Глава 11. Методы цифровой фотограмметрии § 78. 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. 11.1).

А налоговая 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. 11.1), различающихся принципом формирования и опи­сания его эле­ментов, способом доступа к ним, характером связи с окружающими и др.

Р астровая форма цифрового изображения предполагает представ­ление его в виде неко­то­рой матрицы (рис. 11.2), 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. 11.2), 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.

§ 79. 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

; (11.1)

• требуемой точности определения высот точек

; (11.2)

• сохранения разрешающей способности исходного снимка (изо­бражения):

; (11.3)

• обеспечения требуемого разрешения графических фотопланов (ортофотопланов)

, (11.4)

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:

XY=0,50,2/5=0,02 мм = 20 мкм; Z=0,51000,21000/(7010000)=0,014 мм =14 мкм;

R=0,4/40=0,01 мм = 10 мкм; P=70/5=0,014 мм = 14 мкм.

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

, (11.5)

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

Таблица 11.1
Формат кадра l (мм)	Объем снимка OP (Кб) при R=1 и разрешении P (мкм)
	5	10	15	20
180180	1206	316	141	79
230230	2066	517	230	129

Расчет объема па­мяти, требуемой для раз­меще­ния в памяти ЭВМ од­ного цифро­вого изобра­жения формата 180180 и 230230 мм (табл. 11.1) с радио­метрическим разрешением 8 бит/пиксел показы­вает, что для выполнения с ним со­ответст­вующих опе­раций не­обхо­дима достаточно мощная ЭВМ с большим объемом дис­ковой па­мяти.