Justificación y Objetivos - coello.ujaen.escoello.ujaen.es/Asignaturas/fotodigital/descargas/FD_tema4a.pdf · Tema 4. Sensores Electroópticos. Cámaras Digitales Fotogrametría

Tema 4. Sensores Electroópticos. Cámaras DigitalesFo

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Prof. Dr. Jorge Delgado García

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Justificación:

• Enseñar al alumno las bases del proceso de formación de imágenes mediante métodos no fotográficos, en especial, mediante el empleo de sensoreselectroópticos.

• Analizar los tipos y características más importantes de los sensores electroópticos.• Realizar una revisión de los aspectos fundamentales referidos al diseño de las

cámaras digitales mediante la comparación con las cámaras analógicas.• Plantear y resolver los problemas referidos a la captura directa de imágenes áreas

en formato digital.• Analizar los aspectos relativos a los errores de las imágenes digitales y establecer

los procedimientos de calibración necesarios para caracterizar los errores, tanto de tipo geométrico como radiométrico, que poseen las imágenes.

JustificaciJustificacióón y Objetivosn y Objetivos

Objetivos:

Con este tema comienzan las Unidades Didácticas dedicadas propiamente al proceso fotogramétrico digital. En la Unidad Didáctica III se analizan los aspectos dedicados a la Sistemas de Captura de Imágenes Digitales para ser empleadas en Fotogrametría. En este tema se tras un breve repaso a los sensores electroópticos se analizan los aspectos relativos al diseño de las cámaras, su calidad geométrica y radiométrica. Dentro del tema se analizarán las cámaras digitales aerotransportadas de última generación.


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Tema 4. Sensores Electroópticos. Cámaras Digitales.

Estructura del TemaEstructura del Tema

4.1 Introducción

4.2 Sensores electroópticos. Conceptos básicos

4.3 Propiedades geométricas y radiométricas de los sensores electroópticos4.3.1 Lectura del sensor y geometría de la superficie4.3.2 Color4.3.3 Señales falsas4.3.4 Fuentes de ruido4.3.5 Respuesta espectral4.3.6 Linealidad4.3.7 Relación señal/ruido4.3.8 Rango dinámico4.3.9 Funciones de transferencia de modulación4.3.10 No uniformidad radiométrica

4.4 Cámaras CCD4.4.1 Aspectos relativos al diseño de cámaras CCD4.4.2 Cámaras de video estándar4.4.3 Cámaras CCD de alta resolución4.4.5 Transmisión y captura de imágenes CCD


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4.5 Sensores digitales empleados en Fotogrametría

4.5.1 Sensores aerotransportados

4.5.2 Sistemas instalados en satélites

4.6 Calibración de cámaras y sensores digitales

4.6.1 Método general de calibración de cámaras digitales

4.6.2 Calibración del sensor aerotransportado LH Systems ADS40

4.6.3 Calibración de cámaras digitales para su empleo en Fotogrametría NoTopográfica

4.7 Comparación entre cámaras digitales y cámaras fotográficas convencionales

4.8 Desarrollos futuros y perspectivas


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BibliografBibliografííaa

• Beyer, H.A. (1992). Geometric and Radiometric Analysis of a CCD-Camera BasedPhotogrammetric Close-Range System. Tesis Doctoral. Institute of Geodesy andPhotogrammetry, ETH Zurich, Mitteilungen, 51, 186 p.

• Beyer,H.A. (1995). Digital photogrammetry in industrial applications. IAPRS, 30(5W1), 373-375.

• Chen, Y. y Schenk, A.F. (1992). A rigorous calibration method for digital cameras. IAPRS, 29(B-1),199-205.

• Eckardt, A.; Braunecker, B. y Sandau, R. (2000). Performance of the imaging system in the LH Systems ADS40 Airborne Digital Sensor. IAPRS, 33, B1, 104-109.

• Fraser, C.S. y Shortis, M.R. (1995). Metric exploitation of still video imagery. PhotogrammetricRecord,15(85), 107-122.

• Hinz, A.; Dörstel, C. y Heier, H. (2000). Digital Modular Camera: System Concept and Data Processing Workflow. IAPRS, 33, B2, 164-171.

• Sandau, R.; Braunecker, B.; Driescher, H.; Eckardt, A.; Hilbert, S.; Hutton, J.; Kirchhofer, W.; Lithopoulos, E.; Reulke, R. y Wicki, S. (2000). Design principles of the LH SystemsADS40 Airborne Digital Sensor. IAPRS, 33, B1, 258-265.

• Schuster, R. y Braunecker, B. (2000). Calibration of the LH Systems ADS40 Airborne Digital Sensor. IAPRS, 33, B1.

• Tempelmann, U.; Börner, A.; Chaplin, B.; Hinsken, L.; Mykhalevych, B.; Miller, S.; Recke, U.; Reulke,R.; Uebbing, R. (2000). Photogrammetric software for the LH Systems ADS40 AirborneDigital Sensor.IAPRS, 33, B2, 552-559.


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BibliografBibliografííaa

Páginas web de los fabricantes de cámaras fotogramétricas digitales aerotransportadas

• Leica http://www.gis.leica-geosystems.com

• Z/I Imaging http://www.ziimaging.com

• Vexcel http://www.vexcel.com


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4.1 Introducción





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4.1 Introducci4.1 Introduccióónn

La captura de imágenes es un proceso fundamental en Fotogrametría.

El proceso fotogramétrico consta fundamentalmente de tres etapas:• Captura de las imágenes• Medida sobre las imágenes (interpretación)• Transformación de medidas y obtención de coordenadas terreno

Sistema tradicional:• Sistema de formación de la imagen mediante sistema óptico y plano focal• Sistema de captura mediante cristales de haluro de plata• Zonas del espectro electromagnético (visible o infrarrojo)• Se requiere proceso fotográfico y la imagen no puede ser modificada una vez obtenida

Sistema digitalLa captura por medios no fotográficos es contemporáneo a la fotografía. Invención de los rayos catódicos: 1897Invención de la cámara de tubo: 1923Invención de la televisión: 1930Utilización de cámaras con fines cartográficos: 1955 (Rosenberg)Invención de las cámaras solid-state: En torno a 1970


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Cámaras de tubo:

Muy delicadas y sensibles a las condiciones de presión y/o temperatura.

No pueden ser empleadas en condiciones de vuelo.

Hasta la década de los 70 tenían mejor calidad de imagen que las de sensor.

Cámaras de sensor:Su uso no se ha generalizado hasta la década de los 80.Han registrado un auge extraordinario.Nº de píxel: 96 (1977) 50.000.000 (actualidad)Tamaño del pixel: 25 µm (1977) 5 µm (actualidad)Presentan la ventaja fundamental del almacenamiento directo en formato digital.

Procedimientos actuales para la obtención de imágenes digitales en Fotogrametría:1. Digitalización de imágenes fotográficas2. Obtención directa de imágenes digitales (Fotogrametría No Topográfica)


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Laboratorio

IR

Col

B/N

Escáner

RestituidorAnalógicoAnalitícoTipos de película

CámaraAérea

DPW

SIG

MDE

Ortofotos

Mosaicos

Restitución

ActualizaciónCartográfica

CámaraDigital

B/N

IR

Color

DPW

SistemaArchivos

Preprocesado

Flujo de Trabajo basado en toma de imágenes analógicas

Flujo de Trabajo basado en toma de imágenes digitales

Impresora Col

MS

B/N

Visualización

Análisis Digitalde Imágenes

Clasificacióncaptura

simultánea devarios canales

espectrales


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Las cámaras fotogramétricas actuales tienen las siguientes ventajas:Son bien conocidas y existe un número elevado en funcionamiento.Resolución práctica en fotografía aérea en torno a 40 lp/mm (8 a 12.5 µm)Gran formato (23x23cm). Considerando la resolución anterior equivale a 500Mb (8 bits) y 1500Mb (24 bits)Dicho volumen debe ser capturado en un tiempo en torno a 5 s.


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4.2 Sensores 4.2 Sensores ElectroElectroóópticospticos

Fotones

Registro de medida

Cinta transportadora

Cinta transportadora

Janesick y Blouke, 1987

La acción de la luz libera electrones del silicio.Son sensibles para longitudes de onda de 400 a 1100 nm, fuera del intervalo es ópaco al UV y transparente al IR.Los elementos se denominan sels y están separados por canales de parada (channel stops)


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4.2.1 Geometría y Propiedades de los Sensores Electroópticosa) Geometría y planeidad del sensor

Aspectos clave que no suelen ser tenidas en cuenta fuera del ámbito fotogramétricoLa precisión geométrica es muy elevada y se deriva del proceso fotolitográfico empleado en la construcción del sensor con precisiones del orden de 1/60 a 1/100 para sensores de 8x8mm, con precisiones de alineamiento de 0.1µm.La planeidad es un factor que no se ha considerado como consecuencia de la escasa resolución de los sensores.Ej. Cámara Thompson CSF con una distancia focal de 14mm y un sensor con diagonal de 27.5mm y resolución de 1024x1024 (tamaño de pixel de 19µm). Presenta un valor de planeidad de 10µm dando lugar a ángulos de incidencia de 45º.Los valores actuales son del orden de 0.5µm con máximos de 1µm.


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4.2.1 Geometría y Propiedades de los Sensores Electroópticos

b) ColorLos sensores solid-state son acromáticos registrando una amalgamación en el visible.Métodos para la obtención de imágenes en color:

1. Captura de tres imágenes incorporando filtros. No es posible en movimiento.Problemas de desplazamiento entre canales.

2. Incorporación de los filtros en los sensoresEl ojo es más sensible a la intensidad (mayor % de rojo y verde que de azul)Sólo es requiere una matriz CCD y una sola pasada (captura en movimiento)Se reduce la resolución del sensorImagen pancromática mediante la media ponderada.

Patrón de Bayer


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c) Señales falsas (spurious signals)Efectos sistemáticos producidos por defectos de los sensores o por problemas de la tecnología de los CCD.Degradan la calidad de la imagen y se detectan mediante la calibración radiométrica del sensor.

1. Corriente de oscuridad (Dark current): Los sensores se llenan con carga aunque no reciban luz alcanzando la capacidad total en el tiempo de almacenamiento. Esta carga no puede ser diferenciada de la producida por la luz.Para reducir la corriente de oscuridad se debe reducir la temperatura de trabajo (una reducción de 5-10ºC reduce el ruido a la mitad) y reducir el tiempo de exposición.

2. Desbordamiento (Blooming)Es la sobrecarga de los elementos del sensor que cuya carga afectan unos a otros. Se asocia a los fuentes de iluminación de gran intensidad (targets)Se soluciona mediante los canales anti-blooming (actualmente se admite 10000 veces)

3. SmearEs un fenómeno que produce una fuente de luz intenta en la dirección de las columnas.Relación entre el cambio en el brillo de la imagen sobre o bajo un área brillante que cubra un 10% del tamaño del sensor en la dirección de las columnas.


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4. TrapsDefectos que producen un defecto local de transferencia de carga.Para solucionar este problema se puede mantener siempre un cierto nivel de carga (fat zero) aunque tiene el problema de la reducción del rango dinámico.Se ponen de manifiesto como líneas oscuras de corta longitud que tienden a alargarse enlas imágenes uniformes (flat field images). En temperatura ambiental, prácticamente se anual por el efecto de la corriente de oscuridad.

5. BlemishesSon defectos del material que compone el sensor (problemas cristalográficos o de fabricación)Son de tipo puntual, lineal o areal y constituyen un criterio para la clasificación de la calidad del sensor.


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d) Fuentes de ruido1. Ruido fotónico

Se produce durante la integración de la carga y su transferencia.Es igual a la raíz cuadrada de la señal.

2. Ruido de corriente de oscuridadAsociado a la generación de imágenes de baja intensidad.

3. Ruido del circuitoAsociado a cualquier circuito electrónico (fundamentalmente al proceso de amplificación de la señal)Está relacionado con la velocidad de lectura siendo casi nulo en cámaras de lectura lenta.

4. Ruido de inicialización (reset noise)Es el ruido asociado con la inicialización de la carga tras la lectura.

5. Otros ruidos: ruido de transferencia de carga (charge transfer noise), ruido de cero gordo (fatzero noise).


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500

600 0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0

Ruido total

Ruido de fondo

Ruido Fotónico

Ruido de transferencia de cargaRuido de inicialización del amplificadorRuido de oscuridad actual

Señal (electrones)

Rui

do (%

de

seña

l máx

ima)

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300 400 500 600 700 800 900 1000Longitud de onda (nanometros)

Violeta Verde Amarillo Rojo

CCD retroiluminado

CCD con iluminación frontal

CCD de iluminación frontal con filtro IR

0.0

0.2

0.4

0.6

0.1

0.3

0.5E

ficie

ncia

Rel

ativ

a

e) Respuesta espectral


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f) Linealidad

La respuesta del sensor debe ser lineal a la entrada, respuesta que no se mantiene en los circuitos electrónicos.

s = k qγ + d s: señal de salidak: constante de proporcionalidadq: carga generadad: señal de corriente de oscuridad

Los errores suelen ser inferiores al 3% (e incluso al 2% para sensores científicos)

g) Relación señal/ruidoCociente entre el nivel de la señal y el ruido de una determinada captura se expresa en dB.

SNRdB= 20 log (s / σs)Valores en torno a 50-60 dB para los sensores científicos.

h) Rango dinámicoRelación entre un pico de la señal y el nivel de ruido más bajo de ruido del sistema o como

la relación en intensidad de luz, entre los puntos más altos y bajos cuando SNR=1.Los valores de rango dinámico oscilan entre 104 y 105 (60-100 dB).

i) Función de transferencia de modulación


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j) No uniformidad (PRNU) y calibración radiométrica

dIfIdIrI

cI −−

=

Ic es la intensidad corregida del elemento Ir es la intensidad registrada para el elementoId es la intensidad de la imagen oscura If es la intensidad de la imagen uniforme.


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4.4 C4.4 Cáámaras CCDmaras CCD

4.4.1 Aspectos relativos al diseño de cámaras CCD

Objetivo

Filtro IR

Difusor

Cob

ertu

ra p

rote

ctor

a de

vid

rio

Sustratocerámica

Pin

s de

con

exió

n

Sensor

Componenteselectrónicos de la cámara

Alimentacióny

Señal

• Grandes diferencias de diseño con respecto a las cámaras convencionales• Menor tamaño del área sensible e incorpora un compartimento para instrumentos y controles electrónicos• Peor calidad general (mayor importancia a la calidad radiométrica que a la geométrica)


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4.4.2 Cámaras de video estándar

• Sistema muy económico de almacenamiento de imágenes• Son cámaras tipo solid-state que utilizan un sensor CCD para la captura de las imágenes y se almacenan como señal de video estándar• Formato 4:3 (sensores de 2/3”, 1/2” o 1/3”)• Baja resolución (700x500 píxeles) con tamaño de pixeles mínimos de 5 µm.• No se pueden utilizar tamaños menores debido a la pérdida de rango dinámico.• Cámaras HDTV: Sensores de 1” (1920x1024 píxeles) formato 16:9


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4.4.2 Cámaras de alta resolución• Formato cuadrado con resolución hasta 5Kx5K. Matrices de sensores• Frecuencia de barrido muy baja para eliminar ruidos (tiempo captura de varios minutos)• Suelen incorporar un sistema de refrigeración (-60 a -120ºC)• Aplicaciones: Astronomía, Metrología industrial, Inspección R-X, …

Objetivo

Obturador mecánico

Ventana sellada

Sen

sor

Refrigerador termoeléctricoA

leta

s de

refri

gera

ción

Ene

rgía

Tem

poriz

ador

Energía y señalesdel reloj

Entrada decomandos

Mod

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de la

imag

en

Interfaz del ordenador

Salida de datos digitales (píxe les)

Salida deestado

Con

vers

or A

Dde

baj

o ru

ido

4.4.3 Cámaras digitales de imagen fija (Still Video Cameras)

• Son las cámaras más empleadas con resoluciones cada día mayores (6MPix)• Aspectos fundamentales: calidad de la óptica y tamaño del sensor• Escasa calidad geométrica en comparación con la calidad radiométrica• Sistemas móviles con almacenamiento independiente


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4.4.3 Cámaras digitales de imagen fija (Still Video Cameras)

• Son las cámaras más empleadas con resoluciones cada día mayores (6MPix)• Aspectos fundamentales: calidad de la óptica y tamaño del sensor• Escasa calidad geométrica en comparación con la calidad radiométrica• Sistemas móviles con almacenamiento independiente

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