1.4. Сущность цифрового трансформирования фотоснимков

Процесс преобразования цифрового изображения наклонного снимка в цифровое изображение горизонтального снимка называют ортофототрансформированием, а полученное изображение в ортогональной проекции – ортофотоизображением. Этот процесс осуществляется с помощью матриц ЦМР и исходного цифрового изображения.

Основная задача трансформирования изображения обеспечить однозначное непрерывное отображение множества точек исходного изображения во множество точек его образа. При этом должно быть обеспечено постоянство масштаба по всему полю образа и подобие формы элементов образа форме исходного объекта: кривая на трансформированном изображении должна быть подобна кривой на местности, множество - образу этого множества

Реально исходное цифровое изображение состоит, в отличие от аналогового растра, из равных квадратиков, каждому из которых приписано условное значение оптической плотности. Точнее, размер квадратика - пиксела (клетка картины или элемент картины) приписан последовательно упорядоченному набору значений оптической плотности.

Линии на исходном изображении и на образе не совпадают ни по длине, ни по кривизне. Совпадает только топология, т.е. положение относительно других элементов: внутри, вне, за тем или перед этим, количество линий и пересечений.

Поэтому одной клетке изображения будет соответствовать дробное число клеток образа (например, восемь целых клеток и 17 нецелых или ноль целых семь сотых клетки).

Если сохранять целостность и однозначность пикселов при трансформировании, то на образе будут как наложения: несколько пикселов изображения попадет в один пиксел образа; так и разрывы, когда не попадет ни одного пиксела.

Если не задействован специальный усредняющий алгоритм, то цифровое наложение не приводит к суммированию сигнала: последующее значение вытесняет предыдущее. В таком случае при наложении обязательно будет затирание контуров: количество элементов фона несравнимо преобладает над элементами контуров. Поэтому вероятность того, что последний записываемый в этот пиксел элемент окажется фоновым, близка к единице.

Можно ввести операцию записи минимального (максимального) или усредненного элемента из серии. Разработаны различные операторы определения элемента, например оператор Собела. Однако, если на какой-то участок не попадет ни точки, то будет разрыв.

Разрывы неизбежны при прямом преобразовании изображения, то есть при пересылке точки из изображения в образ. Для того, чтобы избежать разрывов необходимо отображение с запросом.

Для этого последовательно выбираются клетки образа. Они пока пустые. Для центра каждой такой клетки образа вычисляют положение соответствующей точки на исходном изображении. То есть решают задачу обратного трансформирования. Эта точка попадет в какой-то пиксел. Выбрав из него значение плотности, присваиваем его данной клетке образа. Если точка попадет на границу пикселов, которая принимает целочисленные значения, то можно воспользоваться округлением или специальным правилом: формирования значения смежного пиксела.

При коэффициенте трансформирования, равном единице, он может затронуть четыре исходных пиксела: точка может попасть в пиксел или на границу.

Переносится значение оптической плотности по общему правилу: данного пиксела, а если граница, то смежного.

Здесь возможно искажение размеров объекта в пределах 1-2 пикселов. Возможна утеря контура размером в 1 пиксел. Необходим алгоритм проверки и сохранения такого контура.

При коэффициенте трансформирования меньше единицы, одному пикселу образа соответствует зона запроса на изображении, содержащая несколько пикселов. Точка может попасть в любой из них. Так при двукратном уменьшении точка может оказаться в одном из 9 - 20 пикселов.

При коэффициенте трансформирования больше единицы, одному пикселу образа соответствует на исходном изображении один - четыре пиксела. Меньше одного не может быть, но может оказаться, что точка попадает на границу пикселов.

Ряд запросов будет направляться в один и тот же исходный пиксел. Один пиксел исходного изображения будет проектироваться на несколько клеток, то есть увеличивается в целое число раз.

Так как пиксел проектируется на несколько клеток, то два из них могут проектироваться в одну и ту же. Пока центр каждой последующей клетки попадает в один и тот же пиксел - нет. Если центр попадет на границу - ? нет. Следующий центр попадет уже в другой пиксел. Следовательно, наложений не будет. Помеха занимает на исходном изображении не менее пиксела. Она соответственно увеличится.

Если вычислять положение всех углов клетки, то соответствующий четырехсторонник охватит некоторое количество смежных клеток. При проектировании четырехсторонника нужно выполнить следующее:

во-первых, решить, какое значение плотности выбирать из этой группы клеток для переноса в клетку образа;

во-вторых, эта одна и та же группа клеток должна отобразиться несколько раз в смежных клетках образа. Как должно изменяться значение оптической плотности при переносе в каждую смежную клетку;

в-третьих, если на этом участке оказывается контур, то есть перепад плотностей, то обязательно нужно этот контур сохранить.

Для этого необходимо проанализировать участок на наличие перепада. Если найден такой перепад плотности, то нужно оценить его значимость, то есть взять фрагмент исходного изображения, в котором находится точка, и определить диапазон колебания плотностей фона и контуров на этом фрагменте.

Если перепад плотности лежит в диапазоне колебаний фона, то можно полагать, что это фон, и записать усредненное значение, но условно, возможно это плохо “проработалась” точка контура.

Если перепад плотности существенный, то можно перенести либо максимальное, либо минимальное значение плотности. Для этого нужно сравнить с предыдущей точкой образа.

Здесь значение имеет направление перепада плотности - вдоль линии или под большим углом к ней.

Если перепад вдоль линии, где плотность близка к максимальной, то записывается минимальная. Если - близка к минимальной, то записывается максимальная.

Если перепад под прямым углом к линии, где плотность близка к максимальной, то записывается максимальная. Если она близка к минимальной, то записывается минимальная.

Существует более сложное решение данной задачи, а именно сравнение точки со смежными точками предыдущей строки образа для того, чтобы границы контура шли без разрывов от строки к строке. Однако это требует дополнительного времени вычислений.

Еще более сложное решение - определить линию контура на исходном изображении, вычислить ее след на образе и ориентироваться при заполнении образа на этот след.

В целом при переносе четырехсторонников возникает сложная картина обработки.

Одним из важных факторов, влияющих на качество выполняемого трансформирования, является зашумлённость изображения. Зернистость эмульсии и различные помехи дают искажения оптической плотности, импульсные в виде точек, линейные в виде полос, площадные в виде более плотных или светлых областей.