Понятие о цифровом изображении

Обрабатываемые методами фотограмметрии изображения могут быть представлены в раз­личных формах, в зависимости от способа их получения, принятой мо­дели и структуры дан­ных (рис. 6.1).

Аналоговая форма представления изображения объектов ис­пользуется с незапа­мятных времен и предполагает получение его ка­ким-либо образом на физическом носителе – на бу­маге, фотобумаге, фотопленке и др. Во многих случаях аналоговая форма и сегодня яв­ляется ос­новной особенно там, где важна юридическая значимость изображения либо если оно не­обходимо для использования в неста­ционарных условиях.

Цифровая форма изобра­жения возникла вместе с элек­тронными вычислительными машинами и используется для представления изо­бражения в памяти ЭВМ и на магнитных носителях.

Векторная форма цифро­вого изображения предпола­гает пред­ставление его с помо­щью набора примитивов и их комбинаций – то­чек, векторов, гра­ней, ребер и т. п. Эта форма ши­роко используется в цифровой картографии и предполагает, что положение точек изобра­же­ния задано в некоторой координатной системе, выбираемой поль­зо­вателем в зависимости от характера решаемых задач. Элементы век­торного изображения пред­ставляются в одной из двух структур (рис. 6.1), различающихся принципом формирования и опи­сания его эле­ментов, способом доступа к ним, характером связи с окружающими и др.

Растровая форма цифрового изображения предполагает представ­ление его в виде неко­то­рой матрицы (рис. 6.2), соответствующей плос­кости исходного изображения и со­стоящей из квадратных ячеек одина­кового размера, являющихся наименьшими адре­суемыми элемен­тами. Каждый такой элемент, называемый пикселом, соот­ветствует опре­деленному участку исход­ного изо­бражения и характеризуется набо­ром оп­тических па­рамет­ров – цветом, плотностью, яркостью (ин­тен­сивно­стью) и т. п. Приме­рами растрового изо­бражения являются: фо­тоснимок, состоящий из сово­купности очувствленных зерен галоид­ного серебра; га­зетное клише, вос­принимаемое как со­вокупность от­дельных точек и др. Наиболее рас­про­страненной структурой растро­вого представле­ния явля­ется матричная; две другие (пирамидальная и квадродерево) являются ее производными.

Доступ к элементам растрового изображения (пикселам) осущест­вля­ется по номерам столбцов (i_X) и строк (i_Y). Для отсчета координат точек растрового изображения в линейной форме используется система o_Px_Py_P (рис. 6.2), оси которой совмещены с внешними границами первой строки (o_Px_P) и первого столбца (o_Py_P).

Ни­какой информации о раз­мещении матрицы в пространстве (в системе координат местности) в растровом файле, за редким исклю­чением, нет.

В фотограмметрии под цифровым изображением понимают его растровую форму, по­лу­чен­ную непосредственно в процессе съемки с помощью цифровой камеры, либо путем ска­нирова­ния аэронегатива.

2. Характеристики цифрового изображения

Растровое изображение характеризует его геометрическое и радио­метрическое разре­ше­ние.

Геометрическое разрешение цифрового изображения опреде­ляет линейный размер пик­села и представляется либо его ли­ней­ной величиной (в метрах, если размер отне­сен к местно­сти, или в мкм, если речь идет о снимке), или числом точек на дюйм (dpi).

Вели­чина геометрического разрешения определяет качество изо­бражения, точ­ность вычис­лительной обработки, возможности увели­чения и др. В соответ­ствии с требованиями дейст­вующей ин­струкции по фотограм­метриче­ским работам размер элемента геометрического раз­решения опреде­ляют в зависимости от назначения цифровых сним­ков, с уче­том не­скольких крите­риев, в частности:

· требуемой точности определения плановых координат точек

; (6.1)

· требуемой точности определения высот точек

; (6.2)

· сохранения разрешающей способности исходного снимка (изо­бражения):

; (6.3)

· обеспечения требуемого разрешения графических фотопланов (ортофотопла-

нов)

, (6.4)

где M, m – знаменатели масштабов создаваемого плана и аэроснимка соответственно; V_S, V_Z – требуемая точность определения плановых координат и вы­сот точек в метрах; R – разрешаю­щая способность исходного снимка (линий на мм); f, b – фокусное расстояние съемочной ка­меры и базис фотогра­фирования в мас­штабе снимка (мм).

Значения V_S и V_Z принимаются равными 0,2 мм в масштабе плана и 1/5 сечения рельефа со­ответственно.

При M=2000, m=10000, f=100 мм, b=70 мм, R=40 линий на мм, сечении рельефа h=1,0 м будем иметь:

Если цифровые снимки создаются для фотограмметрического сгущения в плане и по вы­соте, изготовления ортофотопланов и при этом нужно сохранить разрешающую способность ис­ход­ных материа­лов, то сканировать нужно с разрешением 10 мкм или 25600/10=2600 dpi.

Заметим, что разрешающая способность современных как аэроне­гативов, так и объек­ти­вов достигает 350–400 линий на миллиметр (по­рядка 1,5–2,0 мкм), что соответствует сум­марной разрешающей спо­собности изображения порядка 4–5 мкм. Эта величина соответст­вует реко­мендациям Международного общества фотограмметрии и дис­танционного зонди­рова­ния (МОФДЗ) и рассматривается как минимальная.

Радиометрическая характеристика определяет число уров­ней квантования ярко­сти ис­ходного изображения (бинарное, мно­го­градиентное) и фотометрическое содержа­ние элемента изображения (одноцветное, полутоновое, цветное, спектрозональное).

Для обозначения плотности (степени потемнения) элемента изо­бражения весь диапа­зон по­лутонов от белого до черного делится на 2ⁿ частей (2, 4, 8, …, 256, …), называемых уров­нями квантования. Ра­диометрическое разрешение изображения обозначают числом бит на пиксел (т. е. показателем степени n).

При формировании бинарного (черно-белого) изображения ис­пользуется всего два уровня квантования, и в нем представлены только белый и чер­ный цвета.

В полутоновом изображении используется 256 уровней квантова­ния, для представления ко­торых в описании элемента изображения резервируется 8 бит (1 байт).

Чер­ному цвету всегда соответ­ствует уровень 0, а белому – уровень 1 би­нарного изображе­ния и уровень 255 полутонового.

Цветное изображение формируется с использованием той или иной палитры (RGB, CMYK и др.), в которых цвет создается пу­тем смешивания основных цветов в про­порциях, со­ответствующих уров­ням их квантования.

Палитра RGB – наиболее распространенная. При ее использова­нии цвета и их от­тенки пере­даются путем смешивания трех основных цветов различной интенсивности: крас­ного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Так, сочетание красного цвета с зеленым дает жел­тый цвет; зеленого с синим – голубой; синего с красным – оранжевый, а всех трех цветов – белый.

Палитра CMYK обеспечивает более качественную передачу от­тенков при смешива­нии че­тырех цветов: голубого (Cyan), сиреневого (Magenta), желтого (Yellow) и черного (blacK). Па­литра CMYK на­хо­дит широкое применение в издательских системах.

В связи с этим для представления одного элемента бинарного изо­бражения необхо­дим 1 бит; полутонового с 256 уровнями квантования – 8 бит (1 байт), а цветного с тем же числом уровней квантования по каждому каналу – 24 бита (3 байта) при использовании палитры RGB или 32 бита (4 байта) палитры CMYK. Требуемый для хранения циф­рового снимка объем па­мяти, в за­висимости от формата кадра (l), гео­метрического (P) и радиометрического раз­реше­ния изобра­же­ния можно подсчитать по формуле

, (6.5)

где R – число байтов для записи радиометрической характеристики (1, 2, 3 или 4 байта).

Расчет объема па­мяти, требуемой для раз­меще­ния в памяти ЭВМ од­ного цифро­вого изобра­жения формата 180´180 и 230´230 мм (табл. 6.1) с радио­метрическим разрешением 8 бит/пиксел показы­вает, что для выполнения с ним со­ответст­вующих опе­раций не­обхо­дима достаточно мощная ЭВМ с большим объемом дис­ковой па­мяти.

3. Фотометрические и геометрические

преобразования

В процессе фотограмметрической обработки снимков возникает необходимость раз­лич­ного рода их преобразований, связанных как с улучшением читаемости, так и с изме­не­нием размеров изображения (например, при уменьшении или увеличении снимков в про­цессе их трансформи­рования). В первом случае говорят о фотометрической коррекции (оп­тических преобразова­ниях) цифрового изображения, а во втором – об изменении его геомет­рического разрешения или о гео­метрических преобразованиях.

Фотометрическая коррекция изображения, или опти­ческие его преобразо­ва­ния, осно­ваны на использовании связи между его ком­понентами, описываемой уравнением:

, (6.6)

где , r_i – оптические плотности элемента изо­бражения до и после фотометрической кор­рекции; a – функция, определяющая соотноше­ние между оптическими плотностями исход­ного и преобразованного изображений; b – параметр ярко­сти.

Преобразования, описываемые уравнением (6.6), можно предста­вить в виде графика (рис. 6.3), отражающего связь оптических плот­ностей элементов изображения до их кор­рекции (вертикальная ось) и после коррекции (горизонтальная ось).

Фотометрическая коррекция вы­полняется путем измене­ния ярко­сти изображения, его контрастности и характера со­от­но­шений между оптическими плотно­стями до и после их преобразо­вания.

Изменение яркости выполняется путем уменьшения или уве­личе­ния параметра b ка­ждого пик­села на одну и ту же вели­чину, что при­водит к тому, что все элементы корректи­руе­мого изо­бражения стано­вятся более светлыми или более темными. Изме­нение яркости группи­рует плотности к ка­кому-либо одному (светлому или темному) краю спектра. На графике (рис. 6.3) это иллюстрируется смещением пря­мой 1 (или кривой 2) вдоль горизон­тальной оси.

Изменение контрастности изображения выполняется с це­лью из­менения различий между плотностями смежных элемен­тов и улучше­ния таким образом читаемости границы ме­жду ними. Увеличение кон­трастно­сти изображения выполняется сле­дующим образом. Если оп­тиче­ская плотность r_Iисхнекото­рого элемента превышает среднее зна­чение, то она увеличи­вается пропорционально уровню квантования, а если она менее среднего, то умень­шается. При этом значения плотно­стей пик­селов как бы смещаются к краям спектра: темные тона стано­вятся еще темнее, светлые – светлее, некоторые их значения исче­зают, но гра­ницы ме­жду элемен­тами изображения ста­новятся более чет­кими. При уменьшении контраст­ности большие плот­ности умень­шаются, а малые – увеличиваются; при этом плотности группиру­ются вблизи центра. Чрезмерное уве­личение контрастности преобразует полутоно­вое изо­бражение в би­нарному, а чрезмерное уменьшение – ведет к его исчезновению.

На графике (рис. 6.3) рассмотренные преобразования соответст­вуют вращению прямой 1 (кри­вой 2) вокруг централь­ной точки.

Гамма-коррекция (тональная коррекция) изображения выпол­няется с целью уве­личе­ния или уменьшения его детальности, что дос­тигается из­менением передаточной функ­ции a уравнения (6.6), опре­деляющей ха­рактер преобразования. На графике гамма-коррекция может со­ответст­вовать изменению кривизны или общего наклона линии 1.

При равномерной передаче оптической плотности (прямая 1 под углом 45° к коорди­нат­ным осям) их значения, соответствующие точ­кам A и A¢, одинаковы. Изменим переда­точ­ную функ­цию a уравнения (6.6) так, чтобы ей соответствовало уравнение кривой 2. Те­перь плотности исходного изображения (точка A) будет соответствовать плотность скоррек­тиро­ванного изо­бражения A², причем A ¹ A².

Заметим, что неправильное использование гамма-коррекции может провести к умень­ше­нию числа полутонов и преобладанию областей одного тона.

При обработке цветных изображений можно выполнить не только изменение яркости, кон­трастности или гамма-коррекцию, но и, меняя соотношение цветов, получить нужные от­тенки.

Геометрические преобразования растрового изображения изменяют его гео­мет­риче­ское разрешение и корректируют радиомет­рические характеристики. Необходимость таких преобразований воз­никает, например, при трансформировании цифрового снимка по эле­ментам внешнего ориентирования, в процессе которого изменяется масштаб изображения и положение его элементов относительно коор­динатных осей. Сходная по характеру задача возникает при внутрен­нем ориентировании цифрового изображения.

В общем случае геометрические преобразования можно условно разделить на про­стые, тре­бующие изменения только геометрического разрешения, и сложные, в результате кото­рого вы­полняется изменение масштаба и поворот изображения.

Простые преобразования выполняются при изменении мас­штаба изображения путем со­ответствующего изменения геометриче­ского раз­решения, когда каждому пикселу исход­ного изображения соответ­ст­вует пик­сел преобразованного с тем же или иным геометриче­ским разреше­нием. При этом формируется новая матрица, эле­ментам ко­торой присваива­ется радиометрическое раз­решение соответствую­щего ему исходного изображения (рис. 6.4).

Сложные преобразования выполня­ются при трансфор­мировании изображе­ния, когда коэф­фициент уве­личения раз­личных его частей неоди­наков или когда выпол­няется разворот на не­который угол. Первая ситуация воз­никает при восстановле­нии, напри­мер, сетки квадратов по ее перспективе, а вторая – при внутреннем ориенти­рова­нии снимка. В обоих слу­чаях (рис. 6.5) каж­дому пикселу фор­мируе­мого изображе­ния соот­ветствует несколько пикселов или их частей ис­ходного изо­бражения, или наобо­рот.

Сущность выполняемых при этом гео­метрических и оп­тических преобразований можно видеть на рис. 6.5, где эле­менты строк и столб­цов исходного изображения обозна­чены циф­рами 1, 2, 3 и бук­вами a, b, c. Соответствующие элементы формируе­мого изобра­жения обозна­чены – цифрами 1¢, 2¢, 3¢ и буквами a¢, b¢, c¢. Совмес­тим левые нижние углы изо­бражений и положим, что элементу 1¢a¢ соответствуют фрагменты четырех элементов исходного растра: 1a (45%), 1b (35%), 2a (15%) и 2b (5%). В этом случае оптическая плот­ность r¢ формируе­мого элемента 1¢a¢ зависит от оптиче­ских плотно­стей r_1a, r_1b, r_2a, r_2b элементов 1a, 1b, 2a и 2b, причем

r¢ =0,45r_1a+0,35r_1b+0,15r_2a+0,05r_2b,

Координаты элемента формируемого изображения находят по ко­ординатам соответ­ст­вую­щего ему элемента исходного изображения, подставляя их в нужную формулу преоб­ра­зования – трансформирова­ния координат точек наклонного снимка, связи координат точек снимка и местности, внутреннего ориентирования снимка или иную.

В современных цифровых фотограмметрических системах для преобразования изображения применяют боле сложных математический аппарат, например – метод билинейной интерполя­ции, когда для формирования оптической плотности выходного пикселя используются плотно­сти четырех пикселей исходного изображения, размещенных в виде окна размером 2х2.

4. Источники цифровых изображений

Цифровые изображения получают двумя способами, один из кото­рых предполагает ска­ни­рование аналоговых фотоснимков (аэронега­тивов), полученных в процессе аэрофото­съемки, а второй – использо­вание цифровых съемочных систем (сенсоров) непосредственно в процессе съемки. В обоих случаях цифровое изображение формиру­ется с помощью либо фотодиодов, либо приемников с зарядовой свя­зью (ПЗС) в форме ПЗС-мат­рицы или ПЗС-ли­нейки с при­мерно оди­наковыми техническими возмож­ностями. Применение ПЗС-матрицы предполагает формирование всего кадра изображения по схеме, анало­гичной фотокамере, где в фокальной плоскости вместо фотопленки располагается ПЗС-матрица. Применение ПЗС-линейки предпо­лагает сканирование местности или изображения параллельными мар­шру­тами с шагом, равным размеру элемента геометриче­ского разрешения.

Сканирование фотоснимков выполняется с помощью оп­тико-электронных прибо­ров – сканеров, которые по принципу испол­нения можно разделить на роликовые, планшетные и ба­рабан­ные, а по точ­ности и назначению – на офисные и фотограмметрические.

Роликовые сканеры имеют малый формат, неподвижную считы­вающую головку и низ­кую точность. Планшетные сканеры – более точные, но низкоскоростные; столбцы и стро­ки изо­бражения задаются перемещениями источника света и считывающей головки. Бара­банные ска­неры не без оснований считаются наиболее точными; строки фор­мируемого изображения зада­ются враще­нием барабана, а столбцы – перемещением считываю­щей головки.

Офисные сканеры характеризуются относительно низким геомет­рическим разреше­нием (от 10 мкм с использованием фотодиодов до 100 мкм на основе ПЗС-линеек), сущест­вен­ными гео­метрическими ошибками положения элементов растра и используются для ска­ни­ро­вания фото­снимков только в исключительных случаях.

Фотограмметрические сканеры характеризуются высоким гео­метрическим разреше­нием (не менее 10 мкм при использовании ПЗС-матриц и ПЗС-линеек) и высокой геометри­ческой точностью, опреде­ляемой величиной ошибки сканирования и повторяемостью (изме­не­нием ошибки в десяти сканированиях). С их помощью можно сканировать черно-белые (штриховые) или цветные снимки. Технические характеристики некоторых наиболее рас­пространенных фо­тограмметрических скане­ров приведены в табл. 6.2; наличие 24-х уров­ней квантования обес­печивает получение цветного изображения (3 канала по 8 бит).

Некоторые фо­тограмметрические сканеры (например, «Дельта» и др.) предусматривают воз­можность сканиро­ва­ния аэро­негати­вов с не­разрезанного аэро­фильма, как это практикуется в фото­грам­мет­ри­чес­ком произ­водстве.

Затраты времени на сканиро­вание характеризуются следую­щими данными для сканера «Дельта» (рис. 6.6): черно-бе­лый снимок формата 23´23 см с гео­мет­ри­чес­ким разре­шением 8 мкм сканиру­ется за 12 ми­нут, а с гео­мет­ри­чес­ким разреше­нием 30 мкм – за 4 ми­нуты. Для по­луче­ния цветного растрового изо­бражения того же формата и с той же геометрической точностью тре­буется 30 и 9 минут соответст­венно.

Важнейшим элементом форми­рования цифрового изо­бражения является эталони­рование ска­нера, осо­бенно в случае, если он не является фотограмметриче­ским. Сущ­ность эталонирования заклю­ча­ется в сканиро­вании кон­трольной сетки с нанесенными на нее гори­зонтальными и вертикальными штри­хами, расстоя­ния между кото­рыми из­вестны с точно­стью 1–2 мкм. На полученном изображении измеряют «пик­сельные» координаты x_P, y_P крестов кон­трольной сетки в системе o_Px_Py_P (рис. 6.2), пре­обра­зуют их в линейную меру с уче­том задан­ного геометрического раз­решения и сравнивают полученные значения с точ­ными ко­орди­натами, отсчи­танными по контрольной сетке. По най­денным разностям коор­динат соответствующих точек строят поле искаже­ний, характеризующее все виды геомет­рических искажений, вносимых скане­ром в той или иной точке поля сканирова­ния.

В последующем изображения, полученные с помощью этого ска­нера, могут быть ис­прав­лены в соответствии с параметрами поля ис­кажений. Имеющиеся публикации свиде­тельст­вуют, что искажения фото­грамметрического сканера можно уменьшить до 1 мкм.

Цифровые съемочные системы (сенсоры) появились только на рубеже ве­ков. К этому времени было достигнуто сопоста­вимое с фото­снимками геометрическое раз­решение (5–6 мкм), появи­лись средства хранения громадных объемов информа­ции (порядка 1 Гб на каждый снимок), создана аппаратура стабилизации съемочной камеры в полете и высоко­точного опре­деления координат центров фо­тографи­рования.

В настоящее время успешно эксплуатируются несколько цифро­вых камер, в частно­сти: ADS40 (фирма LH-System, Швейцария), DMC2001 (фирма Z/I Imaging (США, Герма­ния), HRSC (центр косми­ческих ис­следований Герма­нии DLR) и др., обеспечивающие возмож­ность по­лу­чения изображений как в видимой части спектра, так и в ин­фра­красном диапа­зоне. Имеются данные о Российских цифровых съемоч­ных комплексах ЦТК-140 и ЦТК-70. Не­которые харак­теристики этих камер при­ведены в табл. 6.3.

С точки зрения фотограм­метриче­ской обработки цифровых изо­бражений, получае­мых с по­мо­щью цифровых съемочных систем на ПЗС-линейках, чрезвычайно важны два обстоятельства:

1. Изображения формиру­ются в ре­зультате сканирования ме­стно­сти в на­правлении, перпен­ди­кулярном направ­лению полета. По­этому результатом съемки являются не кадровые снимки, а полосы изо­бра­жений, так что стереоскопиче­ские наблюдения и измерения воз­можны только по полосе перекрытия со смежным маршрутом (рис. 6.7, a).

2. Геометрия сканерных снимков не соответствует центральной проекции, поскольку ка­ждая их строка формируется из собственного центра. Фотограмметрической об­работке та­ких изо­бражений предше­ствует преобразование их в форму, соответствующую законам построе­ния изображений при центральном проектировании.

Отсутствие про­доль­­ных пе­рекрытий сканерных снимков и невозможность создания по ним стереопар суще­ст­венно снижают точ­ность их фото­граммет­риче­ской обработки, поэтому со­временные съемочные сис­темы преду­сматри­ва­ют одновременное применение нескольких ПЗС-линеек, каж­дая из которых форми­рует изображение по определенному направле­нию (рис. 6.7, б).

Так, цифровая система ASD40 имеет в фокальной плоскости три ПЗС-линейки, одна из которых обес­печивает съемку полосы по на­правлению «вперед», вторая – полосы в на­прав­лении точки на­дира («вниз»), а третья – полосы «назад». Совместная обработка трех полос изо­браже­ний по­зволяет получить продольные перекрытия и выпол­нить стереоскопиче­ские наблюдения.

Цифровая съемочная система HRSC (High Resolution Stereo Cam­e­ra) с помощью де­вяти ли­неек ПЗС в фокальной плоскости объектива выполняет съемку одновременно девяти пере­кры­вающихся полос, пять из которых используется для стереообработки, а остальные че­тыре обес­печивают получение изображения в том или ином оптиче­ском диапазоне.

5. Стереоскопические наблюдения и измерения цифровых

изо­бражений

Стереоскопические наблюдения двух изображений возможны при выполнении усло­вий, полностью соответствующих сформулирован­ным в Главе 6 и касающихся съемки с двух раз­личных точек про­странства, разномасштабности изображений, величины угла кон­верген­ции главных оптических осей и тому подобное. Одним из основных усло­вий получения стерео­эффекта явля­ется требование наблюдения каж­дого снимка только одним глазом.

Как и в случае наблюдения аналоговых снимков, основными спо­собами получения сте­рео­скопического эффекта являются анаглифиче­ский, затворный, оптический и др., полу­чив­шие в компьютерном ис­полнении новые возможности. Их реализация учитывает ряд особен­ностей работы с цифровыми изображениями, в частности: про­стота геометриче­ских и фотометриче­ских преобразований, формиро­вание изображения на экране монитора с покадровым (page-flip­ping) или по­строчным (interlace) режимом выводом, наличие видеопамяти и др.

Анаглифический способ стереоско­пических наблюдений не предполагает нали­чия ка­кого-либо специального обору­дования в виде плат или адаптеров, и требует наличия лишь анагли­фических очков. Наблюдаемая при этом стереоскопическая модель формируется по пра­вилам, изложенным ранее для случая наблюдения аналоговых снимков.

Перекрывающиеся части левого и правого изображений, образующие зону стереоскопических наблюдений (рис. 6.8), окрашиваются в допол­нительные цвета и выводятся на экран либо по строкам (четные – левого снимка, а нечетные – правого), либо путем наложения левого на правое. По­лу­ченное на экране монитора со­вмещенное изо­браже­ние рас­смат­рива­ется через анаглифиче­ские очки, стекла которых окра­шены в те же цвета, что и соответствующие им изображения снимков. В ре­зультате наблюда­тель видит пространст­венную модель местности, механизм возникнове­ния которой был рассмотрен ранее применительно к получению стереомодели по аналоговым снимкам. В первом случае наблюдатель видит «разреженное» изобра­жение, что снижает точность стереоскопических измерений, а во втором – цвет и оптиче­ская плотность каждого пикселя суммарного изображения (элемента монитора), формируемые в зависимости от цвета и плотности накла­дывающихся пикселей изображений, что неизбежно ведет к некоторым потерям четкости. Однако в обоих случаях каждый глаз наблюдателя видит только одно изображение, что и вызывает возникновение стереоскопической мо­дели местности.

Затворный способ получения стерео­скопического эффекта ос­нован на специфике пред­став­ления изображения на экране монитора и предполагает применение специальных затвор­ных (жидкокристал­ли­ческих) очков с LCD-затворами (Liquid Crystal Display) различных ти­пов (ИБИК, NuVision, и др.), в кото­рых стекла становятся прозрач­ными поочередно, в соответствии со сменой видеостраниц на экране монитора. Сущ­ность спо­соба заключается в следующем.

Изображения левого и правого снимков форми­руются на страни­цах видеопамяти и по­оче­редно выво­дятся на экран монитора. Наблю­дения выполняются че­рез очки, представ­ляющие собой пару плоско­параллель­ных пластин с заключенным между ними слоем жид­кого кри­сталла, который при воздейст­вии на него электрического импульса может изменять интенсив­ность проходящего через него света так, что в каждый момент времени наблюда­тель восприни­мает изображение на экране монитора только одним глазом, левым или пра­вым. Поскольку смена страниц видеопамяти на экране монитора синхронизи­рована с изменением прозрачности пластин затворных очков при помощи спе­циального канала связи, то наблюдатель видит либо прямой стереоэф­фект, либо обратный. Для смены прямого стереоэффекта на обратный и наобо­рот нужно изме­нить фазу, управляющую последователь­ностью вывода стра­ниц видеопа­мяти.

Покадровый (page-flipping) режим стереонаблюдений предполагает поочередный вывод на экран левого и правого изображений синхронно со сменой прозрачности пластин затворных оч­ков, установленных перед левым и правым глазом. Вывод полных изображений обеспечивает получение более высокого качества стереоизображения, но требует в целях обеспечения ком­фортности наблюдений для глаз достаточно высокой вертикальной частоты монитора (не менее 120 герц).

Построчный (interlace) режим стереонаблюдений предполагает деление кадра на два полу­кадра с чётными и нечетными строками соответственно. Правое и левое изображения стерео­пары выводятся на экран поочередно в «чётном» и «нечётном» полукадре, а синхронизируемые с вертикальной разверткой монитора затворные очки позволяют наблюдать два изображения «одновременно» и таким образом проводить стереоизмерения. Необходимым условием ком­фортной для глаз работы в этом режиме является достаточно высокая вертикальная частота мо­нитора (как минимум 75 герц на «каждый глаз» – то есть примерно 150 герц при переключении в интерлейс).

Построчный режим применим только к экрану в целом, что приводит к некоторым неудоб­ствам, например, при работе с меню. Другим недостатком является прореживание картинки и, как следствие, снижение разрешения в связи с использованием полукадров.

Оптический способ сте­реоскопи­ческих на­блюдений предпола­гает вывод зоны стерео­наб­лю­де­­­ний левого и правого снимков (рис. 6.9) со­ответст­вен­но в ле­вую и правую части экрана. Оба изобра­жения окра­шены в есте­ственные цвета, по­этому для их рас­сматри­вания и полу­чения сте­­рео­скопиче­ского эф­фекта нуж­­­­но выполнить искус­ст­вен­ное разделение соответ­ст­вен­ных лу­чей, что дос­ти­гается примене­нием специальной сте­реопри­став­ки, ус­та­­навливаемой перед мони­тором. Это обеспечи­вает возможность на­блюде­ния сте­реоскопи­ческой мо­дели местности и ее из­ме­ре­ния, минуя неиз­бежные по­тери света при ис­поль­зо­вании некоторых других способов и при­способле­ний.

Имеются и другие способы получения сте­рео­скопи­ческого эффек­та по паре цифровых изображений, на­пример, поляроидный, адаптированный к компьютерному построению модели и др.

Измерение построенной рассмотренными выше способами стерео­скопической модели вы­полняют, как и в случае использования анало­говых изображений, монокулярным и сте­реоско­пическим способами.

Монокулярный способ измерений используют при нане­се­нии на снимки опорных то­чек, внутреннем ориентировании сним­ков и др. Применительно к обработке цифро­вого изо­бражения моно­куляр­ные измерения сводятся к опознаванию нужной точки пу­тем на­веде­ния на нее маркера, заменяющего измерительную марку стерео­компа­ратора. Считы­вание координат точки в системе растро­вого изо­браже­ния o_Px_Py_P (рис. 6.2) и преоб­разова­ние их в ту или иную сис­тему выполняется в автоматическом режиме.

Стереоскопические измерения выполняют способом мнимой марки, в каче­стве кото­рой используют курсор, причем, опера­тор мо­жет выбрать любой из доступной па­литры цвет его изображе­ния, раз­мер и форму (точка, крест, прицел, косой крест и пр.). С помощью специаль­ных технологических приемов точность стереоскопических измерений может быть повышена до ⅓-¼ от величины геометрического разрешения цифровых снимков.

6. Автоматическая идентификация точек цифровых снимков

(коррелятор)

Первые исследования в области автоматизации стереоскопических измерений были вы­пол­нены в МИИГАиК профессором А. С. Скири­довым в 1924–1932 гг. Полагая изображения дос­таточно малых участ­ков снимков стереопары подобными, он предложил преобразовы­вать эти участки в электрические сигналы и, анализируя их, отождествлять (идентифициро­вать) соответ­ственные точки. В то время это не полу­чило развития из-за отсутствия техниче­ских средств, и в 1960 г. А. С. Скиридов возобновил свои исследования, приступив вместе с Г. Д. Фе­доруком к созданию изогипсографа – прибора для автоматиче­ской ри­совки гори­зон­талей.

Первый автоматизированный прибор, до­казав­ший принципиаль­ную возможность ре­шения этой задачи, был разработан в 1950-х гг. по предложению Гаррисона фирмой Бауш и Ломб со­вместно с На­учно-исследовательским топографическим отде­лом инженер­ных войск США. В последующем эти идеи были вопло­щены в целой серии фото­грамметри­ческих приборов – Сте­реомате (США), Аналитическом сте­реоприборе ОМИ-НИСТРИ (Ка­нада), Ана­литическом фо­токартографе (СССР) и др.

Новый импульс получили идеи автоматизации с появлением ПЭВМ, дешевой элек­трон­ной памяти, высокоточных сканеров и раз­витием теории машинного зрения. Примене­ние этих и ряда других достижений науки и техники открыло путь к автоматизации широ­кого круга фото­грамметрических задач, основанных на автоматической идентификации то­чек на перекрываю­щихся снимках.

В настоящее время идентификация точек на паре снимков рас­сматривается как стати­сти­че­ская задача распознавания изображений при наличии помех и искажений и решается на ос­нове динамической теории зрения с использованием оптико-электронных или про­грам­мных блоков, назы­ваемых корреляторами. В ее основе лежит по­нятие образа – произ­вольной по форме и разме­рам области снимка вместе со всей имеющейся ин­формацией. С ма­тема­тиче­ской точки зрения образ пред­ставляет со­бой многомерный вектор R как сово­куп­ность элементов изображения (пикселов), каждый из которых характе­ри­зуется своим положе­нием и оптической плот­ностью r_ij согласно (6.6).

Опознавание точки левого снимка на правом сводится к определе­нию некото­рого об­раза R на левом снимке и поиску на правом снимке такого образа R¢ , чтобы расстояние между ними было ми­нимальным:

|R – R¢|=min. (6.7)

Практически для автоматического опознавания точки необходимо:

1. Выбрать на левом снимке образ R в виде области размером n´n пикселов, в цен­тре ко­то­рой размещена опознаваемая точка (рис. 6.10), и определить его характе­ристики, на ос­нове которых будет выполняться проверка условия (6.7).

2. Определить зону поиска размером m´m пикселов (m>>n) веро­ятного расположения иско­мой точки на правом снимке (рис. 6.10) с коор­динатами центра x_п » x_л - b_сн, y_п » y_л.

3. Последовательным перемещением области размером n´n пик­селов в грани­цах зоны по­иска размером m´m создать на правом снимке серию образов R¢ и определить харак­тери­стики каждого из них с целью проверки условия (6.7).

4. Сопоставить характеристики каждого образа R¢ с характеристи­кой-эталоном век­тора R. Искомая точка на пра­вом снимке будет расположена в центре образа R¢ , для кото­рого выполняется ус­ловие (6.7).

Установление степени соответствия векторов R и R¢ представляет основную трудность и может быть выполнено различ­ными путями. Например, оди