دوربین رقومی DMC

مقدمه

دوربین DMC یکی از انواع دوربین های رقومی درحال توسعه می باشد. این دوربین ها در سال ۱۹۹۹ برسر کار آمدند. با توجه به طراحی ماژولار دستگاه، اجزای دستگاه می توانند تغییر کنند بدون آنکه نیاز به تغییر دادن کل سیستم دوربین باشد و این مزیت را دارد که با پیشرفت های که در سنسور، کامپیوتر وتکنولوژی انجام می شود سیستم را آپدیت نمود. با این حال Aerial film camera ها سهم خود را کماکان در بازار حفظ کرده اند. استحکام هندسی بالای DMC، کیفیت بالای تصاویر رادیومتریک، محدوده دینامیکی بالاتر در CCD ها و نیز نیاز نبودن به پردازش های شیمیایی در آزمایشگاه جهت چاپ تصویر ، به عنوان مزیتهای اصلی DMC در مقابل Aerial film camera مطرح  است. به دلیل آنکه در دوربینهای DMC اخذ تصویر در باندهای طیفی متعدد امکان پذیر می باشد در سنجش از دور کاربرد دارد. یکی از مزیت های مهم DMC وجود سیستم تصویر مرکزی می باشد؛ در نتیجه تصاویر DMC با تمامی نرم افزارهای موجود در فتوگرامتری رقومی سازگار بوده ونیاز به نرم افزار خاصی نمی باشد. مزیت دیگر این دوربینها جبران خطای کشیدگی تصویر در دوربین های DMC با استفاده از TDI است.

TDI = time delayed integration

ساختار دوربین های DMC

DMC، یک سیستم دوربین هوایی رقومی ساخت کارخانه Z/I می باشد که بر اساس تکنولوژی CCD a real array sensor کار می کند و از استحکام هندسی بالایی برخوردار می باشد. در این دستگاه بیش از یک دوربین وجود دارد واین موضوع باعث ایجاد میدان دید بزرگتری می شود. ساختار دوربین های DMC شامل ۴ واحد دوربین های همگرای پانورامیک و۴ واحد دوربین های موازی چند طیفی است. (شکل۱و۲).

DMC = Digital modular camera

شکل ۱: قرارگیری دوربین های مجزا درون جعبه DMC

شکل ۲ : نمایی از دوربین DMC از زیر هواپیما

رزولوشن زمینی در دوربین های چند طیفی خیلی کمتر از دوربین های پانورامیک است و سایز چیپ های CCD 2000×۳۰۰۰ است (شکل ۳).

شکل ۳ : دوربین DMC با رزولوشن بالا و پیکسل رزولوشن ۷K*4K

از ۴ دوربین پانورامیک ۲ تای آن ها Across track ودوتای دیگر Along track می باشند ومحورهای اپتیکی به گونه ای قرار گرفته اند که پوشش زمینی بالایی را ایجاد می کنند؛ در نهایت ۴ تصویر به یک تصویر مجازی تبدیل می شود. دوربین های چند طیفی در اطراف دوربین های پانورامیک قرار گرفته اند که همان پوشش زمینی دوربین های پانورامیک را دارند ولی رزولوشن آن ها کمتر می باشد. یک چیپ CCD تنها در سایز ورزولوشن شبیه Film cameras موجود می باشد و دارای صحت هندسی بالا و کیفیت رادیومتریک خوبی می باشد؛ اما ساخت چیپ ها در فرمت های بزرگ هم از لحاظ اقتصادی با صرفه نیست وهم تکنولوژی آن هنوز وجود ندارد. با این وجود به دلیل آنکه در فتوگرامتری هوایی نیاز به تامین صحت های بالا می باشد وعلاوه بر آن از نظر اقتصادی باید تعداد نوارها را کاهش داد و در زمان پرواز صرفه جویی کرد به دلیل ساختار CCD تعداد چیپ های کمتر در جهت حرکت پرواز یا همان محور x قرار می گیرند.

 با این کار پوشش در امتداد محور y بیشتر شده و نیاز به تعداد نوارهای کمتری می باشد و این از لحاظ اقتصادی به صرفه است. میزان همپوشانی حدود ۱% بین sub-image ها وجود دارد و یک فریم محکم ، استحکام هندسی بین ماژول ها را تضمین می کند.

جزییات بیشتر در جدول ۱ نمایش داده شده است.

پارامترها	مقادیر
فاصله تقریبی بین لنزها در راستای x وy	۸۰ / ۱۷۰
زوایای تیلت تقریبی فی و امگا	۱۰ و ۲۰ درجه
تصاویر ماژولار
فاصله کانونی کالیبره شده	۱۲۰ میلیمتر
اندازه پیکسل	۱۲ میکرون
رزولوشن رادیومتریکی	۱۲ بیت
اندازه تصویر	۷۱۶۸*۴۰۹۶ پیکسل
اندازه تصویر	۰۲/۸۶*۱۵/۴۹ میلیمتر
تصویر مجازی
فاصله کانونی کالیبره شده	۱۲۰ میلیمتر
اندازه پیکسل	۱۲ میکرون
سایز تقریبی تصویر	۱۴۰۰۰*۸۰۰۰ پیکسل
سایز تقریبی تصویر	۱۶۸*۹۵  میلیمتر
میدان دید تقریبی (ردیفی/ستونی)	۴۴ و ۷۴ درجه

جدول۱: پارامترهای دوربین DMC

وضعیت هندسی DMC

برای هدف هایی مثل تهیه نقشه ، صحت تصویر مجازی موضوع خیلی مهمی می باشد که دو عامل در صحت تصویر اثر دارد:

1. influence Transformation
2. Point displacement

که در زیر به توضیح کامل آن ها می پردازیم.

Transformation influence:

به دلیل آنکه بتوانیم از کلیه نرم افزارهای استاندارد فتوگرامتری جهت کارهای پردازش استفاده کنیم می بایست ۴ تصویر را به صورت یک تصویر مجازی در نظر بگیریم تا یک سیستم تصویر مرکزی برای آن در نظر بگیریم .با این کار به جای ۴ مرکز تصویر یک مرکز تصویر داریم که بین هر کدام از مراکز تا مرکز تصویر مجازی یک مقدار شیفت dx   وجود دارد. که این میزان خطا تابعی از توجیه دوربین و وضعیت سطح زمین می باشد اگر مدل رقومی زمینی (DTM) موجود باشد مشکل حل می شود اما در حالت کلی ما همیشه به DTM دسترسی نداریم بنابراین یک جابجایی هندسی به دلیل متفاوت بودن مراکز تصویر ، چنانچه زمین مسطح نباشد وجود دارد می توان تصور کرد که پارامترهای توجیه نسبی در طول یک پروژه ثابت باقی می ماند. برای محاسبه این خطا به صورت زیر عمل می کنیم :

در شکل۴ دو زیرتصویر و یک تصویر مجازی نشان داده شده است . ارتفاع پرواز را برابر h_g در بالای سطح مرجع افقی در فضای شی درنظر می گیریم. نقطه Q را در نقطه اصلی تصویر مجازی قرار داد و نقطه p را با ارتفاع ∆h در بالای سطح مبنا در نظر می گیریم همانطور که ملاحظه می شود p _sub = Q _sub ، به دلیل وجود جابجایی ارتفاعی h∆ وشیفت dx₀ بین مراکز تصویر دو نقطه Q _virt وp _virt در تصویر forward looking بر هم منطبق بوده ولی در تصویر مجازی با هم اختلاف دارند . میزان جابجایی dx وdy در فضای شی با برقراری یک تناسب ساده با فرمول (۱) بیان می شود:

(۱)

شکل۴: روابط هندسی دوربین DMC در جهت پرواز

میزان dx وdy در فضای تصویر با فرمول (۲) قابل محاسبه است:

dx و dy بیانگر اثر انتقال در نقطه p در تصویر مجازی می باشد که این معادلات نه فقط برای تصحیح نقطه p بلکه هر نقطه در بالا یا زیر سطح مرجع صادق است.

 

جابجایی ارتفاعی:

شیفت در جهت x برروی مختصات z هم اثر می گذارد (شکل ۵) برای محاسبه میزان خطا در جهت z به صورت زیر عمل می کنیم :

فرض کنیم پوشش ۶۰% داشته باشیم نقطه R با ارتفاع h∆ از سطح مبنا را در مرکز مدل در نظر می گیریم اثر انتقال در هر دو تصویر مجازی با معادله ۲ که قبلاً بیان شد قابل محاسبه می باشد که مقادیر مطلق آن ها در دو تصویرمجازی با هم برابر بوده فقط علامت آن ها تفاوت دارد. مجموع دو مقدار مطلق parallax d_px  می باشد که با داشتن پارالاکس از دو تصویر مجازی که با اندازه گیری استریسکوپ قابل محاسبه است  می توان ارتفاع R را محاسبه کرد میزان dz با فرمول های زیر بیان می شود:

B میزان باز بین تصاویر مجازی در هنگام عکسبرداری (همان فاصله ایستگا ه ها) وb میزان باز در روی تصاویر پس از اخذ است. dB=2×dX0  در مسائلی که صحت بالایی مطرح می باشد می توان این اثر ارتفاعی را با تغییر دادن فاصله کانونی مجازی dcvirt جبران کرد .از آنجا که

 dZ/dcvirt = (hg-∆h)/cvirt  در نتیجه dcvirt dZ = (hg-∆h)/cvirt    که چنانچه این معادله را با هر کدام از معادلات  ۳ مساوی قرار دهیم نتایج زیر حاصل می شود:

شکل ۵ : مدل استریو DMC و جابجایی ارتفاعی

شکل ۶ اثر انتقال را که به صورت نسبت h/h_g∆ در ارتفاع های پرواز متفاوت ایجاد می شود را نشان می دهد . همانطور که از فرمول مشاهده می شود مقدار dx و dy با افزایش ارتفاع پرواز کاهش می یابد وحتی برای مقادیر کوچک h_g این نسبت خیلی بزرگ نمی باشد . به عنوان مثال با در نظر گرفتن ارتفاع پرواز ۵۰۰ متر و ارتفاع زمینی ۱۰۰ متر در بالا یا پایین سطح مرجع میزان h/h_g=0.2∆  می باشد. میزان اثر در جهت x حتی کمتر می باشد که به دلیل جابجایی کمتر بین دو مرکز تصویر در جهت پرواز می باشد. در عمل به ندرت نسبت h/h_g∆  از مقدار ۲/۰ تجاوز می کند . به طور کلی اثر مربوط به بکار بردن تصویر مجازی ۴ تصویر قابل چشمپوشی می باشد و چنانچه sub-image به جای تصویر مجازی استفاده شود این خطا به طور کامل از بین می رود .

شکل ۶: تاثیر بر میزان dx و dy به عنوان توابعی از h_g وh/h_g∆

کالیبراسیون دوربین های DMC

جهت رسیدن به دقت های بالا، سیستم DMC در محل کارخانه سازنده آن باید کالیبره شود. کالیبراسیون شامل دو مرحله است:

1. کالیبراسیون Single head cameras.
2. کالیبراسیون Platform که بعد از قراردادن multi head camera در کنار هم انجام می شود.

Single camera head calibration:

شامل کالیبراسیون هندسی و رادیومتریکی می باشد. کالیبراسیون هندسی همان توجیه داخلی می باشد که در classic film based camera هم انجام می شد و کالیبراسیون رادیومتریک شامل تصحیح نقص های سنسورهای CCD وجبران کردن حساسیت های مختلف المان های پیکسل می باشد .علاوه بر آن اثر عامل محیطی توسط تصحیح رادیومتریک تعدیل می شود . مقدار کالیبراسیون در هر دوربین ذخیره می شود و درطی مراحل Post processing این تصحیح انجام می شود کالیبراسیون platform بین single sensors در یک platform می باشد. به عبارتی موقعیت مکانی هر کدام از این سنسورها که در platform قرار دارند را تصحیح می کند و چنانچه نیاز باشد تصحیح رادیومتریک هم انجام می دهد.

کالیبراسیون هندسی

برای انجام کالیبراسیون دوربین DMC، مدل پارامتری Australis10 استفاده شده است. فرمول (۵٫۱) تصحیح کلی مختصات عکسی حاصل از کالیبراسیون را محاسبه می کند:

در این فرمول تصحیحات مربوط به فاصله کانونی، نقطه اصلی، اعوجاج شعاعی و مماسی لحاظ شده است. مهمترین پارامترها در single head calibration مربوط به پارامترهای اعوجاج شعاعی و مماسی می باشد که با فرمول های (۵٫۲) و(۵٫۳) زیر قابل محاسبه است:

پارامترهای اعوجاج شعاعی

پارامترهای اعوجاج مماسی

اثر پارامترهای دیگر کمتر می باشد که پس از کالیبراسیون single panchromatic camera head system باقیمانده حاصل کمتر از ۰٫۰۵ پیکسل می باشد.

مراحل کالیبراسیون هندسی

در کالیبراسیون دوربین های قدیمی ، یک کلیماتور میزان اعوجاجات را مستقیماً در فضای تصویر تعیین می کرد ولی چون اندازه گیری مستقیماً بر روی دوربین های رقومی امکان پذیر نیست (درون CCD را نمی توان دید) از روش دیگری برای کالیبراسیون استفاده می کنیم. کلیماتور یک تارگت را ایجاد می کند با استفاده ازleast square matching intensity-based موقعیت تارگت بر روی CCD تعیین می شود.

 Matching موقعیت تارگت ها را به وسیله match کردن هر تارگت با بقیه تعیین می کنند .علاوه بر مرحله matching ، موقعیت ها وزوایا را در bundle adjustment گذاشته وپارامترها را محاسبه می کنیم .علاوه بر مجهولات مدلAustralis 10  برای هر سری از اندازه گیری ها ، ۳ مجهول برای مدل کردن توجیه خارجی دوربین در محیط کالیبراسیون اضافه می شود.

کالیبراسیون رادیومتریک

کالیبراسیون رادیومتریک را برای هر Single head camera انجام می شود. این کالیبراسیون جهت تصحیح حساسیت های نوری متفاوت در هر پیکسل CCD به کار می رود .یک روش استاندارد به وسیله gain and offset correction این کار را انجام می دهد یک مدل تابعی برای تصحیح کردن اثرهای دما وسایز دیافراگم استفاده می شود که با این کارها تصویر از قید اینگونه اثرها رها می شود .با استفاده از روش TDI مشکل Blur بودن تصویر برطرف می شود . در تصاویر چند طیفی یک تصحیح اضافی جهت حذف کردن اعوجاج های ایجاد شده توسط فیلتر استفاده شده نیز انجام می شود. شکل (۷) تصاویر قبل و بعد از تصحیح رادیومتریک، که شامل تصحیح پیکسل های خراب است را نشان می دهد.

TDI = Time Delayed Integration

شکل ۷: تصویر اصلی (تصویر سمت چپ) و تصویر بعد از تصحیح رادیومتریک (تصویر سمت راست)

 مزیت دیگر تصحیح رادیومتریک علاوه بر بهبود کنتراست ، کاهش نویز می باشد . در شکل ۸ یکسری خطوط در روی تصویربه چشم می خورد که مزیت کالیبراسیون آن است که این خطوط کاملاً بر روی تصویر مشخص می باشد علت به وجود آمدن اینگونه خطوط وجود ستون های خراب درون CCD می باشد اما موقعیت این ها کاملاً مشخص بوده و به طور اتوماتیک می توان آن را تصحیح کرد. نتیجه این تصحیح درشکل ۸ نشان داده شده است.

شکل ۸: برشی از تصویر محتوای ستون های خراب (تصویر سمت چپ) تصویر تصحیح شده (تصویر سمت راست)

 مشکل دیگر در هنگام تولید CCD پیش می آید که هاله ای از گرد و غبار داخل پیکسل ها را گرفته و باعث می شود که به نور حساسیت کمتری داشته باشند که به وسیله تصحیح رادیومتریکی این مشکل برطرف می شود. در شکل ۹  در تصویر سمت چپ در وسط تصویر ، یک cluster که به دلیل حساسیت کم المان های پیکسل بوجود آمده است را نشان می دهد.

شکل ۹: تصویر خطادار (تصویر سمت چپ) تصویر تصحیح شده (تصویر سمت راست)

کالیبراسیون هندسی Platform

کالیبراسیون platform شامل دو مرحله است:

مرحله اول قرار دادن ۴ دوربین پانورامیک نسبت به همدیگر می باشد به طوری که موزائیک تصویر به طور صحیح و موثری انجام گیرد در مرحله دوم ، تصاویر رنگی باید با تصاویر پانورامیک رزولوشن بالا که قبلاً موزاییک شدند ترکیب شوند.

در شکل ۱۰ سیستم مختصات DMC platform نمایش داده شده است ۴ فاصله کانونی f₁ تا f₄ قبلاً به طور جداگانه در مرحله single head camera calibration کالیبره شده اند فاصله کانونی f_DMC که مربوط به تصویر مجازی است را متوسط این ۴ فاصله کانونی به صورت عددی صحیح وارد می کنیم واین موضوع یکسان بودن سایز این پیکسل ها با پیکسل های تصویر موزائیک شده را تضمین می کند.

شکل ۱۰ : مرکز تصویر مجازی DMC (نقطه نارنجی) مراکز تصاویر واقعی دوربین های پانکروماتیک (نقاط آبی)

مرکز تصویر مجازی در وسط بین مراکز ۴ دوربین پانورامیک قرار گرفته است.این ۳ دوربین باید المان های توجیه خارجی شان نسبت به دوربین اصلی مشخص شود یک دوربین را master در نظر گرفته و بقیه را slave  در نظر می گیریم وپارامترهای خارجی این ۳ دوربین را نسبت به آن به دست می آوریم که برای هر کدام شامل ۳ پارامتر موقعیت و ۳ زاویه می باشد ۳ زاویه توجیه را در bundle adjustment قرار داده و محاسبه می کنیم.

.

 کالیبراسیون رادیومتریکی platform

همانطور که قبلاً اشاره شد هر دوربین به طور جداگانه از لحاظ رادیومتریکی کالیبره می شود و این اطلاعات در هنگام پردازش تصویر به کار می رود بنابراین می توان انتظار داشت که تصویر موزاییک شده (مجازی) تصحیح رادیومتریکی در آن اجرا نشده است . بنابراین اختلافintensity کوچکی بین تصاویر پانورامیک مجاور وجود دارد .جهت برطرف کردن این مشکل هیستوگرامی از پیکسل ها در منطقه overlap تصویر ایجاد می شود و با استفاده از این داده ها یک مقدار بهینه ای برای مقادیر intensity محاسبه می شود و در جریان موزائیک کردن به کار می رود.

نتایج حاصل از کالیبراسیون

تست کالیبراسیون platform به طور موفقیت آمیز در یک تست پرواز با استفاده از DMC در ۱۶ فوریه ۲۰۰۲ بر روی تصاویر اخذ شده با در نظر گرفتن ۳۰ تا ۵۰ نقطه گرهی و اخذ ۳۵۰ تصویر کامل از ارتفاع های پرواز متفاوت در یک بلوک فتوگرامتری منظم انجام پذیرفت . کیفیت هندسی و رادیومتریک تصاویر بسیار عالی بوده که در شکل ۱۱ نشان داده شده است. sigma naught به عنوان شاخص کیفیت محاسبه شده است؛ علاوه بر آن maximum residual در شکل نمایش داده شده است . مقادیر متوسط sigma naught حاصل از سرشکنی  در حدود ۱ میکرون می باشد که چیزی معادل ۱۲ میکرون است. ماکزیمم باقیمانده ها در تصویر از ۶ میکرون تجاوز نمی کند که نصف سایز یک پیکسل می باشد . این مقادیر صحت DMC و مکانیزم توجیه bundle block adjustment را بطور آشکارا نشان می دهد.

شکل ۱۱: نمایش سیگما صفر و بزرگترین باقیمانده های محاسبه شده برای هر تصویر بوسیله توجیه باندل ۴ تصویر پانکروماتیک

مزیت های اصلی DMC

در زیر چند نمونه از مزیت های عمده DMC بیان شده است:

• اقتصادی بودن
• عملکرد مناسب در شرایط مختلف
• تمام اتوماتیک بودن
• دسترسی به اطلاعات چند طیفی

نتیجه گیری

با توجه به مطالب گفته شده می توان ویژگی هایی را برای دوربین DMC مرور کرد که در زیر به آنها اشاره می گردد:

• بروزرسانی آن همزمان با پیشرفت تکنولوژی امکان پذیر می باشد؛ به همین دلیل نیاز نیست کل سیستم را تغییر دهیم . هر module جداگانه تغییر می کند.
• استحکام هندسی بالایی داشته و علاوه بر آن از کیفیت تصویر عالی با استفاده از CCD a real array chips برخوردار است.
• به طور همزمان امکان اخذ تصاویر پانکروماتیک و چند طیفی وجود دارد.
• امکان دسترسی سریع به داده های عکسی.
• مستقل بودن از اندازه گیری های GPS/INS .
• تامین صحت هندسی با استفاده از sub-image اولیه.
• تطابق با تمامی نرم افزارهای موجود در فتوگرامتری دیجیتال DPWS)) با استفاده از سیستم تصویر مجازی مرکزی.

همه خصوصیت ها مخصوصاً استحکام هندسی وتطابق با DPWS موجود، DMC را به عنوان یک دستگاه پر کاربرد مطرح می سازد. نمونه ای از کاربردهای آن در مدسازی سه بعدی شهری و بروزرسانی آن ، وسیله ای برای آگاهی دادن یک فاجعه (سیل ، زلزله و غیره) و مستند سازی است.

برای شرکت در دوره فتوگرامتری برد کوتاه مهندس میثم رفیعی اینجا کلیک کنید.