CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.4 Phương pháp đánh giá hàm truyền điều biến (MTF)
2.4.1 Phương pháp dựa trên bãi kiểm định
Hầu hết các phương pháp đo đạc MTF trên vệ tinh chính xác đối với các hệ thống thu nhận ảnh quang học đều dựa trên việc phân tích ảnh các mục tiêu đã biết nào đó. Những mục tiêu này có thể là các khu vực nhân tạo như các bề mặt được sơn có chủ đích [81,56,74,87], các tấm vải dầu đặc biệt [74,77], các đơn hay đa điểm sáng [61] hay thậm chí là các mảng gương lồi đều [74]. Đối với các ảnh có độ phân giải thấp và trung bình, các mục tiêu này cũng có thể là các đối tượng nhân tạo sẵn có như các cây cầu [46,98], các tịa nhà [56] các đường băng được sơn [74]. Một số đối tượng tự nhiên như các cánh đồng [74] các ngôi sao [46], đường bao quanh mặt trăng [46], các tảng băng [76] cũng được sử dụng như là các mục tiêu để chụp ảnh phục vụ cho việc tính tốn MTF.
Các mục tiêu này có thể được chia làm 4 kiểu bãi kiểm định sau:
Bãi kiểm định dạng cạnh
Bãi kiểm định dạng xung
Bãi kiểm định dạng xung lực
Bãi kiểm định dạng chu kỳ
a. Bãi kiểm định dạng cạnh
Một bãi kiểm định dạng cạnh thường là với một cạnh có độ tương phản trắng đen cao, hay còn gọi là cạnh Heaviside. Các ảnh chụp bãi kiểm định dạng này cho phép tính tốn và thu được giá trị ESF chính xác. Đạo hàm của tiết diện ESF 1D này cung cấp ước tính của tiết diện MTF mặt cắt ngang 1D trên hướng pháp tuyến đối với cạnh chuyển tiếp. Những bãi kiểm định đó có thể là nhân tạo với các bề mặt được sơn hoặc tấm bạt tối và sáng cụ thể hoặc tự nhiên như cánh đồng nông nghiệp, bãi đậu xe, chuyển tiếp mặt đất/tịa nhà, chuyển tiếp nước/băng hoặc thậm chí chuyển tiếp khơng gian tối/mặt trăng.
Một số quy tắc được đưa ra cho mục tiêu cạnh “thích hợp” (xem hình 2.15), dành riêng cho việc ước lượng MTF chính xác [50,19,74]. Mục tiêu phải đủ lớn để có thể chiết xuất mục tiêu cạnh mà không bị ảnh hưởng bởi nền xung quanh. Khoảng cách chuyển tiếp LT được trình bày trong hình 2.15 phải lớn hơn phạm vi bán kính của PSF. Và ước tính thơ của bán kính này là từ 3 đến 5 lần GSD của hệ thống.
Hình 2.15. Bãi kiểm định cạnh dùng để ước tính MTF
Các thơng số chính của bãi kiểm định là:
sự khác nhau về bức xạ phổ ΔL giữa phần màu sáng và tối,
góc hướng α tương ứng với hướng của MTF,
chiều dài LH của bãi kiểm định theo hướng vng góc với hướng MTF.
b. Bãi kiểm định dạng xung
Một bãi kiểm định dạng xung bao gồm một vùng màu trắng được bao quanh bởi các vùng màu đen như hình 2.16 dưới đây [19,98]. Các thơng số chính:
Chênh lệch bức xạ L giữa các vùng tối và sáng của bãi kiểm định
Độ rộng của xung, W
Góc định hướng α so với hướng của MTF
Độ dài LH của bãi kiểm định theo hướng trực giao với MTF.
Hình 2.16. Mẫu bãi kiểm định dạng xung
Độ chính xác của MTF ước tính cho một tần số khơng gian cụ thể phụ thuộc lớn vào độ rộng của mục tiêu xung. Chính xác hơn, do khơng vượt qua biến đổi Fourier của xung, sai số bình phương trung bình căn tương đối của bộ ước lượng MTF gần bằng 100% đối với các tần số ở vùng lân cận bội số của nghịch đảo độ rộng của xung. Ngược lại, biến đổi Fourier của xung có cực đại cục bộ cho bội số lẻ của nghịch đảo của hai lần độ rộng của xung. Do đó, các vùng lân cận của các tần số đó là phù hợp nhất tần số để ước tính MTF.
c. Bãi kiểm định dạng xung lực
Một mục tiêu xung lực tương ứng với nguồn điểm hoặc tập hợp các nguồn điểm được sử dụng để thu trực tiếp PSF đã lấy mẫu với một hay nhiều lưới lấy mẫu khác nhau (theo không gian hoặc theo thời gian). Các mục tiêu nhân tạo có thể là nguồn "chủ động"
như đèn Xenon hoặc nguồn "thụ động", chẳng hạn như gương cầu lồi [19]. MTF có thể thu được bằng việc sử dụng biến đổi Fourier với PSF của hệ thống. Nó có thể thu được bằng việc chụp một nguồn sáng nằm trên mặt đất [61,74], hay các ngôi sao [46]
Phương pháp thứ hai để khắc phục việc lấy không đủ mẫu là kết hợp các ảnh với các vị trí khác nhau trên lưới lấy mẫu để tái tạo lại PSF được tăng tần số lấy mẫu, từ đó có thể tính được MTF khơng bị ảnh hưởng từ hiệu ứng răng cưa. Phương pháp này được sử dụng cho Landsat TM [80,89] với một mảng gồm 16 nguồn điểm thụ động. Việc triển khai một loạt đèn chiếu đã được nghiên cứu [83], nhưng phương pháp này quá rườm rà.
d. Bãi kiểm định dạng chu kỳ
Mục tiêu tuần hoàn bao gồm các mẫu cụ thể (cạnh hoặc xung) được chu kỳ hóa. Ngay cả khi có thể đánh giá MTF bằng số, các mục tiêu đó trên thực tế chỉ nhằm đánh giá trực quan và nhanh chóng về khả năng phân giải của hệ thống hình ảnh [74]. Ví dụ về các mẫu tuần hồn đó là mẫu ba thanh tiêu chuẩn của USAF hoặc mẫu sao xuyên tâm của Siemens [81] đều được mơ tả trong hình 2.17.
Các bãi kiểm định dạng này được thiết kế vào thời điểm ảnh tương tự phát triển mạnh mẽ, đến thời điểm ảnh số phát triển thì việc sử dụng các bãi kiểm định này lại gặp khó khăn do hiệu ứng lấy mẫu [97].
Bãi kiểm định dạng xuyên tâm thích hợp với các vệ tinh có vệt quỹ đạo khác nhau. Chúng cung cấp các ước tính liên tục cho MTF, và cho phép ước tính MTF tốt hơn so với các bãi kiểm định dạng ba thanh [74]
2.4.2 Phương pháp độ phân giải kép
Đây là phương pháp ước tính MTF với nguyên lý dựa trên cặp ảnh của cùng một khu vực với các kênh phổ giống hệt nhau và khác độ phân giải không gian. Phương pháp này sử dụng tỉ lệ phổ trong miền Fourier của hai ảnh giống nhau để ước tính tỉ số MTF tương ứng. Phương pháp này địi hỏi các quy trình tiền xử lý như hiệu chỉnh hình học và bức xạ. Thuật tốn xác định thay đổi cũng có thể được sử dụng để xác định các khu vực ổn định tạm thời giữa hai lần chụp ảnh.
Có hai cách để áp dụng phương pháp này. Cách thứ nhất là sử dụng hai ảnh có cùng độ phân giải khơng gian, hai giá trị MTF của hai ảnh đều là chưa biết do đó chỉ có thể ước tính MTF tương đối. Đây là phương pháp đã được hệ thống ảnh SPOT sử dụng để ước tính sự tiến triển tạm thời của MTF vì một vài lý do như suy giảm phân kỳ hay sự biến thiên MTF theo trường nhìn của ống kính [74]. Cách thứ hai là hai ảnh sử dụng có độ phân giải khác nhau, ảnh có độ phân giải cao hơn thơng thường ít nhất là 5 lần. Trong trường hợp này, ngay cả khi chưa biết MTF của ảnh độ phân giải cao, nó sẽ được giả định tương đương với một giá trị nào đó ở tỉ lệ của ảnh có độ phân giải thấp [57]. Hay nói cách khác, phương pháp này có phép ước tính MTF chính xác của ảnh độ phân giải thấp.
Tuy nhiên việc áp dụng trực tiếp phương pháp độ phân giải hai chiều bị đánh giá là ước tính quá cao MTF do hiệu ứng nhiễu răng cưa, điều này đã được các nhà khoa học khác cảnh báo và xác nhận trong các nghiên cứu trước đây [47,45]. Để bù cho những hiệu ứng răng cưa này, một giải pháp được đề xuất là phương pháp phân giải kép có tính đến ước lượng mật độ cơng suất phổ của thành phần răng cưa trong ảnh có độ phân giải thấp để ước tính MTF [103].
Bên cạnh đó, áp dụng phương pháp này u cầu ln ln có một ảnh có độ phân giải cao hơn ảnh cần ước tính MTF. Điều này sẽ gặp khó khăn trong trường hợp hệ thống vệ tinh mới có ảnh độ phân giải rất cao và khó tìm được nguồn dữ liệu ảnh có độ phân giải cao hơn (ví dụ ảnh cần ước tính MTF có độ phân giải 0.5m). Vì vậy, phương pháp này tuy có khả năng ứng dụng cao nhưng cần lựa chọn và cân nhắc trước khi sử dụng, trong thực tế hệ thống SPOT đã áp dụng phương pháp này cho ảnh SPOT4 [88,103].
2.4.3 Phương pháp dựa trên thiết bị đặc trưng
Trên vệ tinh có một số thiết bị đặc thù để ước tích MTF mà khơng cần có các thơng tin về cảnh ảnh hay các đối tượng, trường hợp này được gọi là các phương pháp “mù”. Một ví dụ về phương pháp này là yêu cầu về các thiết bị đặc thù trên vệ tinh sử dụng
phương pháp đa pha [78]. Kỹ thuật xử lý ảnh theo phương pháp này sẽ đưa ra giá trị MTF tổng quát từ một bộ nhiều hơn hai ảnh thu được kèm theo của cùng một đối tượng mở rộng hay các cảnh “giàu” tính tự nhiên (như các khu vực đơ thị).
Thực tế, q trình xử lý ảnh tương ứng với việc ước tính chung và lặp đi lặp lại của:
cảnh ảnh chưa biết, thơng qua q trình giải chập các cảnh ảnh chưa biết thơng qua xử lý có tính đến giá trị MTF ước tính trước đó,
MTF, thơng qua mơ hình Zernike có tính đến ước tính hiện tại của đối tượng khơng xác định.
Hai q trình ước tính này được thực hiện lặp cho đến khi hội tụ [19].
Phương pháp ước tính này phù hợp với những hệ thống vệ tinh có thiết bị đặc thù để ước tính MTF và thiết kế ngay từ đầu.