Phần 2. Thu nhận ảnh(Image Acquisition)

Ảnh số(Digital Imagery)

Giới thiệu: Ảnh sử dụng trong viễn thámẢnh tương tự: Là ảnh được ghi lại

dưới dạng một cách vật lý trên giấy hoặc trên phim có phủ hóa chất.

Độ sáng của ảnh tỷ lệ với độ sáng của cảnh chụp

Khó khăn trong lưu trữ, truyền dẫn, tìm kiếm, phân tích

Ảnh số: Là mảng các pixel trong

đó mỗi pixel được biểu diễn dưới dạng các giá trị số rời rạc.

Các giá trị số có thể được thực hiện các thao tác thống kê, cộng, trừ, nhân.

Dễ dàng lưu trữ, truyền dẫn, phân tích, …

Có khả năng gặp sự cố dẫn đến mất hoàn toàn dữ liệu.

Ảnh điện tử Số liệu số được tạo ra từ loại thiết bị quét một phần

bề mặt trái đất bằng cách ghi lại các photon phản xạ hay phát ra từ một mảnh của mặt đất gọi là các pixel.

Mỗi pixel có thể rất nhỏ để mắt người có thể phân biệt được.

Mỗi pixel biểu thị độ sáng của một vùng nhỏ bề mặt trái đất được ghi lại tương ứng với một giá trị số.

Ảnh số được tạo bởi nhiều ngàn pixel. Các giá trị số khác nhau tương ứng với các vùng

phổ điện từ.

Ảnh điện tử

Ảnh điện tử Hai kiểu thiết bị quét chính được sử dụng trong

chụp ảnh hàng không là Thiết bị quét mảng hàng (linear array): mảng hàng

trượt dọc theo đường bay Thiết bị quét quang-cơ (optical-mechanical scanner):

gương quét dịch chuyển nhờ gắn trên máy bay và được “lắc” để quét ngang đường bay, định hướng bức xạ từ mặt đất tới hệ thống quang thứ cấp. Cảm biến tạo ra dòng điện biến thiên theo độ sáng. Bộ lọc hay tán sắc (diffraction grating) tách bức xạ thành các phân đoạn tạo thành các kênh phổ. Mỗi kênh phổ mang thông tin về độ sáng của từng vùng phổ riêng biệt.

Ảnh điện tử

Ảnh điện tử

Dòng điện chính là phiên bản tương tự của độ sáng của mặt đất.

Để tạo ra phiên bản số tín hiệu điện phải được rời rạc hóa thành các giá trị cho phân tích số => biến đổi tương tự - số.

Ảnh điện tử Thị trường tức thời (IFOV

– instantaneous field of view): khu vực được quét bởi cảm biến ở một thời điểm với giả thiết chuyển động của máy máy bay ngừng đúng thời điểm đó.

IFOV là khu vực nhỏ nhất được nhìn bởi thiết bị quét và thiết lập nên giới hạn về mức độ chi tiết không gian có thể được biểu diễn bởi ảnh số.

Ảnh điện tử IFOV là khu vực nhỏ nhất được nhìn bởi thiết bị

quét và thiết lập nên giới hạn về mức độ chi tiết không gian có thể được biểu diễn bởi một bức ảnh số.

Cho dù số liệu trong ảnh cuối được tập hợp lại dưới dạng các điểm ảnh (pixel), mỗi điểm ảnh có thể biểu diễn khu đất lớn hơn IFOV nhưng các điểm ảnh không thể mang thông tin về khu đất nhỏ hơn IFOV.

Khoảng cách phân giải mặt đất (GRD – ground resolved distance): kích thước nhỏ nhất có thể được phân giải một cách tin cậy bởi hệ thống ảnh.

Ảnh điện tử Các cảm biến điện tử được thiết kế để hoạt động

trong khả năng giới hạn của nó. Độ nhạy của cảm biến phải được lựa chọn phù hợp

với tốc độ và độ cao của máy bay hay vệ tinh. Cảm biến cần nhìn khu đất (tương đương 1 điểm

ảnh) trong khoảng thời gian đủ dài để thu nhận đủ photon nhằm phát tín hiệu đủ tin cậy. Khoảng thời gian này gọi là dwell time.

Nếu hệ thống ảnh được thiết kế và hoạt động bình thường, độ sáng cảnh chụp được ghi lại tuyến tính với các giá trị của số liệu ảnh và khi hiển thị ảnh cho thấy quan hệ về độ sáng trên mặt đất.

Ảnh điện tử Trong một số điều kiện khó khăn, việc ghi lại

ảnh của cảm biến có thể bị hỏng. Tín hiệu dòng tối (dark current signal hay dark

current noise): ở mức thấp của độ nhạy, cảm biến có thể ghi lại không đúng độ sáng.

Bão hòa (saturate): thiết bị không ghi lại đầy đủ độ sáng của mục tiêu.

Dải động của cảm biến: là dải độ sáng có thể được ghi lại một cách tin cậy.

Ảnh điện tử

Ảnh điện tử Nói chung, cảm biến điện tử có dải động lớn

hơn so với phim chụp ảnh, màn hình vi tính và thị giác người.

Thể hiện ảnh của ảnh điện tử thường bị mất thông tin ở dải thấp và cao của độ sáng.

Bởi vậy trong thể hiện thị giác và phân tích ảnh , cách thức hiển thị hay phương pháp cải thiện ảnh có vai trò quan trọng.

Ảnh điện tử Độ dốc của đồ thị biểu diễn quan hệ giữa độ sáng

cảnh chụp và thể hiện của độ sáng trên ảnh mô tả tăng ích của cảm biến.

Ảnh điện tử Nhiễu (noise): mọi thành phần của cảm biến đều có

nhiễu điện tử mà không liên quan đến độ sáng của mục tiêu.

Thiết bị cần được thiết kế để mức nhiễu luôn nhỏ so với tín hiệu (độ sáng của mục tiêu) thể hiện ở tỷ số tín hiệu – nhiễu SNR (Signal-to-noise ratio) hay S/N.

Người phân tích ảnh luôn mong muốn tín hiệu lớn hơn tương đối so với nhiễu, tức là SNR lớn không chỉ với mục tiêu sáng mà trong cả dải động của thiết bị và đặc biệt là khi ở mức độ nhạy thấp (mức tín hiệu thấp)

Ảnh điện tử

Độ nhạy phổ Các cảm biến quang thường dùng lăng kính hay bộ

lọc để phân tách ánh sáng thành các vùng phổ. Bộ lọc là mảnh kính đặc biệt cho qua có lựa chọn

một số bước sóng và ngăn hay hấp thụ các bước sóng mà nhà thiết kế muốn loại bỏ.

Bộ lọc chính xác và đắt nhất là loại được sản xuất bằng cách thêm thuốc nhuộm vào kính khi sản xuất.

Kém chính xác và kém bền hơn là loại kính được phủ lớp phim hấp thụ bước sóng mong muốn.

Thông thường bộ lọc được thiết kế với chuyên dụng theo một số yêu cầu chuyên môn nhất định.

Độ nhạy phổ

Độ nhạy phổ Bộ lọc có thể được dùng trong thu thập ảnh số

nhưng các cảm biến điện tử lại hay sử dụng sự tán sắc được xem là hiệu quả hơn do dễ thực hiện, kích thước nhỏ và nhẹ.

Ánh sáng từ cảnh chụp đi qua thấu kính chuẩn trực để tạo chùm tia song song và tới lăng kính tán xạ với góc tới xác định.

Bước sóng khác nhau thì tán xạ với góc khác nhau nên bức xạ được tách biệt phổ.

Sau đó ánh sáng được chiếu tới cảm biến và có được độ nhạy phổ mong muốn.

Độ nhạy phổ

Độ nhạy phổ Các thiết bị sử dụng bộ lọc hay tán xạ để định nghĩa

giới hạn phổ (ví dụ: ghi lại “màu” nào, ...), không định nghĩa các giới hạn rời rạc, độ nhạy phổ biến đổi trong một khoảng nào đó.

Ví dụ: thiết bị được thiết kế để ghi lại bức xạ trong vùng green của phổ. Độ nhạy sẽ không như nhau trong toàn bộ vùng mà ở trung tâm của vùng sẽ lớn hơn so với vùng giáp với blue và red.

Độ nhạy phổ của thiết bị được xác định từ định nghĩa FWHM (full width, half maximium) là khoảng phổ đo được mà tại đó đáp ứng của thiết bị đạt được một nửa giá cực đại của nó

Độ nhạy phổ

Độ nhạy phổ Từ FWHM có thể định nghĩa độ phân giải phổ như

sau: là dải phổ hẹp nhất mà thiết bị có thể phân biệt được.

Khoảng lấy mẫu phổ (spectral sampling interval) xác định khoảng phổ được sử dụng để ghi lại độ sáng cho từng bước sóng.

Số liệu số (Digital Data) Đầu ra của cảm biến điện tử đưa tới phân tích là

một bộ các giá trị số. Mỗi giá trị số được ghi lại như một dãy giá trị nhị

phân gọi là bit.

Số liệu số (Digital Data) 8 bit tạo thành 1 byte để thuận tiện lưu trữ. Lượng số liệu lớn có thể sử dụng ký hiệu khác như

KB, MB hay GB.

Số liệu số (Digital Data) Các giá trị số rời rạc cho mỗi pixel được ghi lại dưới

dạng phù hợp với lưu trữ trong đĩa hay để phân tích.

Các giá trị này không phải là độ sáng thực của cảnh chụp (gọi là radiances) được ghi lại mà giá trị tương đối thể hiện độ sáng của cảnh chụp.

Số giá trị độ sáng trong ảnh số được xác định bởi số bit có sẵn. Ví dụ 7-bit cho phép tối đa 128 giá trị cho mỗi pixel.

Số bit quyết định thiết kế của hệ thống, đặc biệt là độ nhạy của cảm biến, khả năng ghi và truyền số liệu.

Số liệu số (Digital Data) Độ sáng của bức xạ phản xạ từ mặt đất được

đo theo độ sáng (oát) cho mỗi khoảng bước sóng (micrometer) cho mỗi đơn vị góc (steradian) cho mỗi mét vuông phản xạ.

Vậy độ sáng đo được liên quan đến bước sóng (“màu”), không gian (góc), độ mạnh yếu (đọ sáng) và diện tích.

Radiances ghi lại độ sáng thực tế, đo bằng đơn vị vật lý, biểu diễn bằng giá trị thực (có cả phần thập phân).

Định dạng số liệu (Data format) Phân tích ảnh số thường được thực hiện với

các cấu trúc số liệu raster trong đó mỗi ảnh là một mảng các giá trị.

Thêm các kênh phổ là thêm các mảng tương ứng.

Mỗi pixel được coi là một đơn vị riêng với vị trí trong ảnh xác định bởi tọa độ hàng và cột.

Trong viễn thám, gốc tọa độ nằm ở góc trên bên trái của ảnh, hàng cột hay dòng điểm xác định theo chiều trên xuống và trái sang phải.

Định dạng số liệu (Data format) Cấu trúc số liệu raster có ưu điểm là thao tác

tìm và định vị pixel dễ dàng kể cả với giá trị của nó.

Nhược điểm của raster là thường xuất hiện với một mảng các pixel tương ứng với các mảnh riêng biệt hay một vùng đất chứ không phải từng pixel riêng lẻ.

Cấu trúc số liệu véc-tơ sử dụng các mảnh đa giác và đường bao của nó là các đơn vị cơ bản cho phân tích và thao tác.

Định dạng véc-tơ không phù hợp dùng cho phân tích số số liêu viễn thám.

Định dạng số liệu (Data format) Hầu hết thiết bị và phần mềm xử lý số liệu viễn

thám đều có điều chỉnh để làm việc với định dạng raster.

Số liệu viễn thám số được phân loại theo 3 kiểu lưu trữ ảnh: BIP (Band Interleaved by Pixel): số liệu được tổ chức

theo dãy các giá trị liên tiếp line 1, pixel 1, band 1, line 1, pixel 1, band 2, line 1, pixel 1, band 3, …

Định dạng số liệu (Data format)

Định dạng số liệu (Data format) BIL (Band Interleaved by Line): mỗi dòng số liệu

được coi là một đơn vị riêng. Cả 4 băng được sắp xếp liên tiếp trên 1 dòng.

Định dạng số liệu (Data format) BSQ (Band sequential): số liệu của băng 1 được ghi

tuần tự, theo sau là số liệu băng 2, và cứ thế tiếp tục

Định dạng số liệu (Data format) Một số định dạng khác không phải là phổ biến

nhưng quan trọng cho các ứng dụng yêu cầu chuỗi dài các ảnh đa phổ.

Định dạng phân cấp số liệu (HDF- hierachical data format): là cấu trúc số liệu đặc biệt được thiết kế chuyên dụng để quản lý hiệu quả số liệu khoa học.

NetCDF (network common data form): cấu trúc được thiết kế riêng cho quản lý động số liệu dạng mảng, tương thích rộng với các nền tảng máy tính, có chia sẻ dữ liệu qua mạng.

Định dạng số liệu (Data format) Nén số liệu: nhằm làm giảm lượng số liệu yêu

cầu để lưu trữ và truyền dẫn hiệu quả hơn. Tỷ số nén: so sánh kích cỡ ảnh gốc so với ảnh

sau nén. Ví dụ: số liệu ảnh vệ tinh số được nén với kỹ thuật không tổn hao cho tỷ số nén từ 1,04:1 đến 1,9:1. Với bản đồ địa hình, tỷ số nén có thể đạt được tỷ số 24:1 với kỹ thuật nến tổn hao.

JPEG : sử dụng kỹ thuật nén tổn hao, áp dụng biến đổi cosine rời rạc (DCT) như là thuật toán nén-giải nén. JPEG2000 được cho là có tỷ số nén cao hơn.

Kết hợp băng: ảnh đa phổ Hiển thị ảnh hiệu quả là rất quan trọng trong viễn

thám. Kết hợp băng là thuật ngữ trong viễn thám liên quan

đến gán màu để thể hiện độ sáng của các vùng phổ.

Mấu chốt của việc hiển thị ảnh đa phổ là thị giác người miêu tả khác nhau về màu sắc của bề mặt trái đất dựa vào khả năng của mắt nhận biết khác biệt về độ sáng của từng màu cơ bản – blue, green và red.

Mắt người cũng nhận biết được độ sáng của các vùng phổ và cả các màu pha trộn giữa các màu cơ bản.

Kết hợp băng: ảnh đa phổ Lựa chọn màu nào trong số các màu cơ bản để

hiển thị bức xạ thu thập được bởi hệ thống viễn thám?

Lựa chọn màu nào hiển thị tốt nhất vùng hồng ngoại gần?

Vài chục năm qua, các nhà khoa học viễn thám chấp nhận một thực tế là mỗi kiểu kết hợp hiệu quả cho từng mục đích nhất định.

Một trong những cơ sở trong kết hợp băng là các băng gần nhau được cho là lặp lại tốt nhất thông tin của vùng kế tiếp nó.

Kết hợp băng: ảnh đa phổ Các mô hình kết hợp băng được ký hiệu bằng

số, không đặt tên với chữ cái. 742:

Sử dụng 1 vùng của các phổ ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại gần và hồng ngoại giữa.

miêu tả cảnh sử dụng mô hình màu sai nhưng theo cách thể hiện màu tự nhiên.

Ví dụ: cây cối tươi có màu xanh green nhạt, đất khô màu hồng, vùng cây khô hay thưa thớt có mầu cam hoặc nâu, mặt nước màu xanh blue.

Ứng dụng của kiểu kết hợp này thường là phân tích địa lý sa mạc, đất bề mặt, đất ẩm ướt, nông nghiệp, rừng và kiểm soát cháy rừng.

Kết hợp băng: ảnh đa phổ

Kết hợp băng: ảnh đa phổ 451:

sử dụng băng blue và hồng ngoại giữa cùng với 1 băng hồng ngoại gần.

Vùng nước trong và sâu có màu rất tối, vùng nước nông và đục có màu xanh nhạt, cây cối tươi có màu đỏ, nâu và cam, đất trống có màu xanh green và nâu, vùng đô thị có màu trắng, xanh lam và xám.

Kết hợp băng: ảnh đa phổ 754:

sử dụng 3 băng ngoài vùng ánh sáng nhìn thấy vì không bị ảnh hưởng bởi khí quyển.

Thường ứng dụng trong phân tích địa lý Đường bờ biển được hiển thị rõ và nét, chất đất và

độ ẩm có thể dễ dàng phân biệt.

Kết hợp băng: ảnh đa phổ 543:

sử dụng băng hồng ngoại gần, hồng ngoại giữa và đỏ. Mép nước được hiển thị nét. Nhạy với biến đổi của đất

ẩm và thực vật. Hiển thị hiệu quả những biến đổi về loại và tình trạng

của thực vật với các màu nâu, green và cam, đất ẩm có màu tối.

Cải thiện ảnh Cải thiện ảnh là quá trình nâng cao chất lượng

thể hiện thị giác của ảnh số. Cải thiện ảnh quan trọng hơn đối với viễn thám

bởi nó cho phép tăng khả năng phân tích số. Tuy nhiên cần lưu ý:

Cải thiện ảnh có thể phù hợp với một mục đích nào đó nhưng lại không phù hợp với ảnh khác hay một số mục đích khác.

Cải thiện ảnh có thể làm mất thông tin trong ảnh gốc.

Cải thiện ảnhCải thiện độ tương phản: Độ tương phản liên quan đến dải giá trị độ sáng

thể hiện trên ảnh. Cải thiện độ tương phản là cần thiết bởi cảm biến

cung cấp dải độ sáng không phù hợp với khả năng của thị giác con người.

Để nhà phân tích nhìn được đầy đủ thông tin trong ảnh số thì cần thiết phải điều chỉnh lại dải độ sáng của ảnh cho phù hợp với thị giác con người, phim ảnh hay màn hình máy tính.

Cải thiện ảnh Ví dụ: cả dải giá trị độ sáng là 0-255 (8-bit)

nhưng chỉ hiển thị được trong dải 0-63 (6-bit) thì ảnh sẽ thiếu tương phản.

Cải thiện ảnh

Cải thiện ảnh

Cải thiện ảnhDãn tuyến tính (Linear Stretch): Dãn tuyến tính biến đổi các giá trị số gốc sang dạng

phân bố mới, sử dụng các giá trị min và max mới, rồi thêm bớt hai giá trị bình sai (standard deviation) so với trị trung bình(mean).

Sau đó thuật toán sẽ khớp giá trị min-max mới và cũ, tất cả các giá trị trung gian được điều chỉnh lại theo tỷ lệ giữa giá trị max và giá trị max mới.

Dải độ sáng của ảnh gốc được chia làm nhiều đoạn, từng đoạn được dãn riêng biệt. Nhà phân tích có thể chú ý vào từng đoạn cho phù hợp với từng ứng dụng.

Cải thiện ảnh

Cải thiện ảnhCân bằng histogram (Histogram Equalization): Histogram Equalization gán lại các giá trị số vào ảnh

gốc theo cách ảnh đầu ra được phân bố cân bằng trong dải các giá trị đầu ra.

Không như dãn tuyến tính, Histogram Equalization áp dụng một hàm không tuyến tính để gán lại giá trị độ sáng của ảnh đầu vào để tạo ra ảnh đầu ra gần như có phân bố đều về cường độ.

Các đỉnh histogram rộng ra, vùng trũng nông hơn. Histogram Equalization thường dùng trong quá trình

so sánh ảnh.

Cải thiện ảnh

Cải thiện ảnhChia mật độ (Density Slicing): Density slicing là việc chia tùy ý dải độ sáng trong

một băng đơn lẻ thành nhiều khoảng, rồi gán cho mỗi mảng một màu.

Density slicing có hiệu quả nhấn mạnh một đặc điểm nào đó, thể hiện đặc điểm này bằng màu sắc sặc sỡ nhưng không truyền đạt thêm nhiều thông tin hơn so với bức ảnh nguồn.

Cải thiện ảnh

Cải thiện ảnhLàm nổi bật viền (Edge Enhancement): Edge enhancement là việc cố gắng làm nổi bật ranh

giới giữa các vùng có độ sáng tương phản. Nói chung, người giải đoán ảnh thích ảnh có đường

viền sắc nét giữa các mảnh kể cả khi có nhiễu, độ phân giải kém hay các yếu tố khác làm mờ hay làm khó phân biệt chỗ chuyển giao.

Edge enhancement là làm tăng độ tương phản trong 1 vùng nào đó.

Cải thiện ảnh

Hiển thị ảnh Hiển thị ảnh là rất quan trọng trong phân tích ảnh

viễn thám bởi vì người phân tích phải xem xét kỹ lưỡng bức ảnh và đưa ra kết quả phân tích.

Các yếu tố liên quan đến khả năng hiển thị ảnh là: Kích thước ảnh có thể hiển thị đặc trưng bằng số hàng cột

có thể xem ở một thời điểm. Độ phân giải radiometric: khả năng thể hiện dải độ sáng

cho từng pixel. Thể hiện màu (rendition of color) của ảnh: cách thức để có

màu sắc gần nhất so với thiết kế hiển thị ảnh và bộ xử lý hiển thị.

Thiết bị hiển thị bao gồm: CRT, LCD, Plasma display

Hiển thị ảnhThiết bị hiển thị cao cấp: Ảnh viễn thám thường rất lớn và độ chi tiết tốt. Hệ thống thông thường cho phép người dùng phóng

to ảnh trên màn hình để nhìn rõ hơn các chi tiết nhưng đồng thời phải trả giá mất đi cái nhìn tổng quát của toàn bộ cảnh chụp.

Hệ thống hiển thị cao cấp cho phép cả hiển thị tốt chi tiết và ảnh lớn.

“Fisheye” cho phép xem phóng to những chi tiết được chọn mà vẫn xem được toàn cảnh xung quanh.

Hệ thống nhiều màn hình được ghép thành mảng.

Hiển thị ảnh

Hiển thị ảnh

Phần mềm xử lý ảnh Số liệu viễn thám số có thể được giải đoán bằng các

chương trình máy tính. Các chương trình này thực hiện các thao tác trên số liệu ghi trong các pixel để có được thông tin về một số đối tượng nào đó.

Xử lý ảnh yêu cầu một hệ thống với phần mềm chuyên dụng thực hiện các thao tác với số liệu ảnh số.

Các chương trình có nhiều dạng khác nhau về mục đích cũng như về chi tiết nhưng đều có các thành phần chính của hệ thống xử lý ảnh.

Danh sách các phần mềm: xem trong tài liệu.