Система координат снимка. Элементы

Внутреннего ориентирования снимка

Началом пространственной прямоугольной системы координат кадрового снимка является центр проекции S (см. рис. 5 и 6). Измерения координат точек объекта на кадровом снимке выполняются в системе координат снимка, которая задается либо координатными метками на аналоговом снимке, либо системой координат матрицы цифровой фотокамеры.

b) цифровой

x

y

z

о'

o

S

x

y

z

xo

yo

m

M

P

f

а) аналоговый

x

xо

y

z

o'

z

x

y

S

yо

o

M

m

f

P

Рис. 10

На аналоговом снимке (рис. 10, а) четыре координатные метки располагаются либо посредине каждой стороны снимка, либо в его углах. Координатные метки имеют вид креста или крестообразных штрихов с точкой посредине. Ось xснимка проходит через метки 1 и 2 и направлена вдоль полета носителя. Началом системы координат служит точка о' пересечения оси х линией, соединяющей метки 3 и 4. Ось у проходит через точку о' перпендикулярно к оси х, а ось z - через точку о' перпендикулярно к плоскости xy. Положительное направление оси х задают от метки 1 к метке 2, оси у - от метки 4 к метке 3, а оси z - вверх от плоскости xy.

Для цифрового изображения метки не нужны, поскольку положение каждого пикселя определено в ортогональной системе координат матрицы o'xyz(рис. 10, б).

Две системы координат снимка Sxyz и o'xyzпараллельны и имеют параметры смещения относительно друг друга: x₀, у₀, f,где x₀ и у₀ координаты главной точки о в системе координат o'xyz,а f - фокусное расстояние фотокамеры. Параметры x₀, у₀, f называют элементами внутреннего ориентирования снимка.

Элементы внутреннего ориентирования определяют в процессе калибровки фотокамеры. Также в процессе калибровки определяют параметры дисторсии фотокамеры, которая характеризует нарушение ортоскопии при построении изображения. Дисторсия может быть задана в виде поправок или коэффициентов полинома.

Поскольку элементы внутреннего ориентирования определяют в системе координат снимка o'xyz положение центра проекции S, т.е. положение точки через которую проходят все проектирующие лучи, то говорят, что элементы внутреннего ориентирования позволяют восстановить связку проектирующих лучей.Поскольку дисторсия описывает свойства проектирующих лучей, то и её также относят к элементам внутреннего ориентирования фотокамеры.

Особенности измерения координат на

Цифровом снимке

Цифровое изображение представляет собой прямоугольную матрицу, каждый элемент которой – пиксель - имеет свое определенное положение, заданное номером столбца j и строки i, которые в силу своей прямоугольной структуры и задают систему координат цифрового изображения (рис. 11, а).

Эта система координат - левая. Начало координат находится в левом верхнем углу (точка с'), где расположен нулевой пиксель. Ось x_j направлена вправо и вдоль неё идёт счёт столбцов j. Ось y_i направлена вниз и вдоль неё идёт счёт строк i. Координаты центра любого пикселя определяются так:

x_j = j + 0,5, y_i = i + 0,5,

где jи i – номера столбца и строки матрицы цифрового изображения. Для закрашенного пикселя (j = 5, i = 3) координаты будут x_j = 5,5 и y_i = 3,5.

Для перехода от пиксельных координат к метрическим координатам нужно умножить пиксельные координаты на метрический размер пикселя D, заданный при сканировании снимка или при изготовлении матрицы цифровой фотокамеры, т.е.

x' = D´x_j и y' = D´y_i.

Если D = 10 мкм, то метрические координаты закрашенного пикселя будут
x' = 5,5´10 = 55 мкм и y' = 3,5´10 = 35 мкм.

В ЦФС часто систему координат исходной матрицы цифрового изображения пересчитывают из левой системы в правую, перенося начало системы координат из левого верхнего в левый нижний угол. В результате оси метрических координат будут иметь направления: ось x_j - вправо, а ось y_i - вверх.

В ЦФС измерения цифрового изображения выполняются на экране монитора путём позиционирования измерительной марки на точку изображения. При выводе на экран цифрового изображения в масштабе 1:1 (такой вывод еще называется истинный размер) пиксель исходного изображения совпадает с пикселем экрана монитора. В этом случае, если размер пикселя исходного изображения, например, равен 12 мкм, а размер пикселя экрана монитора - 240 мкм, то отображение изображения на экране монитора соответствует оптическому увеличению 20 крат. При таком увеличении дискретность перемещения измерительной марки равна пикселю и, соответственно, измеренные координаты будут зафиксированы до одного пикселя.

Увеличение точности измерения координат можно достичь за счет увеличения исходного изображения в n раз. В этом случае один пиксель исходного изображения отображается в нескольких пикселях экрана монитора, например, при увеличении 2:1 на 4 пикселях монитора, 3:1 на 9 пикселях и т.д. Пропорционально увеличению увеличивается дискретность перемещения измерительной марки, а значит и точность фиксирования координат. Координаты увеличенного изображения определяются по формулам:

.

На рис. 11, б показано, как при увеличении в 4 раза пиксель исходного изображения отображается на 16 пикселях монитора. На исходной матрице закрашенный пиксель имеет нумерацию j = 5, i = 3. На подматрице закрашенный пиксель имеет нумерацию j' = 2, i' = 1. Следовательно, пиксельные координаты центра закрашенного пикселя подматрицы будут

x_j =5+ =5,625, y_i =3+ =3,375,

а метрические координаты при D =10 мкм будут x' =56,25 мкм, y' =33,75 мкм.

Однако за счет увеличения изображения увеличивать точность измерений до бесконечности нельзя. Максимально разумные увеличения 2-3 крата. Дальнейшее увеличение приводит к потере измеряемых объектов (точек), т.к. на экране появляются изображения пикселей, а изображение объекта размывается. Однако оператору необходимо измерять не пиксели, а объект (некий образ), который складывается из множества пикселей.

Достижение подпиксельной точности возможно не только за счет увеличения изображения. В настоящее время существуют алгоритмы, позволяющие выполнять виртуальный пересчет матрицы исходного изображения относительно положения измерительной марки, и таким образом увеличивать точность измерений.

Система координат объекта