CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.2 Thông số đánh giá chất lƣợng ảnh
2.2.3 Thông số phù hợp với Việt Nam
Dựa vào việc phân tích các thông 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 lƣợng ảnh trong điều kiện của Việt Nam hiện nay. Những phân tích cụ thể về điều kiện của Việt Nam đƣợc 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 lƣợng tối đa của tín hiệu thu đƣợc và năng lƣợng nhiễu ảnh hƣởng đến độ chính xác của tín hiệu thu đƣợc (minh họa trong hình 2.6). Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu đƣợc sử dụng để đánh giá chất lƣợng của các hệ thống thu nhận tín hiệu. Trong trƣờng hợp hệ thống chụp ảnh trên vệ tinh, năng lƣợng thu đƣợc là giá trị bức xạ từ vật đƣợc chụp ảnh và nhiễu là mức năng lƣợng thu đƣợc trên ảnh không tƣơng ứng với mức bức xạ của vật đƣợc chụp.
SNR là một trong các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng ảnh, và nó đặc trƣng cho giá trị nhiễu xạ [51]. Và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR đƣợc 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 đƣờng 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 còn đƣợc 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 còn gọi là nhiễu chuẩn hóa, sau khi chuẩn hóa ảnh, phần dƣ có thể khiến các “cột” có thể nhìn thấy đƣợc trên ảnh một khu vực đồng nhất.
Trong trƣờng hợp này, cần phải đánh giá riêng biệt từng nguồn nhiễu. Sau đó chúng đƣợc tổng bình phƣơng để có đƣợc 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 đƣợc bức xạ từ vật đƣợc chụp ảnh mà ngay cả khi không chụp ảnh thì các hoạt động sinh nhiệt cũng tạo ra bức xạ, và cảm biến vẫn ghi nhận mức năng lƣợng này. Điều này dẫn đến các sai số về thông tin của vật đƣợc chụp ảnh. Bên cạnh đó, sự thu nhận năng lƣợng không đồng đều giữa các cảm biến trên bộ cảm cũng gây ra sai lệch thông tin của vật đƣợc chụp ảnh. Hai thông số đại diện cho hiện tƣợng này là tín hiệu tối, và mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh; đây là hai thông số cần đƣợc hiệu chỉnh trƣớc 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 đƣợc đo đạc khi khơng có bức
xạ vào cảm biến. Giá trị trung bình của tín hiệu tối phải đƣợc 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 thƣờng đƣợc thực hiện đầu tiên trên dữ liệu thu đƣợc.
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.
Tƣơng tự nhƣ giá trị tín hiệu tối (DS), PRNU cũng đƣợc sử dụng để hiệu chỉnh dữ liệu ảnh trƣớc khi sản xuất; q trình này cịn đƣợc gọi là q trình cân bằng, và bao gồm việc đánh giá khả năng đáp ứng giữa các cảm biến, cũng nhƣ đáp ứng trung bình trong tồn bộ trƣờng nhìn của thiết bị chụp ảnh.
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 hƣởng trực tiếp đến phân bố giá trị độ xám của dữ liệu ảnh vệ tinh, làm suy giảm chất lƣợng ảnh dẫn đến việc xử lý chiết tách thơng tin gặp khó khăn và có thể sai lệch trong trƣờng hợp xử lý số. Do đó đây là một thơng số quan trọng trong công tác đánh giá chất lƣợng ảnh.
b. Hàm truyền điều biến (MTF)
Sau khi đi qua hệ thống quang học, hình ảnh thu nhận đƣợc sẽ bị giảm độ tƣơng phản, và đại lƣợng đặc trƣng cho sự suy giảm độ tƣơng 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 tƣơng 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 đƣợc sử dụng để đánh giá độ nét và khả năng tái tạo thông tin của hệ thống quang học. Độ tƣơng phản quang học là khái niệm quang học để chỉ khả năng truyền tải độ tƣơng phản của hình ảnh thực tế thành độ tƣơng phản của hình ảnh trên tiêu diện của hệ thống quang học. Thông thƣờng, độ tƣơng phản ảnh không bao giờ đạt đƣợc 100% độ tƣơng 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 tƣơng phản tái tạo đƣợc càng thấp. Khi kích thƣớc của vật nhỏ hơn một giới hạn nào đó, hệ thống quang học khơng cịn phân biệt đƣợc vật, lúc này độ tƣơng phản tái tạo đƣợc là bằng 0.
Giả thiết rằng thiết bị thu nhận ảnh đƣợc 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 tƣợng 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. Ngun tắc hàm lan truyền điểm[20]
Khi đó, MTF là giá trị tuyệt đối của biến đổi Fourier của hàm lan truyền điểm PSF. Đƣợc biểu diễn bằng cơng thức sau: [20]
Nếu phân tích một hệ thống quang học về mặt tần số, chúng ta thƣờng coi giá trị đầu vào là dạng hình sin hơn là dạng các điểm, lúc đó MTF là đáp ứng cƣờng độ của hệ thống quang học đối với các tần số không 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 không 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 tƣợng (xem hình 2.9). Biên độ điều biến đƣợc định nghĩa là cƣờng độ của sự sai khác bức xạ chia cho mức độ xiên, thể hiện nhƣ 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 nhƣng khơng có sự khác biệt khơng gian nào tại bức xạ đó cả, nói cách khác là khơng phân biệt đƣợc các đối tƣợng [20].
Biên độ điều biến M của đối tƣợng 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 tƣơng phản, độ sắc nét của hệ thống quang học, cần đo đạc và khảo sát biểu đồ đƣờng cong MTF của hệ thống đó. Biểu đồ MTF là biểu đồ hai chiều, trong đó trục tung thể hiện độ tƣơng phản, độ sắc nét và trục hoành thể hiện tần số không gian.
Trong trƣờng hợp hệ thống thu nhận ảnh của vệ tinh viễn thám quang học, ngoài hệ thống quang học cịn có hệ thống điện tử xử lý tín hiệu, đồng thời MTF còn chịu ảnh hƣởng của các yếu tố khác nhƣ vận động của vệ tinh, hay sol khí khi chụp đối tƣợng 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 đƣợc biểu đồ MTF của một hệ thống chụp ảnh, cần tiến hành đo đạc các giá trị độ tƣơng phản của ảnh thu đƣợc tại nhiều tần số không gian khác nhau. Tuy nhiên, trong viễn thám, khi chụp ảnh từ vệ tinh việc xác định đƣợc một chuỗi các vật thể có tần số khơng gian khác nhau, có cùng một giá trị tƣơng phản đầu vào là rất khó. Do vậy, đã có một số thuật tốn đƣợc 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 khơng gian xác định. Ví dụ trong hình 2.12 dƣới đây thể hiện biểu đồ độ xám cửa dữ liệu ảnh có giá trị MTF khác nhau (độ mờ khác nhau).
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 đƣờng cong MTF thể hiện hiệu suất của hệ thống quang học về tần số không gian và độ tƣơng phản. Một hệ thống quang học hoàn hảo sẽ không làm giảm độ tƣơng phản của đối tƣợng mà nó có thể chụp đƣợc ảnh, tuy nhiên, vì sẽ ln có quang sai trong bất kỳ hệ thống nào nên việc giảm độ tƣơng 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 tƣơng 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 không gian dọc theo trục hoành, trong khi trục tung biểu diễn độ tƣơng phản.
Hình 2.13. Các hệ thống quang học với đường cong MTF khác nhau[20]
(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 đƣờng cong MTF khác nhau. Trong đó A: là hệ thống quang học có độ phân giải khơng gian và độ tƣơng phản tốt; B là hệ thống có độ tƣơng phản tốt nhƣng độ phân giải khơng gian kém; C là hệ thống có độ phân giải không gian tốt nhƣng độ tƣơng 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 đƣợc thực hiện để tái tạo lại giá trị PSF và tính ra giá trị MTF.