fotogrametria_rozdz1.pdf

1. Techniki rejestracji obrazów

Zgodnie z definicją przyjętą w 1998 roku, fotogrametria i teledetekcja to dziedzina nauk

technicznych zajmująca się pozyskiwaniem wiarygodnych informacji o obiektach fizycznych

i ich otoczeniu, drogą rejestracji, pomiaru i interpretacji obrazów i zdjęć.

Rys.1.1. Powstawanie obrazu w camera obscura.

Sposób powstawania obrazów optycznych opisał Leonardo da Vinci, zaś swój prototyp

„kamery fotograficznej” nazwał camera obscura (rys. 1.1). Technikę zapisywania obrazów

optycznych wynaleziono kilka wieków później, gdy Niepce i Daguerre stworzyli podwaliny

fotografii. Współczesna „fotogrametria i teledetekcja” wykorzystuje zarówno analogowe jak

i cyfrowe sposoby zapisu obrazów; dlatego od ich omówienia zaczniemy wykłady.

1.1. Fotografia

1.1.1. Światło i obrazy optyczne

Fotografia to technika rejestrowania na materiale światłoczułym obrazów, które utworzyło

światło. Na skali promieniowania elektromagnetycznego (rys.1.2), które może być nośnikiem

rozmaitych informacji (w tym również obrazowych), promieniowanie widzialne zajmuje

drobny fragment: od fal o długości 0,4 μm (początek fioletu), do 0,7 μm (koniec czerwieni).

Chcąc być ścisłym - fotografia pozwala rejestrować także w niewidzialnym zakresie bliskiej

podczerwieni (0,7 –1,5μm) oraz w ultrafiolecie.

0,01 0,1 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 λ ( μ m)

prom. X Ultraf. Podczerwień Mikrofale

(0,7-300 μ m) (0,3mm -300cm)

Fale radiowe

Prom.widzialne

(0,4-0,7 μ m)

Rys.1.2. Zakresy i rodzaje promieniowania elektromagnetycznego użytecznego w

fotogrametrii i teledetekcji.

Aparat fotograficzny to współczesna wersja opisanej przez Leonarda da Vinci

„camera obscura” (ciemna izba), pokazanej na rys.1.1. Światło odbite od przedmiotu, po

przejściu przez otworek w przedniej ściance, tworzy na tylnej ściance obraz rzeczywisty,

odwrócony. W przypadku aparatu fotograficznego w otworku umieszcza się obiektyw. Dzięki

temu obraz może być jaśniejszy i bardziej wyraźny. Ale aby obraz był ostry, musi być

spełnione równanie soczewki : suma odwrotności odległości obrazowej ( a ) i przedmiotowej

( b ) równa jest odwrotności ogniskowej ( f ):

/1.1/

Obiektyw aparatu fotograficznego (rys. 1.3) to skupiający układ optyczny, tak

zaprojektowany, aby zminimalizowane były najgroźniejsze aberracje. Obiektyw

charakteryzują: ogniskowa ( f ), otwór czynny ( d ), otwór względny ( d/f ), jasność ( d/f ) 2 i

użyteczny kąt widzenia. Na rysunku 1.3 można ponadto wyróżnić następujące elementy: O P ,

O t – punkty węzłowe obiektywu (przedni - przedmiotowy i tylny - obrazowy) wyznaczające

oś optyczną, prostopadłe do osi optycznej dwie płaszczyzny główne obiektywu ( H 1 i H 2 ) ,

oraz e – średnicę otworu przysłony (ograniczającej wiązkę promieni przechodzących przez

obiektyw). Wspomniany otwór czynny ( d ) – to obraz przysłony widziany od strony

przedmiotu; poza zdjęciami z najbliższej odległości można przyjmować: d ≅ e.

H H’

P’

O p e

α′

O t

F’

P ∝

Rys. 1.3. Obiektyw w aparacie fotograficznym i tworzenie obrazu punktu P w płaszczyźnie

ogniskowej.

Zgodne z zasadami optyki geometrycznej powstawanie obrazu (rys. 1.3) zakłócają

aberracje obiektywu: dystorsja, aberracja chromatyczna, aberracja sferyczna, astygmatyzm,

krzywizna pola i koma.

Dystorsją obiektywu nazywamy wadę, która powoduje, że kąt pod którym promień główny

wchodzi do obiektywu (α) jest różny od kąta pod którym wychodzi z obiektywu (α’). Z

punktu widzenia fotogrametrii jest to wada najgroźniejsza, bowiem powoduje zmiany natury

wymiarowej; do dystorsji wrócimy omawiając kalibrację kamery.

Przyczyną aberracji chromatycznej jest zróżnicowanie współczynnika załamania (na granicy

powietrza i szkła) dla różnych zakresów widma. W rezultacie – definiując płaszczyznę

ogniskową jako miejsce skupienia promieni biegnących z nieskończoności - powinniśmy

określić rodzaj promieniowania. Ogniskową obiektywu (domyślnie) podaje się dla światła

żółto-zielonego, ale ognisko podczerwieni może być przesunięte w sposób istotny – o około

1/50 długości ogniskowej.

Astygmatyzm, aberracja sferyczna i krzywizna pola powodują różnego rodzaju nieostrości

obrazu.

Jak wynika z rys. 1.3 obiektyw aparatu fotograficznego ma wbudowaną kolistą

przysłonę (diafragmę) , ograniczającą szerokość wiązki światła wpadającego do obiektywu.

Zmieniając średnicę otworu czynnego można kształtować granice głębi ostrości : im szerszy

jest otwór czynny, tym węższa jest strefa ostrego obrazu (choć obraz jest jaśniejszy) i na

odwrót. Na oprawie obiektywu jest zawsze zapisana liczbowa wartość „przysłony”

(odwrotność otworu względnego), jaka charakteryzuje obiektyw przy maksymalnym

rozjaśnieniu. Standardowy szereg „przysłon” (1, 1,4, 2, 2,8, ....32) wynika z kolejnego

wymnażania przez 2 ; każda z kolejnych wartości oznacza zatem dwukrotne zmniejszenie

jasności obiektywu (bo J=(d/f) 2 ) .

Jak wynika z równania soczewki, gdy odległość przedmiotowa jest równa ∞, to ostry

obraz utworzy się w płaszczyźnie ogniskowej – co pokazano na rys. 1.3. Jeżeli z kolei

fotografujemy przedmiot usytuowany w odległości a i spełnione jest równanie soczewki

(nastawiliśmy aparat „na ostrość”), to możemy przyjąć, że obraz ostry – w granicach

tolerancji – uzyskuje się w pewnej strefie, której przednia i tylna granica zależy od przyjętego

kryterium dopuszczalnej nieostrości obrazu ( c ). Są to właśnie granice głębi ostrości . Dla

praktyki fotogrametrycznej najważniejszy jest przypadek nastawienia „na ostrość” na

odległość hiperfokalną” – obliczoną według wzoru 1.2. W tym przypadku osiągamy

największą rozpiętość strefy ostrości: przednia granica wynosi h/2 , zaś tylna sięga ∞.

/1.2/

⋅

gdzie: p – „przysłona” – opisana na obudowie obiektywu odwrotność „otworu względnego”.

c - plamka rozmazania (nieostrości) obrazu punktu, spowodowana niezachowaniem

warunku soczewki; w fotografii małoobrazkowe jako standard dopuszczalnej plamki

rozmazania przyjmuje się 1/3000 ogniskowej; w fotogrametrii wymagania te są wyższe.

Drugą cechą odległości hiperfokalnej jest to, że przy zogniskowaniu aparatu na ∝ ( b = f ),

przednią granicą głębi ostrości jest h .

Na odległość hiperfokalną są zogniskowane (na stałe) najprostsze aparaty fotograficzne a

także niektóre fotogrametryczne naziemne kamery pomiarowe (patrz rozdz. 2.2.1); dzięki

temu np. kamera Photheo 19/1318, zogniskowana na h = 72m daje ostry obraz od 36 metrów.

Również fotografując aparatem nastawianym na ostrość, warto uwzględniać właściwości

odległości hiperfokalnej.

1.1.2. Fotografia czarno-biała

Cykl powstawania obrazu fotograficznego przedstawia się następująco: światło odbite od

przedmiotu → kamera fotograficzna z materiałem światłoczułym → obraz optyczny →

naświetlenie materiału światłoczułego → wywołanie negatywu → kopiowanie (pozytyw).

Poszczególne etapy zostaną krótko omówione.

Aby obraz fotograficzny miał właściwą gęstość czerni, należy dostosować czas

naświetlania do parametrów obiektywu oraz światłoczułości emulsji fotograficznej. Emulsję

fotograficzną tworzą sole srebra (bromek, chlorek, jodek) zawieszone w żelatynie (koloid

ochronny). Emulsja taka jest niebarwoczuła (wrażliwa prawie wyłącznie na barwę niebieską)

i dlatego w trakcie jej produkcji dodaje się substancji uczulających na barwy – tzw.

sensybilizatorów optycznych. W rezultacie stosowania różnych sensybilizacji można otrzymać

następujące rodzaje emulsji czarno-białych:

- niebarwoczuła (tzw. ślepa) - reaguje tylko na kolor niebieski,

- ortochromatyczna – barwoczuła, ale nieczuła na czerwień,

- panchromatyczna - wszechbarwoczuła,

- infrachromatyczna - uczulona także na bliską podczerwień (0,76 - 1,5 μm).

Drugą – obok barwoczułości – najważniejszą cechą emulsji fotograficznej jest jej

światłoczułość . Światłoczułość emulsji bada się laboratoryjnie i określa jej wartość w

przyjętej skali. Obecnie powszechnie używa się skali ISO. Jest to skala „arytmetyczna” –

podwojona wartość ISO świadczy o dwukrotnym wzroście światłoczułości emulsji (można

zatem zastosować o połowę krótszy czas naświetlania). Emulsje niskoczułe cechują wartości

ISO: 25, 50; średnioczułe: 100, 200, 400; emulsje wysokoczułe 800, 1600 itd..

W fotografowaniu zaawansowanym i w fotogrametrii czasem stosuje się filtry

optyczne. Pozwala to na uzyskanie określonych efektów. I tak chcąc uzyskać obraz w

podczerwieni (na materiale infrachromatycznym) stosujemy filtr IR ( infrared ) który „obetnie”

promieniowanie widzialne. Należy jednak pamiętać, że na skutek aberacji chromatycznej

ognisko dla promieni podczerwonych może się oddalić (o około 1/50 ogniskowej) – należy

zatem – dla uzyskania ostrego obrazu - odpowiednio zwiększyć odległość obrazową.

Stosując filtry w fotogrametrii należy także pamiętać o tym, że filtr – to płytka

płaskorównoległa, która zdeformuje odwzorowanie perspektywiczne; należy zatem

uwzględnić to przy kalibracji kamery (wyznaczając dystorsję obiektywu). Fotografując z

użyciem filtrów trzeba też odpowiednio przedłużyć czas naświetlania,

Wywoływanie negatywu polega na poddaniu naświetlonej emulsji obróbce

fotochemicznej w trakcie której w miejscach naświetlonych sole srebra zostają zredukowane

do srebra metalicznego; ilość czarnego strątu srebrowego jest proporcjonalna do ilości światła

(w granicach poprawnych naświetleń). Utrwalanie polega na rozpuszczeniu i wypłukaniu

resztek halogenków srebra (niezredukowane do srebra są wciąż wrażliwe na światło).

Naświetlenie papieru światłoczułego przez negatyw a następnie jego wywołanie i

utrwalenie - daje pozytyw ; do wytwarzania papierów światłoczułych wykorzystuje się

niskoczułe emulsje niebarwoczułe. W przypadku kopiowania negatywu na materiale o

podłożu przezroczystym, otrzymuje się diapozytyw (przeźrocze) .

Na ostateczny efekt procesu fotograficznego można wpływać przez dobór materiału

światłoczułego o odpowiednich cechach (światłoczułość, kontrastowość, barwoczułość,

rozdzielczość), dobór obiektywu o określonych cechach, sposób i rodzaj oświetlenia, sposób

obróbki fotochemicznej (dobór właściwego wywoływacza i czasu wywoływania). Można w

rezultacie kształtować - w pewnych granicach - cechy obrazu: gęstość optyczną negatywu,

jego kontrastowość, rozdzielczość, zniekształcenia geometryczne i inne. Są to cechy

niezwykle ważne z punktu widzenia potrzeb fotogrametrii czy teledetekcji (fotointerpretacji)

- decydują bowiem o wartości informacyjnej zdjęć.

1.1.3. Fotografia barwna

Metody fotografii barwnej wynikają z teorii barw. Zasadę „dodawania” barw wyjaśnia rys.

1.4 : jeśli na biały ekran rzucimy barwne okręgi: niebieski, zielony i czerwony, to w

miejscach nakładania się tych barw podstawowych otrzymamy nowe barwy (niebiesko-

zieloną, żółtą i purpurową), co można zapisać matematycznie:

n+z=nieb-ziel, z+cz=ż, cz+n=purp; n+z+cz=bialy

Na tej zasadzie „dodawania” barw oparto addytywną metodę fotografii barwnej (łacińskie

addo – dodaję). Addytywną metodę fotografii barwnej najlepiej wyjaśnia następujące

doświadczenie: trzema kamerami (ustawionymi obok siebie) sfotografowano ten sam barwny

(płaski) przedmiot, przesłaniając obiektywy poszczególnych kamer filtrami: czerwonym,

zielonym i niebieskim; możemy znów wykorzystać rys.1.4. Diapozytywy tych zdjęć (czarno-

białe „ wyciągi barwne ”) umieszczono w rzutnikach postawionych na miejscach kamer,

przesłaniając obiektywy tymi samymi filtrami. Na ekranie pojawił się barwny obraz

sfotografowanego wcześniej przedmiotu. Zastosowane kolory stały się barwami

podstawowymi metody addytywnej. Dodawanie tych barw - nakładanie na białym ekranie -

daje barwy dopełniające (do bieli) - zgodnie z rys.1.4. Od angielskich nazw wymienionych

barw ( red, green, blue ) wziął nazwę powszechnie znany system zapisu barwnych obrazów

(RGB).

czerwony

purpurowy

żółty purpur.

biały czarny

niebies.. czerwony

zielony nieb.- niebieski

nieb.-ziel. żółty

-zielony

zielony

Rys.1.4. Otrzymywanie barw sposobem: a) addytywnym, b) subtraktywnym.

Technologia produkcyjna fotografii barwnej musiała oczywiście być mniej złożona.

Zamiast trzech wyciągów barwnych, zastosowano emulsję trójwarstwową , której

poszczególne warstwy - dzięki doborowi barwoczułości poszczególnych warstw, oraz

zastosowaniu żółtego filtru żelatynowego, tworzą „ wyciągi spektralne ” w trzech barwach

podstawowych (rys. 1.5). Zabarwienie poszczególnych wyciągów (warstw) uzyskuje się

stosując komponenty barwne, zastępujące - w procesie obróbki fotochemicznej - czarny strąt

srebrowy; ilość barwnika jest proporcjonalna do ilości strątu.

Metoda addytywna - pozwalająca tworzyć barwne przezrocza miała poważne wady:

powodowała znaczne straty światła i nie nadawała się do tworzenia barwnych pozytywów;

umożliwiła to dopiero metoda subtraktywna. Jest to metoda „odejmowania” (pochłaniania)

barw podstawowych przez filtry w barwach dopełniających (do czerni): żółtej, purpurowej i

niebiesko-zielonej.Są to barwy wyjściowe metody subtraktywnej. Funkcję odjęcia od bieli

(pochłonięcia) koloru niebieskiego spełnia filtr żółty, zielonego - purpurowy, czerwonego -

niebiesko-zielony; poszczególne warstwy emulsji pokazanej na rys. 1.5 otrzymują

zabarwienia w tych właśnie trzech kolorach . Zamiast przepuszczać przez filtr o barwie

podstawowej wyłącznie ten kolor (zatrzymując pozostałe – jak to jest w metodzie

addytywnej), wygasza się filtrem o barwie dopełniającej jedynie określony kolor

podstawowy.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: