả thu đƣợc đối với một vùng mẫu nhƣ hình 3.9 dƣới đây:
d. Xác định ESF
Một nhóm N hàng ảnh liên tiếp đƣợc sử dụng để tái tạo lại hàm lan truyền cạnh ESF, với N đƣợc xác định sao cho tổng độ dịch cạnh từ hàng thứ nhất đến hàng thứ N có giá trị tƣơng đƣơng với kích thƣớc biểu diễn của một điểm ảnh trên thực tế theo chiều x hoặc chiều y. Do độ dịch của cạnh tƣơng ứng với giá trị kích thƣớc một điểm ảnh biểu diễn trên thực thế có thể tƣơng ứng với một số không nguyên hàng ảnh, số hàng ảnh đƣợc lấy theo điều kiện của cơng thức [56]:
Do đó cần xác định số N là số hàng ảnh sẽ sử dụng. Sau đó N hàng ảnh sẽ đƣợc lấy mẫu chồng chập để tái tạo lại hàm lan truyền cạnh ESF. Quá trình chồng chập đƣợc thực hiện theo cách: điểm ảnh 1 của hàng 1 đƣợc kế tiếp bởi điểm ảnh 1 của hàng 2, cứ nhƣ 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 đƣợc thực hiện nhƣ hình 3.10 trong đó mỗi hàng đƣợc dịch đi Δx so với hàng ảnh kề trƣớc nó.
e. Xác định LSF
Sau khi xác định đƣợc ESF, LSF sẽ đƣợc tính tốn bằng hàm vi phân nhƣ sau:
Đƣờng cong ESF và LSF đƣợc minh họa trong hình 3.11 sau đây.
Hình 3.11. Ví dụ minh họa xác định ESF và LSF f. Tính tốn MTF f. Tính tốn MTF
MTF đƣợc xác định bằng cách sử dụng biến đổi Fourier đối với LSF. Đƣờng cong MTF có dạng nhƣ trong hình 3.12.
Hình 3.12. Ví dụ minh họa đường cong MTF g. Đánh giá MTF
Giá trị ngƣỡng của MTF đƣợc nhà sản xuất cung cấp, đƣợc xác định trên cơ sở hệ thống quang học đƣợc thiết kế cho mỗi loại vệ tinh khác nhau. Đối với vệ tinh VNREDSat-1, giá trị MTF ngƣỡng là 0,08. Nếu giá trị MTF tính tốn thấp hơn giá trị ngƣỡng thì dữ liệu ảnh khơng đảm bảo chất lƣợng và không đƣợc đƣa vào sử dụng. Nếu cao hơn giá trị ngƣỡng thì dữ liệu đƣợc tiến hành sản xuất ảnh.
3.4 Quy trình đánh giá chất lƣợng theo nhu cầu sử dụng
Mặc dù đảm bảo chất lƣợng theo thiết kế của hệ thống, tuy nhiên chất lƣợng ảnh có thể vẫn chƣa đáp ứng đƣợc nhu cầu của ngƣời sử dụng. Căn cứ nhu cầu sử dụng và thông số kỹ thuật của dữ liệu ảnh, đề xuất các mức chất lƣợng tƣơng ứng với giá trị MTF.
Hầu hết các hệ thống vệ tinh thực hiện đánh giá chất lƣợng ảnh thông qua các giá trị SNR, MTF mới chỉ dừng lại ở mức so sánh với thiết kế ban đầu mà chƣa đề xuất mức chất lƣợng trên cơ sở nhu cầu của ngƣời dùng.
Quy trình đánh giá chất lƣợng theo nhu cầu sử dụng là một phần mới đƣợc đề xuất trong quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh và đƣợc mơ tả trong hình 2.36 dƣới đây, trong đó bao gồm các bƣớc sau:
a. Dữ liệu ảnh cấp cho người dùng
Dữ liệu ảnh VNREDSat-1 có độ phân giải khơng gian tối đa là 2,5m đối với kênh toàn sắc và có khả năng tăng cƣờng chất lƣợng ảnh bằng cách trộn dữ liệu toàn sắc và dữ liệu đa phổ (độ phân giải khơng gian 10m) để thu đƣợc dữ liệu ảnh có độ phân giải khơng gian cao (2,5m) và mang thêm thông tin về đối tƣợng đƣợc 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 lƣợng dựa trên thông số MTF tƣơng ứng nhƣ 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 trƣờng hợp dữ liệu ảnh có giá trị MTF thấp hơn yêu 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 cƣờng chất lƣợng ảnh, để đảm bảo chất lƣợng 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 cƣờng chất lƣợng ảnh có thể sử dụng phƣơng pháp nhân chập ngƣợc.
PSF của một hệ thống quang học có thể đƣợc 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 đƣợc 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
đƣờng bay, u và v là toạ độ của vật đƣợc chụp trong không gian vật tƣơng ứng. Thông số
đƣợc xác định bởi kích thƣớc 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, cƣờng 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 đƣợc xét càng có ít ảnh hƣởng lên điểm ảnh này. Một điểm ảnh thu đƣợc 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, phƣơng trình PSF ở trên có thể đƣợc viết lại dƣới dạng rời rạc. Theo hình trên, khi tính tốn mức bức xạ thu nhận đƣợc 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 là đáp ứng tích phân của đầu thu đối với bức xạ từ điểm ảnh đang xét và các điểm ảnh lân cận. đƣợc chuẩn hoá bởi đáp ứng trung bình. PSF rời rạc trong khơng gian hai chiều có thể đƣợc viết lại thành [56]
Biểu diễn PSF dƣới dạng rời rạc trong không gian hai chiều dƣới dạng nhƣ trên, viết lại ma trận 3x3 trong phƣơng trình trên trở thành {PSFi,j()}, i,j = 1,2,3, mối quan hệ giữa mức bức xạ thu nhận đƣợc tại một điểm ảnh sau khi đã có ảnh hƣởng 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 lƣợt là số lƣợng điểm ảnh trên một hàng ảnh và số lƣợng hàng ảnh trên một cảnh ảnh.
Đối với ảnh viễn thám quang học, do ảnh đƣợc chụp từ khoảng cách rất xa, giới hạn phân biệt của một thiết bị quang học đƣợc tính nhƣ sau:
fcutoff = D/F (3.9)
Theo đó, đóng góp của một điểm ảnh thứ i vào điểm ảnh thứ j trong khơng gian ảnh (x,y) đƣợc tính bởi:
Do mẫu vật đƣợc chụp g(u,v) có thể có độ phân giải không gian nằm trong hoặc nằm ngoài giới hạn phân biệt của hệ thống thu nhận ảnh, phƣơng trình trên đƣợc xấp xỉ theo cơng thức nhân chập ngƣợc trong phƣơng trình 2.36 nhƣ 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 lƣợng phép tính phải tính theo phƣơng trình trên là rất lớn.
Tiêu chí sử dụng Đánh giá phù hợp Tăng cường chất lượng MTF của ảnh Không đạt Đạt Dữ liệu ảnh cấp cho người dùng Dữ liệu ảnh thỏa mãn yêu cầu
Hình 3.14. Quy trình đánh giá chất lượng theo nhu cầu sử dụng 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 nhƣ các tiêu chí của ngƣời dùng.
3.5 Bãi kiểm định phục vụ công tác đánh giá chất lƣợng 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 lƣới, 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