CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.4 Phƣơng pháp đánh giá hàm truyền điều biến (MTF)
2.4.1 Phương pháp dựa trên bãi kiểm định
Hầu hết các phƣơng 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 nhƣ các bề mặt đƣợc 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 gƣơng 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 tƣợng nhân tạo sẵn có nhƣ các cây cầu [46,98], các tòa nhà [56] các đƣờng băng đƣợc sơn [74]. Một số đối tƣợng tự nhiên nhƣ các cánh đồng [74] các ngôi sao [46], đƣờng bao quanh mặt trăng [46], các tảng băng [76] cũng đƣợc sử dụng nhƣ là các mục tiêu để chụp ảnh phục vụ cho việc tính tốn MTF.
Các mục tiêu này có thể đƣợc 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 thƣờng là với một cạnh có độ tƣơng phản trắng đen cao, hay còn gọi là cạnh Heaviside. Các ảnh chụp bãi kiểm định dạng này cho phép tính tốn và thu đƣợc giá trị ESF chính xác. Đạo hàm của tiết diện ESF 1D này cung cấp ƣớc tính của tiết diện MTF mặt cắt ngang 1D trên hƣớng pháp tuyến đối với cạnh chuyển tiếp. Những bãi kiểm định đó có thể là nhân tạo với các bề mặt đƣợc sơn hoặc tấm bạt tối và sáng cụ thể hoặc tự nhiên nhƣ cánh đồng nông nghiệp, bãi đậu xe, chuyển tiếp mặt đất/tịa nhà, chuyển tiếp nƣớc/băng hoặc thậm chí chuyển tiếp khơng gian tối/mặt trăng.
Một số quy tắc đƣợc đƣa ra cho mục tiêu cạnh “thích hợp” (xem hình 2.15), dành riêng cho việc ƣớc lƣợng MTF chính xác [50,19,74]. Mục tiêu phải đủ lớn để có thể chiết xuất mục tiêu cạnh mà không bị ảnh hƣởng bởi nền xung quanh. Khoảng cách chuyển tiếp LT đƣợc trình bày trong hình 2.15 phải lớn hơn phạm vi bán kính của PSF. Và ƣớc 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, độ rộng của bãi kiểm định theo hƣớng của MTF, LW,
góc hƣớng α tƣơng ứng với hƣớng của MTF,
chiều dài LH của bãi kiểm định theo hƣớng vng góc với hƣớng MTF.
b. Bãi kiểm định dạng xung
Một bãi kiểm định dạng xung bao gồm một vùng màu trắng đƣợc bao quanh bởi các vùng màu đen nhƣ hình 2.16 dƣới 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 hƣớng α so với hƣớng của MTF
Độ dài LH của bãi kiểm định theo hƣớng trực giao với MTF.
Hình 2.16. Mẫu bãi kiểm định dạng xung
Độ chính xác của MTF ƣớc tính cho một tần số khơng gian cụ thể phụ thuộc lớn vào độ rộng của mục tiêu xung. Chính xác hơn, do khơng vƣợt qua biến đổi Fourier của xung, sai số bình phƣơng trung bình căn tƣơng đối của bộ ƣớc lƣợng MTF gần bằng 100% đối với các tần số ở vùng lân cận bội số của nghịch đảo độ rộng của xung. Ngƣợc 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 ƣớc tính MTF.
c. Bãi kiểm định dạng xung lực
Một mục tiêu xung lực tƣơng ứng với nguồn điểm hoặc tập hợp các nguồn điểm đƣợc sử dụng để thu trực tiếp PSF đã lấy mẫu với một hay nhiều lƣới lấy mẫu khác nhau (theo không gian hoặc theo thời gian). Các mục tiêu nhân tạo có thể là nguồn "chủ động"
nhƣ đèn Xenon hoặc nguồn "thụ động", chẳng hạn nhƣ gƣơng cầu lồi [19]. MTF có thể thu đƣợc bằng việc sử dụng biến đổi Fourier với PSF của hệ thống. Nó có thể thu đƣợc bằng việc chụp một nguồn sáng nằm trên mặt đất [61,74], hay các ngôi sao [46]
Phƣơng pháp thứ hai để khắc phục việc lấy không đủ mẫu là kết hợp các ảnh với các vị trí khác nhau trên lƣới lấy mẫu để tái tạo lại PSF đƣợc tăng tần số lấy mẫu, từ đó có thể tính đƣợc MTF không bị ảnh hƣởng từ hiệu ứng răng cƣa. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng cho Landsat TM [80,89] với một mảng gồm 16 nguồn điểm thụ động. Việc triển khai một loạt đèn chiếu đã đƣợc nghiên cứu [83], nhƣng phƣơng pháp này quá rƣờm rà.
d. Bãi kiểm định dạng chu kỳ
Mục tiêu tuần hoàn bao gồm các mẫu cụ thể (cạnh hoặc xung) đƣợc 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 đƣợc mơ tả trong hình 2.17.
Các bãi kiểm định dạng này đƣợc thiết kế vào thời điểm ảnh tƣơng 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 xun tâm thích hợp với các vệ tinh có vệt quỹ đạo khác nhau. Chúng cung cấp các ƣớc tính liên tục cho MTF, và cho phép ƣớc 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 phƣơng pháp ƣớc 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. Phƣơng pháp này sử dụng tỉ lệ phổ trong miền Fourier của hai ảnh giống nhau để ƣớc tính tỉ số MTF tƣơng ứng. Phƣơng pháp này địi hỏi các quy trình tiền xử lý nhƣ hiệu chỉnh hình học và bức xạ. Thuật tốn xác định thay đổi cũng có thể đƣợc sử dụng để xác định các khu vực ổn định tạm thời giữa hai lần chụp ảnh.
Có hai cách để áp dụng phƣơng 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 chƣa biết do đó chỉ có thể ƣớc tính MTF tƣơng đối. Đây là phƣơng pháp đã đƣợc hệ thống ảnh SPOT sử dụng để ƣớc tính sự tiến triển tạm thời của MTF vì một vài lý do nhƣ suy giảm phân kỳ hay sự biến thiên MTF theo trƣờng 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 thƣờng ít nhất là 5 lần. Trong trƣờng hợp này, ngay cả khi chƣa biết MTF của ảnh độ phân giải cao, nó sẽ đƣợc giả định tƣơng đƣơng với một giá trị nào đó ở tỉ lệ của ảnh có độ phân giải thấp [57]. Hay nói cách khác, phƣơng pháp này có phép ƣớc tính MTF chính xác của ảnh độ phân giải thấp.
Tuy nhiên việc áp dụng trực tiếp phƣơng pháp độ phân giải hai chiều bị đánh giá là ƣớc tính quá cao MTF do hiệu ứng nhiễu răng cƣa, điều này đã đƣợc các nhà khoa học khác cảnh báo và xác nhận trong các nghiên cứu trƣớc đây [47,45]. Để bù cho những hiệu ứng răng cƣa này, một giải pháp đƣợc đề xuất là phƣơng pháp phân giải kép có tính đến ƣớc lƣợng mật độ cơng suất phổ của thành phần răng cƣa trong ảnh có độ phân giải thấp để ƣớc tính MTF [103].
Bên cạnh đó, áp dụng phƣơng pháp này yêu cầu ln ln có một ảnh có độ phân giải cao hơn ảnh cần ƣớc tính MTF. Điều này sẽ gặp khó khăn trong trƣờng hợp hệ thống vệ tinh mới có ảnh độ phân giải rất cao và khó tìm đƣợc nguồn dữ liệu ảnh có độ phân giải cao hơn (ví dụ ảnh cần ƣớc tính MTF có độ phân giải 0.5m). Vì vậy, phƣơng pháp này tuy có khả năng ứng dụng cao nhƣng cần lựa chọn và cân nhắc trƣớc khi sử dụng, trong thực tế hệ thống SPOT đã áp dụng phƣơng 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 ƣớc tích MTF mà khơng cần có các thơng tin về cảnh ảnh hay các đối tƣợng, trƣờng hợp này đƣợc gọi là các phƣơng pháp “mù”. Một ví dụ về phƣơng pháp này là yêu cầu về các thiết bị đặc thù trên vệ tinh sử dụng
phƣơng pháp đa pha [78]. Kỹ thuật xử lý ảnh theo phƣơng pháp này sẽ đƣa ra giá trị MTF tổng quát từ một bộ nhiều hơn hai ảnh thu đƣợc kèm theo của cùng một đối tƣợng mở rộng hay các cảnh “giàu” tính tự nhiên (nhƣ các khu vực đơ thị).
Thực tế, quá trình xử lý ảnh tƣơng ứng với việc ƣớc tính chung và lặp đi lặp lại của: cảnh ảnh chƣa biết, thơng qua q trình giải chập các cảnh ảnh chƣa biết thông
qua xử lý có tính đến giá trị MTF ƣớc tính trƣớc đó,
MTF, thơng qua mơ hình Zernike có tính đến ƣớc tính hiện tại của đối tƣợng không xác định.
Hai q trình ƣớc tính này đƣợc thực hiện lặp cho đến khi hội tụ [19].
Phƣơng pháp ƣớc tính này phù hợp với những hệ thống vệ tinh có thiết bị đặc thù để ƣớc tính MTF và thiết kế ngay từ đầu.