Tema 5. Escáneres. Fotogrametría Digital Ingeniería en Geodesia y Cartografía

Transcripción

1 20 6. Enfoque El plano del sensor debe ser paralelo a la placa y el enfoque ser correcto. Problemas de astigmatismo de la lente: No coincidencia entre los elementos verticales y horizontales de la imagen. 7. Coincidencia entre canales Desplazamiento relativo entre los canales de las imágenes en color. Problemas de posicionamiento del sensor o bien a aberraciones cromáticas de la lente u otros elementos ópticos. 8. Precisión de posicionamiento geométrico, uniformidad y repetibilidad 9. Resolución geométrica No es un error, sino un parámetro que define la calidad del sensor. Se establece en función de la FTM. 10. Falta de perpendicularidad Si las líneas/columnas del CCD no son paralelas a la dirección de digitalización, se producen efectos de escalera (shear). Este efecto también se produce si existen problemas de ortogonalidad en el sensor. Es corregido mediante la transformación afín en la orientación interna. 11. Linealidad de la escala de grises La relación entre los electrones generados en el sensor y los niveles digitales debe ser lineal (se producen errores hasta del 0.5% por el amplificación del chip).

2 Rango dinámico Es un parámetro (no un error) que debe ser determinado y optimizado. Capacidad del sensor para detectar diferencias de nivel de gris y capturar imágenes de contraste alto. El rango dinámico depende del nivel de ruido y este depende a su vez de la densidad (debe ser calculado para diferentes niveles de densidad). 13. Balance de color Los CCD no presentan una respuesta uniforme en el espectro visible es necesario ajustar diferentes parámetros (ajuste de iluminación, velocidad de digitalización, tiempo de integración, ) para cada canal y de esta forma, obtener una imagen compensada. 14. Precisión radiométrica Análisis de los tipos de ruido: ruido térmico, blooming, smearing, tailing, El análisis se suele realizar de una forma conjunta. Análisis basado en el análisis de la uniformidad de la respuesta fotométrica. 15. Tamaño de pixel 16. Calidad cromática

3 22 B. Errores de periodo corto de variación 1. Variaciones radiométricas temporales Estimación de la variación de ND en patrones homogéneos a lo largo del tiempo. 2. Bandas Se produce en los sensores de tipo lineal (tanto simple como multiple). Aparición de bandeado como consecuencia del ruido de corriente de oscuridad, los problemas de falta de uniformidad y de sensibilidad. 3. Ecos Se produce en los sensores lineales multiples y matriciales de gran tamaño con alta velocidad de lectura mediante la incorporación de sistemas múltiples. Ecos en la imagen digital (Baltsavias, 1996) 4. Diferencias en los patrones de ruido y respuesta entre los CCD adyacentes Se produce en los sensores lineales múltiples. Se deben a diferencias constructivas entre los elementos del sensor múltiple.

4 23 5. Vibraciones Se producen por inestabilidades del sistema de posicionamiento del escáner y son especialmente importantes si la velocidad de digitalización es elevada. 6. Falta de uniformidad de la fuente de iluminación e inestabilidad Causas: Vibraciones en la dirección horizontal (dirección del sensor). La imagen ha sido rotada 90º para su presentación (Baltsavias, 1996) - problemas con la fuente de iluminación - por pérdida de iluminación en los extremos de las lentes La estabilidad depende de la fuente de iluminación y de la propia estabilidad de la fuente de alimentación. 7. Errores de mosaico Se producen en escáneres que combinan porciones de imágenes para dar lugar a la imagen final (-tiles- sensores matriciales o -swaths- sensores lineales). Es un error muy poco frecuente aunque si pueden existir diferencias radiométricas. 8. Saturación CCD Relacionada con el rango dinámico. Causas: - mal ajuste de las LUT - rango dinámico incorrecto

5 24 9. Linejitter Se produce en los sensores matriciales o por problemas de sincronización entre los píxeles. Su magnitud es en torno a 0.1 píxeles. 10. Polvo, desperfectos de la película, etc. Procedimiento general de calibración 1. Materiales necesarios para la calibración a) Patrones de calibración de resolución Las placas de calibración de resolución se deben construir en vidrio y pueden encontrarse en positivo o en negativo. Los patrones más frecuentemente empleados son: Placa de calibración de la USAF. Patrones de 3 pares de líneas con resolución entre 0.25 y 228 lp/mm con incrementos de 1.12 con líneas horizontales y verticales. Placa de calibración NBS. Patrones de 5 pares de líneas con resolución entre 1 y 500 lp/mm con incrementos de 1.12 con líneas horizontales y verticales. Placa de patrones de 15 pares de líneas empleadas para el cálculo de funciones de transferencia de modulación, con dos tipos de resoluciones de 1 a 1000 lp/mm ó de 1 a 625 lp/mm con incrementos de Este tipo de patrones sólo incorporan líneas verticales.

6 25 Placa de calibración de la resolución geométrica de la USAF Las placas a utilizar se deben elegir en función del escáner (resultados a priori). Otras placas: placas de grupos de patrones paralelos con un número de pares de líneas igual o mayor que 3 con frecuencia creciente. placas de Fresnel que consisten en anillos concéntricos con simetría radial y distribución de intensidad sinusoidal. En todos los casos es fundamental el que las placas sean de alta calidad, en especial, en los aspectos relativos al contraste, la definición de bordes y planeidad de la placa.

7 26 b) Cuñas de escalas de grises Ejemplo: Kodak SR37 Tamaño: 21x2 cm Densidad: 0.0 a 1.8D (incremento 0.05D) Conservación medioambiental adecuada. Comprobación con microdensitómetro. c) Patrones para la comprobación de la falta de uniformidad de la respuesta fotométrica d) Patrones de comprobación de registro de puntos y líneas e) Patrones para la comprobación tonal y de reproducción de color Placa UGRA/FOGRA Tamaño: 20x27cm Determinación granularidad y calidad de la imagen

8 27 f) Placas reticuladas g) Películas aéreas Se emplean en las calibraciones geométricas Placa de vidrio en la que se han grabado líneas formando un reticulado con un espaciado entre 1 y 2 cm y con un grosor entre 20 y 40 µm. Existen placas de este tipo que están especialmente diseñadas para la digitalización conjunta con la imagen como la que incorporan los sistemas Vexcel VX3000 y Rollei RS1-C. Las placas tienen un precio en torno a 600 cada una de ellas, salvo las reticuladas cuyo precio puede ascender a ó (placa de 11x11 líneas) mientras que las placas más densas pueden costar más de Una alternativa puede ser trazar una retícula sobre un material indeformable y realizar la medida con un comparador de precisión.

9 28 Condiciones de realización de la calibración y procedimiento La calibración se debe realizar a la mayor resolución geométrica posible. Se debe emplear un rango dinámico muy amplio (o posterior realce). Precalentamiento del escáner y limpieza exhaustiva. Se debe repetir el proceso varias veces (a diferentes velocidades). Precisión geométrica: Precisión radiométrica: Errores de alineación: Transformación afín Análisis de residuos (global y local) Empleo de las cuñas de grises y patrones. Zonas homogéneas. Corrección de errores por sustitución. Digitalización de líneas horizontales Errores de submuestreo: Patrón de líneas y puntos (0 y 90º) Error de smearing: Enfoque: Correspondencia canales: Resolución geométrica: Patrón de líneas horizontales y verticales Estimación de anchura y contraste. Digitalización de patrón Perfiles de niveles digitales Separación de imagen en canales y coincidencia. Patrones de resolución Cálculo de FTM (nunca de forma visual)

10 29 Linealidad: Rango dinámico: Paralelismo CCD: Bandeado: Vibraciones: Falta de uniformidad: Cuñas de gris (valor medio y emc) Cuñas de gris Digitalización imágenes en color Cálculo distancia líneas Digitalización de un objeto homogéneo. Digitalización de líneas y puntos Detección y análisis de bordes. Digitalización de cuñas o placa de vidrio.

11 30 Test de calibración del escáner Leica DSW300 Material empleado: 2 escáneres DSW300 3 placas de calibración geométrica: Placa de precisión (116x116 cruces, 2mm de espaciado, tamaño de 200µm y grosor de línea de 15µm, error posicional máx 1µm) Placa de calibración (13x13 cruces, 2cm de espaciado y grosor de línea de 25µm con error posicional máximo de 2µm) Placa de calibración con 23x23 cruces con espaciado de 1cm, grosor de línea de 20µm y error posicional máximo de 1µm Placa de resolución estándar (USAF) en soporte cristal. Cuña de calibración radiométrica realizada por Kodak (21 densidades con intervalo de 0.15D cubriendo un rango de 0.055D a 3.205D).

12 31 Calibración geométrica.- 6 digitalizaciones (3 primer y 3 segundo día).tamaño pixel: 12.5 µm (color y gris) Medida mediante matching de patrones con ajuste por mm.cc. ( pix) Revisión manual 1. Test geométrico global. Transformación afín (todas las cruces, 4 esquinas, 8 -esquinas+lados-) Empleo de todas las placas. 2. Errores de desplazamiento entre canales. Comparación de las coordenadas de las cruces entre pares de canales 3. Test geométrico local. Este escáner escanea en porciones. Se analiza el comportamiento en cada porción (placa de precisión) Permite obtener distorsión radial del sensor 4. Repetibilidad. Análisis de las diferentes medidas 5. Estabilidad y robustez. Análisis de las medidas de la misma placa 6. Resolución geométrica. Inspección visual de la placa de resolución geométrica (3 ensayos)

13 32 Calibración radiométrica.- Cuña de densidades (gris y color) Dos resoluciones de digitalización LUT de tipo lineal y logarítmico. 1. Estimación del nivel de ruido. Media y desviación típica de cada densidad de la cuña de densidades, escogiéndose siempre la misma porción dentro de la zona de nivel de densidad. 2. Linealidad y rango dinámico. Representación del logaritmo del nivel de gris medio frente a la densidad calibrada respectiva, los puntos de la representación deben estar dispuestos sobre una línea recta y ser equidistantes. 3. Rango dinámico. Nivel de densidad mínima no saturada: Nivel que proporciona un nivel digital no nulo. Nivel de densidad máximo: Distancia del valor medio de gris de una densidad detectable a partir de los valores medios de sus dos niveles de densidad vecinos debe ser igual a la suma de la desviación típica de la densidad detectable y las desviaciones de los vecinos, es decir: Mi-1 + SDi-1 + SDi < Mi < Mi+1 + SDi+1 + SDi donde: M media del nivel de densidad de la cuña SD desviación típica del nivel de densidad de la cuña i nivel de valor de densidad creciente

14 33 La desviación típica del nivel de densidad debe ser mayor de 0.1, a objeto de evitar el fenómeno que se observa de que la señal saturada presenta valores de desviación típica muy bajos. Existencia de diferencia entre el valor redondeado a número entero del valor medio de densidad del nivel analizado con respecto al resto de niveles de la cuña. 4. Errores. Con el objeto de determinar errores radiométricos entre las diferentes porciones de imagen (tiles) o errores de tipo electrónico asociados con el sensor (polvo electrónico) se someten las imágenes a un filtro de Wallis de forma que se aumente el contraste de la imagen y dichos defectos se hagan más visibles. Resultados Las principales conclusiones del trabajo fueron: a) Precisión geométrica: e.m.c.: µm; e.abs.medio máximo: 4.5-8µm; emc distorsión lente: µm. b) Desplazamiento entre canales: 1µm (inferior a la precisión geométrica) c) Repetibilidad: Es muy buena a corto y medio plazo. d) Nivel de ruido: ND (tamaño de pixel: 25 y 12.5µm, LUT lineal) ND (LUT logarítmica) e) Rango dinámico: 2D (LUT lineal) y 2.16D (LUT logarítmica)

15 Estructura del Tema 34 Tema 5. Escáneres. 5.1 Introducción 5.2 Escáneres. Conceptos básicos 5.3 Componentes de los escáneres 5.4 Análisis de las características técnicas de los escáneres Iluminación Rango dinámico y bits de cuantización Reproducción del color Velocidad de digitalización Resolución geométrica óptima Ruido de la imagen Compresión de datos 5.5 Calibración de escáner Errores y parámetros Procedimiento general de calibración 5.6 Escáneres no fotogramétricos (escáneres de sobremesa) Ejemplos de escáneres no fotogramétricos empleados frecuentemente en trabajos fotogramétricos de precisión baja a media Resultados de calibración de escáneres no fotogramétricos 5.7 Análisis de coste y beneficios de los escáneres

16 Escáneres no fotogramétricos tricos 35 No han sido construídos pensando en su utilización para trabajos fotogramétricos. Limitación en cuanto a la calidad geométrica. Sector del mercado en fuerte expansión! fuertes inversiones Software estándar y de sencillo manejo Precio económico (6.000 a ) Diseño: Características: Problemas: Placa fija y óptica/iluminación/sensor móvil. Resoluciones ópticas máximas de 1200 ppp (21µm) (resoluciones int 9600ppp) Tamaño de digitalización A4. Digitalización de transparencias. Muy buena calidad radiométrica Velocidad de digitalización muy elevada Ajustes tonales automáticos Precisión insuficiente Estabilidad geométrica (errores posicionamiento e inestabilidad) Fuertes distorsiones ópticas Carecen de software de calibración

17 Estructura del Tema 36 Tema 5. Escáneres. 5.1 Introducción 5.2 Escáneres. Conceptos básicos 5.3 Componentes de los escáneres 5.4 Análisis de las características técnicas de los escáneres Iluminación Rango dinámico y bits de cuantización Reproducción del color Velocidad de digitalización Resolución geométrica óptima Ruido de la imagen Compresión de datos 5.5 Calibración de escáner Errores y parámetros Procedimiento general de calibración 5.6 Escáneres no fotogramétricos (escáneres de sobremesa) 5.7 Análisis de coste y beneficios de los escáneres

18 Análisis de coste de los escáneres 37 Precios aproximados y características de los escáneres fotogramétricos más frecuentemente empleados (modificado de Baltsavias, 1998) Precio x Sistema y Distribuidor Photoscan 2000 (ZI Imaging) DSW 600 (Leica Geosystems) ISM XL-10 (Intern.SysteMap Corp.) UltraScan5000 (Vexcel Imaging GmbH) RasterMaster RM-2 (Wehrli & Assoc) Delta-Scan (Geosystem) Entorno y S.O. PC / Win PC / Win PC/Win PC / Win PC / Win PC / Win Características (área, resolución, velocidad, sensor), 27.5x25cm; 7-224µm; Máx. 4 Mb/s CCD Kodak trilineal pix 26.5x26.5cm; mín 4 µm Kodak Megaplus 1.6i, 4.2i, 6.3i 25.4x25.4cm; µm; 0.73Mb/s CCD Kodak trilineal 3x8000 pix 28x44cm; min 5 µm; 0.83 Mb/s CCD trilineal 6000 píxeles 25x25cm; min 10µm; 1.2Mb/s Matriz lineal con sensores 30x30cm; min 7 µm; 0.13 Mb/s Matriz Sony 3x5300x8

19 Análisis de coste de los escáneres 38 Aspecto clave: Número de fotogramas a digitalizar al día Coste por fotografía: 12 Fotografías/día: 1 Fotografías/año: 240 Coste anual: 12 /foto x 240 fotografías/año = /año Coste del sistema: Años para amortizar: / /año = 15.6 años Periodo de amortización de un escáner fotogramétrico en función del coste del equipo y del número de fotografías procesadas diariamente Coste fotos Número de fotografías procesadas diariamente 4 fotos fotos fotos fotos