- Lọc ngưỡng: xét các điểm ảnh dƣơng trên mặt nạ nhị phân kết quả của bƣớc trƣớc. Nếu giá trị gradient vƣợt ngƣỡng max_val thì điểm ảnh đó chắc chắn là cạnh. Các điểm ảnh có độ lớn gradient nhỏ hơn ngƣỡng min_val sẽ bị loại bỏ. Còn các điểm ảnh nằm trong khoảng 2 ngƣỡng trên sẽ đƣợc xem xét rằng nó có nằm liên kề với những điểm ảnh đƣợc cho là "chắc chắn là cạnh" hay khơng. Nếu liền kề thì giữ, cịn khơng liền kề bất cứ điểm ảnh cạnh nào thì loại (xem hình 2.22)
Hình 2.22. Ví dụ minh họa về ngưỡng lọc
2.6 Tiểu kết chƣơng 2
Q trình phân tích mối liên hệ giữa thiết bị chụp ảnh và chất lƣợng ảnh đã làm rõ tính khoa học và tiêu biểu của MTF và SNR trong việc thể hiện chất lƣợng ảnh của vệ tinh viễn thám quang học về độ phân giải không gian, độ sắc nét, cung cấp thông tin chuyên đề giá trị. Thông qua hai thông số này đánh giá đƣợc hoạt động của thiết bị chụp ảnh trên vệ tinh trong điều kiện không thể tiếp xúc trực tiếp, hay khơng có các mơ hình mơ phỏng hoạt động của thiết bị.
Để tính tốn SNR, cần dựa trên việc lựa chọn các yếu tố: lựa chọn khu vực để tính tốn, thuật tốn tính giá trị trung bình và nhiễu, và thời điểm áp dụng. Khu vực để tính tốn thƣờng đƣợc chọn là khu vực đồng nhất để đảm bảo mức bức xạ đồng đều; phƣơng pháp tính tốn theo độ lệch chuẩn cục bộ vẫn là phƣơng pháp đƣợc lựa chọn áp dụng phổ biến; và thời điểm áp dụng phụ thuộc vào quyết định của đơn vị vận hành vệ tinh.
Trong điều kiện hiện nay của Việt Nam còn thiếu phịng thí nghiệm cũng nhƣ các thiết bị nên phƣơng pháp hiệu chỉnh bức xạ qua hai thông số DS, PRNU đƣợc thực hiện gián tiếp qua việc tính tốn từ dữ liệu ảnh mức 0 chụp các bãi kiểm định tự nhiên trên thế giới là khu vực Đại Tây Dƣơng, sa mạc Lybia, sa mạc Algeria.
Phƣơng pháp đƣợc đề xuất để tính tốn SNR phù hợp với điều kiện của Việt Nam là sử dụng cảnh đơn và tính tốn theo độ lệch chuẩn cục bộ. Bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột đƣợc sử dụng để tính tốn SNR.
Để tính tốn MTF, có nhiều phƣơng pháp đƣợc đƣa ra từ việc dựa trên các thuật toán nhƣ độ phân giải kép, hay dựa vào các thiết bị đặc trƣng trên vệ tinh, cho đến sử dụng các bãi kiểm định trên mặt đất; với sự phát triển nhƣ hiện nay, đã xuất hiện một số nghiên cứu tính tốn MTF sử dụng phƣơng pháp học máy nhƣng vấn đề cịn hạn chế chính là bộ mẫu cần thiết để triển khai rộng rãi phƣơng án này.
Phƣơng pháp tính tốn MTF đƣợc đề xuất cho điều kiện Việt Nam là phƣơng pháp sử dụng bãi kiểm định dạng cạnh trên cơ sở thực tế bãi kiểm định tại thành phố Buôn Ma Thuột, Đắk Lắk; và sử dụng bãi kiểm định tại Salon de Provence để đánh giá tại thời điểm chƣa có bãi kiểm định của Việt Nam. Trong đó, việc chiết tách cạnh đƣợc thực hiện theo phƣơng pháp Canny thay cho các thuật toán tuyến tính thƣờng đƣợc sử dụng trƣớc đây. Lý do để lựa chọn phƣơng pháp này là: dữ liệu ảnh ngày càng đƣợc mã hóa với mức lƣợng tử lớn hơn, dẫn đến các sai số ngày càng lớn khi chiết tách cạnh bằng các thuật tốn tuyến tính; phƣơng pháp Canny sử dụng ƣu điểm của ảnh gradient là làm nổi bật cạnh, sẽ hạn chế đƣợc sai số khi chiết tách cạnh.
CHƢƠNG 3: ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ CHÂT LƢỢNG ẢNH VIỄN THÁM QUANG HỌC PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM
Trên cơ sở tham khảo các quy trình đánh giá các thơng số chất lƣợng ảnh đã công bố [4], nghiên cứu sinh đã thay đổi cho phù hợp nhằm đánh giá chất lƣợng ảnh theo các chỉ tiêu kỹ thuật và kết hợp với yêu cầu của ngƣời sử dụng, từ đó đề xuất một quy trình đánh giá chất lƣợng ảnh tổng thể, đáp ứng về cả mặt kỹ thuật cũng nhƣ thực tế sử dụng. Quy trình này đƣợc minh họa cụ thể nhƣ trong hình 3.1 dƣới đây.
Hiệu chỉnh bức xạ Đánh giá qua thông số SNR Đánh giá qua thông số MTF Đánh giá theo nhu cầu
sử dụng ảnh Dữ liệu ảnh mức 0 Tệp tin hiệu chỉnh hệ thống
Hình 3.1. Quy trình đánh giá chất lượng ảnh tổng thể
Dữ liệu đầu vào của quá trình hiệu chỉnh bức xạ là dữ liệu ảnh mức 0, sau khi hiệu chỉnh bức xạ sẽ sử dụng dữ liệu mức 1A tại khu vực đồng nhất để đánh giá chất lƣợng ảnh qua thông số SNR. Việc đánh giá thơng qua MTF đƣợc thực hiện sau đó với dữ liệu mức 1A tại các bãi kiểm định. Trƣớc khi dữ liệu đƣợc cung cấp cần thực hiện đánh giá chất lƣợng dữ liệu theo nhu cầu sử dụng, và thực hiện việc tăng cƣờng chất lƣợng nếu cần thiết.
Quy trình hiệu chỉnh bức xạ, đánh giá chất lƣợng ảnh qua thông số SNR, MTF đƣợc thực hiện theo chu kỳ nhất định, tùy theo điều kiện thực tế vận hành của mỗi hệ thống vệ tinh. Quy trình đánh giá theo nhu cầu sử dụng ảnh đƣợc thực hiện không theo chu kỳ mà phụ thuộc nhu cầu sử dụng của từng trƣờng hợp cụ thể.
Kết quả của các quy trình hiệu chỉnh, đánh giá đƣợc đƣa vào tệp tin hiệu chỉnh để cập nhật cho hệ thống thu nhận ảnh. Tệp tin hiệu chỉnh hệ thống này lƣu trữ giá trị hiệu chỉnh của mỗi điểm ảnh cho từng kênh ảnh của dữ liệu, tệp tin này đƣợc đƣa lên vệ tinh hoặc sử dụng tại trạm thu nhận ảnh mặt đất.
3.1 Quy trình hiệu chỉnh bức xạ
Mục tiêu của quá trình hiệu chỉnh bức xạ là nhằm chỉnh sửa các sai lệch và thu lại các dữ liệu hữu ích từ dữ liệu ảnh thơ. Sau q trình hiệu chỉnh bức xạ, dữ liệu ảnh phải tƣơng ứng với mức bức xạ đầu vào trên mặt đất cho từng kênh phổ.
Do các điểm ảnh không giống hệt nhau về mức độ hồi đáp và độ lệch tín hiệu tối, nên các đặc tính này của điểm ảnh cần phải đƣợc đo đạc riêng biệt và thực hiện hiệu chỉnh bức xạ. Quá trình hiệu chỉnh bức xạ đƣợc thực hiện đối với tín hiệu tối và mức độ hồi đáp khơng đồng đều của điểm ảnh. Quy trình cụ thể đƣợc trình bày dƣới đây.
3.1.1 Hiệu chỉnh tín hiệu tối (DS)
Dữ liệu ảnh mức 0 Thống kê giá trị bức xạ các điểm ảnh Tệp tin DS cũ Loại bỏ giá trị xấu
Hiệu chỉnh DS Tệp tin DS mới Giá trị ngưỡng DS Dưới ngưỡng Trên ngưỡng So sánh Dữ liệu ảnh mức 1A Tệp tin hiệu chỉnh DS Hình 3.2. Quy trình hiệu chỉnh DS a. Dữ liệu ảnh mức 0
Trên Trái đất, biển và đại dƣơng là các bề mặt trải rộng ít phản xạ hơn. Tính đặc biệt này bao phủ toàn bộ dải quang phổ hồng ngoại sóng ngắn, hồng ngoại khả kiến và sóng ngắn. Hơn nữa, khơng có nguồn bức xạ gây nhiễu khi khu vực này đủ xa các bờ biển. Do đó, vào ban đêm, những khu vực nhƣ vậy là thích hợp nhất để tạo ra tín hiệu tối. Vì những lý do này, dữ liệu mức 0 để hiệu chỉnh tín hiệu tối thƣờng đƣợc chụp ở các đại dƣơng vào ban đêm, và cần tránh ngày trăng tròn.
b. Thống kê giá trị bức xạ của các điểm ảnh
Thống kê (giá trị trung bình và độ lệch chuẩn cho mỗi điểm ảnh) thƣờng đƣợc thực hiện trên hơn 10.000 dòng (tức là 10.000 mẫu thời gian trên mỗi điểm ảnh), đủ lớn để tính tốn một thống kê có liên quan về tín hiệu tối (thƣờng là 500 hoặc 1000 các mẫu đƣợc cho là đủ). Khi đó các giá trị trung bình tƣơng ứng với tín hiệu tối và độ lệch chuẩn đặc trƣng cho nhiễu tối.
c. Loại bỏ giá trị xấu
Giá trị trung bình của tín hiệu tối phải đƣợc đánh giá trong từng kênh phổ và đối với mỗi điểm ảnh đơn lẻ (tức là tính khơng đồng nhất của tín hiệu tối phải đƣợc đặc trƣng), để hiệu chỉnh hình ảnh thơ từ tín hiệu này.
Thực tế khi chụp ảnh biển hay đại dƣơng vào ban đêm gặp nguồn sáng lạ nhƣ tàu thuyền,… dẫn đến sai lệch kết quả. Do vậy cần lọc bỏ các hàng ảnh có dữ liệu “xấu” này, độ lệch tối đa so với giá trị trung bình thƣờng đƣợc quy định theo mỗi thiết bị chụp ảnh, đối với VNREDSat-1, giá trị này là 7LSB.
d. Tệp tin DS mới
Tệp tin tín hiệu tối mới đƣợc tạo ra sau khi đã loại bỏ các giá trị xấu, gây ảnh hƣởng đến chất lƣợng đánh giá.
e. So sánh giá trị DS
Tệp tin hiệu chỉnh mới đƣợc so sánh với tệp tin hiệu chỉnh cũ để tính tốn ra sai số giữa hai lần hiệu chỉnh ; sai số này đƣợc so sánh với ngƣỡng tín hiệu tối mà nhà sản xuất thiết bị chụp ảnh đƣa ra. Nếu sai số dƣới ngƣỡng thì có thể tiếp tục tính tốn SNR; trong trƣờng hợp sai số vƣợt qua ngƣỡng thì cần phải hiệu chỉnh lại.
f. Hiệu chỉnh DS
Dòng tối đƣợc hiệu chỉnh bằng cách cập nhật trực tiếp lên hệ thống thu nhận ảnh trên vệ tinh hoặc cập nhật vào hệ thống thu nhận ảnh tại các trạm mặt đất. Trong thực tế vận hành hiện nay, phƣơng án cập nhật vào các trạm thu nhận ảnh đƣợc sử dụng nhiều hơn, vì lý do đảm bảo an toàn cho quả vệ tinh. Kết quả đồng thời của việc hiệu chỉnh là tệp tin hiệu chỉnh DS, đƣợc dùng để tạo ra tệp tin hiệu chỉnh bức xạ.
3.1.2 Hiệu chỉnh mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh (PRNU)
PRNU bao gồm bản thân sự thay đổi mức hồi đáp từng điểm ảnh của cảm biến và của thành phần điện tử, quang học (nhƣ sự giảm bức xạ từ trung tâm đến cạnh xảy ra trong tiêu diện). Tƣơng tự nhƣ tín hiệu tối, mục tiêu phần này là xác định đặc điểm của sự không đồng nhất này để hiệu chỉnh dữ liệu nhằm đƣa ra sản phẩm tốt nhất có thể. Q trình hiệu chuẩn này cịn đƣợc gọi là cân bằng và bao gồm việc đánh giá mức hồi đáp của từng cảm biến so với mức hồi đáp trung bình trong trƣờng nhìn.
Sự khơng đồng nhất thƣờng đƣợc mô tả bằng cách coi sự hồi đáp của điểm ảnh gồm ba phần chính là: thành phần tần số thấp, có liên quan đến phần quang học của hệ thống tạo ra sự giảm bức xạ "tự nhiên" từ tâm đến rìa của mặt phẳng tiêu điểm; đóng góp chuỗi
điện tử, quyết định giá trị độ xám đầu ra; và một thành phần tần số cao, do các thuộc tính của cảm biến.
Quy trình hiệu chỉnh mức độ hồi đáp khơng đồng đều của điểm ảnh đƣợc mơ tả nhƣ hình 3.3 dƣới đây. Trên ngưỡng Dữ liệu ảnh mức 0 Tính giá trị trung bình của ảnh Lọc Tệp tin PRNU cũ Giá trị ngưỡng PRNU Tệp tin PRNU mới Hiệu chỉnh PRNU Dưới ngưỡng So sánh Dữ liệu ảnh mức 1A Tệp tin hiệu chỉnh PRNU
Hình 3.3. Quy trình hiệu chỉnh PRNU a. Dữ liệu ảnh mức 0 a. Dữ liệu ảnh mức 0
Để đánh giá thông số mức độ hồi đáp không đồng đều của điểm ảnh (PRNU), dữ liệu ảnh đƣợc sử dụng là ảnh chụp trên khu vực có mức bức xạ đồng nhất. Trên bề mặt Trái đất những khu vực này thƣờng là sa mạc hoặc núi băng. Trong nghiên cứu, dữ liệu ảnh chụp các sa mạc đƣợc sử dụng làm dữ liệu đầu vào, các khu vực này đƣợc coi là đồng nhất và bất biến về mặt phản xạ theo thời gian [26,35,41,36,68]
b. Tính giá trị trung bình của ảnh.
Do tín hiệu đƣợc tích hợp dọc the các cột để giá trị trung bình chỉ bị ảnh hƣởng bởi điểm ảnh của mỗi hàng ảnh, nên giá trị trung bình của ảnh trong trƣờng hợp này đƣợc tính theo các hàng ảnh.
c. Lọc
Để tín hiệu đầu ra chỉ cịn là ảnh hƣởng của phần điện tử, các thành phần tần số thấp và tần số cao trong PRNU sẽ đƣợc lọc. Thành phần tần số thấp đƣợc lọc để loại trừ sự thay đổi chậm có thể có do hiệu ứng cảnh quan hoặc hƣớng trong trƣờng nhìn. Từ tín hiệu thu đƣợc, suy ra thành phần tần số cao. Kết hợp với tần số thấp đƣợc xác định ngay từ trƣớc khi phóng và giả định là ổn định theo thời gian với thành phần tần số cao tạo ra hệ số cân bằng.
d. Tệp tin PRNU mới
Tệp tin PRNU mới đƣợc tạo ra sau khi thực hiện các phép lọc, và tái tạo lại giá trị PRNU của thiết bị thu nhận ảnh.
e. So sánh giá trị PRNU
Để đánh giá chất lƣợng phổ của thiết bị thu nhận ảnh, giá trị PRNU sau khi tích hợp đƣợc so sánh với tệp giá trị PRNU chuẩn, đƣợc ghi trong tập định dạng CPF do nhà sản xuất thiết bị quang học trên vệ tinh cung cấp hoặc tệp giá trị PRNU đƣợc tính tốn trong chu kỳ đánh giá trƣớc. Nếu giá trị sai số dƣới ngƣỡng nhà sản xuất đƣa ra thì có thể thực hiện tính tốn SNR; nếu giá trị sai số trên ngƣỡng thì cần thực hiện hiệu chỉnh.
f. Hiệu chỉnh PRNU
Tƣơng tự nhƣ trong trƣờng hợp hiệu chỉnh dòng tối, việc hiệu chỉnh PRNU cũng có thể tiến hành theo hai trƣờng hợp: (1) đƣa lên vệ tinh và (2) đƣa vào trạm xử lý ảnh mặt đất. Và phƣơng án thích hợp cho điều kiện Việt Nam hiện nay là đƣa vào trạm xử lý ảnh mặt đất để đảm bảo an toàn cho hệ thống vệ tinh VNREDSat-1. Đồng thời kết quả này cũng sẽ xuất ra tệp tin hiệu chỉnh PRNU.
Kết quả của quá trình hiệu chỉnh bức xạ là tệp tin hiệu chỉnh bức xạ đƣợc tổng hợp từ tệp tin hiệu chỉnh DS và tệp tin hiệu chỉnh PRNU.
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 thông 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 thông 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) Không 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 công 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