Justificación y Objetivos - Universidad de Jaéncoello.ujaen.es/Asignaturas/fotodigital/descargas/FD_tema5a.pdf · • Análisis de la rentabilidad de este tipo de sistemas. Justificación

Tema 5. EscáneresFo

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Prof. Dr. Jorge Delgado García

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Justificación:

• Analizar las características que deben tener los escáneres para su utilización para trabajos fotogramétricos.

• Presentar las características de los sistemas comerciales más empleados.• Analizar el proceso de calibración de un escáner fotogramétrico (errores, tipo de

variabilidad de los mismos a lo largo del tiempo, …).• Análisis de la rentabilidad de este tipo de sistemas.

JustificaciJustificacióón y Objetivosn y Objetivos

Objetivos:

La inclusión de este tema se justifica por el hecho de que en la actualidad (y todo parece apuntar que durante algunos años más), el sistema más empleado para la captación de imágenes digitales fotogramétricas es la digitalización de las imágenes obtenidas mediante una cámara analógica convencional (sobre todo en los trabajos de Fotogrametría Topográfica). Por tanto, los escáneres se presentan como elementos básicos dentro del proceso cartográfico en el entorno digital.


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Tema 5. Escáneres.

Estructura del TemaEstructura del Tema

5.1 Introducción

5.2 Escáneres. Conceptos básicos

5.3 Componentes de los escáneres

5.4 Análisis de las características técnicas de los escáneres5.4.1 Iluminación5.4.2 Rango dinámico y bits de cuantización5.4.3 Reproducción del color5.4.4 Velocidad de digitalización5.4.5 Resolución geométrica óptima5.4.6 Ruido de la imagen5.4.7 Compresión de datos

5.5 Calibración de escáner5.5.1 Errores y parámetros5.5.2 Procedimiento general de calibración

5.6 Escáneres no fotogramétricos (escáneres de sobremesa)5.6.1 Ejemplos de escáneres no fotogramétricos empleados frecuentemente entrabajos fotogramétricos de precisión baja a media5.6.2 Resultados de calibración de escáneres no fotogramétricos

5.7 Análisis de coste y beneficios de los escáneres


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BibliografBibliografííaa

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• Baltsavias, E.P. (1998). Photogrammetric Scanners - Survey, Technological developmentsand requirements. IAPRS, 32, 1, 44-52.

• Baltsavias, E.P. y Bill, R. (1994) Scanners - a survey of curreent technology and futureneeds. IAPRS, 30, 1, 130-143.

• Baltsavias, E.P. y Waegli, B. (1996). Quality Analysis and Calibration of DTP Scanners. IAPRS, 30, I/5, Viena.

• Baltsavias, E.P.; Häring, S.; Kersten, T. y Dam, A. (1998). Geometric and RadiometricEvaluation of the DSW300 roll film scanner. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 53 (4), 217-234.

• Gruber, M.; Leberl, F.W. y Thallinger, G. (1998). Novel high-precision photogrammetricscanning. Proceedings of GIS/LIS’98. Ft. Worth, Texas, USA.

• Kölbl, O. (1994). Scanning and State of the Art in Scanners . En: Mapping and Remote SensingTools for the 21st Century. ASPRS. Washington, Agosto, 26-29. 1994. 7-14.

• Kölbl, O y Bach, U. (1996). Tone Reproduction of Photogrammetric Scanners. PE&RS 62(6), 687-694.


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IntroducciIntroduccióón. Escn. Escááneres. Conceptos Bneres. Conceptos Báásicossicos

Son elementos fundamentales en el proceso fotogramétrico digital.

Sistemas de captura de imágenes digitales

• Sistemas de captura directa de imágenes digitales

• Digitalización de imágenes captadas con cámaras analógicas

Tipos de escáneres

• Escáneres fotogramétricos

• Monocomparadores o restituidores analíticos adaptados

• Escáneres de documentos de gran formato

• Microdensimetros

• Escáneres de sobremesa (desktop scanners -DTP-)

• Otros escáneres específicos, como los escáneres de diapositivas de pequeño formato, los dispositivos multifuncionales (escáner, fax, impresora), escáneres de microfichas, …


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Componentes de los escComponentes de los escááneresneres

1. Fotodetectores:

• Fotomultiplicadores (típicos de los escáneres de tambor)Tiempo de respuesta muy rápidoSensibilidad muy altaElemento aislado

• CCD (charge-couple-detectors):Matrices lineales o rectángulares

Escáner plano Escáner de tambor

El escáner debe incorporar sistemas para garantizar la planeidad de la película (placas de vidrio o bombas de vacío).

Precisión del desplazamiento: Aprox. 2µm. Veloc. máxima: 10-20mm/s


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Escáner DSW500 con sistema de rollo de película

2. Sistema de iluminación

a) Iluminación directa: • Suele emplear un condensador• Bajo coste• Ángulo de apertura óptica reducido e incrementa prof.de campo• Problemas: calentamiento del original (fibra óptica)

poco sensible al desenfoqueproblemas de difracción

b) Iluminación difusa• Placa de vidrio difusora, luz fluorescente o Ulbritchtkugel• Es el sistema más empleado (luz más agradable)


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Luz directa Luz difusa

3. Sensor.

El fotodetector mide un valor proporcional a la iluminación (cantidad de luz que alcanza la célula fotosensible) o la exposición, siendo ésta el producto de la iluminación por el tiempo de exposición.

Mide un valor proporcional a la transparencia o a la reflectancia de la fotografía y se convierte a un valor numérico (8 bits).

Los sensores miden densidad y no transparencia (D=log 1/T), por lo que son muy sensibles en zonas muy claras y poco sensibles en zonas oscuras

El ruido de un fotosensor (R) se expresa usualmente en decibelios y se define por la relación:

=amplitud maxima( ) 20 log

corriente de oscuridadR db

Valor típico: 40db (si D=2, señal=ruido). Alta calidad: 0.1dbLos valores deben ser constantes en todo el rango de ND


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4. Componentes electrónicos• Conversor A/D• Control del sensor• Control de la placa • Memoria• Interfaz de salida


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AnAnáálisis de las caracterlisis de las caracteríísticas tsticas téécnicascnicas

Se debe comprobar tanto la calidad radiométrica como la geométrica.

1. Iluminación:• Debe ser alta ! buena calidad radiométrica y óptima relación SNR

Sistema Agfa Horizon: Lámpara 400W y la superficie del sensor 100mW• Influye en la velocidad de digitalización• Problema de calentamiento del original• Buenas características radiométricas y estabilidad temporal (difusa)

2. Rango dinámico y bits de cuantización:• Rango dinámico de las películas (puede llegar a 16000:1) ! 16 bits• Fotografías aéreas rango menor ! 10 ó 12 bits. Imágenes finales en 8 bits.• Rango dinámico entre 0.0 y 3.5D • Fotogramas aéreos: Nivel de velado 0.1-0.2 D. Imágenes en color: Fuertes densidades

3. Reproducción de color:• Sistemas de capturas de color

• Instalación de filtros primarios o complementarios intercalados Problemas: Resolución y balance color azul

• Utilización de CCD de 3 chipsProblema: Es el método más caro (es el más eficiente)

• Empleo de lámparas fluorescentes y filtros dicroicosMétodo muy empleado (problemas de smearing)

• Utilización de filtros externos al sensorProblema: Desplazamientos relativos

•El sistema determina el número de pasadas del escáner.


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4. Velocidad de digitalización:Es un argumento comercial primordial que no suele reflejar la realidad.Importante: Considerar el tiempo total.

5. Resolución geométrica óptima:La indicada por los vendedores suele coincidir con la resolución del escáner que venden. Es función del tamaño de pixel. Se distinguen cuatro tamaños diferentes:

• Píxel del sensor: Tamaño de un elemento de la matriz CCD (entre 10 y 15 µm).• Píxel del escáner: Indica el tamaño de píxel del sensor proyectado sobre la fotografía que se está digitalizando.• Píxel refinado: Resultado final después del postprocesamiento de la imagen escaneada, si no existe postproceso es similar al tamaño de pixel del escáner.• Píxel de la fotografía: Se refiere a la equivalencia de la resolución de la película. Este concepto carece de sentido físico real debido a que el píxel no existe en la fotografía.

Debe estar directamente relacionado con la precisión del trabajo a realizar.Resolución imagen: 60lp/mm → Resol. 6µm → 1.5Gb/canal.

Fotointerpretación. Cámaras con resolución aprox. 30lp/mm (hasta los 60 lp/mm con IMC).Orientación interna: Precisión de 0.1píxeles (Resol: 21µm sería suficiente).Precisión de posado puntual. Precisión estática: ±2µm Precisión dinámica: ±10 a 15 µm

Errores de posado: 0.18 * tamaño de pixel (Trinder, 1994)Aerotriangulación: Errores: 5µm (imagen 15µm) y 6.5µm (imagen 30µm).Generación de MDT: Tamaños empleados: 10 y 30µm (precisión 0.1‰ H’)


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Ortofotografías: Precisión teórica: ±0.2mm a la escala de la presentaciónPrecisión real: ±0.5mm, e incluso, ±1mm (elementos no rectificables)Será función de la relación entre escalas (x5, 20 a 40µm)No es aconsejable representar más de 8 pixeles/mm

Importante: Que el escáner pueda escanear imágenes a diferente resoluciónQue pueda digitalizar a diferentes resoluciones dentro de una imagen

Diferentes resoluciones:• zoom óptico: reenfoque al cambiar de resolución, lo que implica la necesidad de componentes muy estables y autocalibración• zoom electrónico• modificación del tamaño de pixel• microdigitalización (Signum HIRES)• utilización de dos sensores de diferente resolución (DSW100)• zoom mediante software

6. Ruido de la imagen:Ruido de la película: Granularidad (±0.03-0.05D, tamaño de pixel 10µm)

(0.02 - 0.03D, alta resolución)

7. Compresión de datos


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1000(3.3(n)

µm < p < 25( granularidad20

µm

8. Función de transferencia de modulaciónFunción objetiva que determina la calidad de la imagen.Expresa la reducción de contraste para diferentes frecuencias.Se puede obtener mediante la correlación entre los pixeles próximos (función de expansión del punto - FFT - FTM).Valores de resolución aconsejados: 10x10µm (B/N) y 15 ó 20 µm (color)Relación con la resolución de la cámara y granularidad:

n= resolución cámara (lp/mm)p= resolución digitalización (µm)

Resol. cámara (µm)2 2

# tamaño del pixel # Resol. cámara (µm)2

9. Ruido de las imágenes digitalesFactor fundamental para la determinación de la calidad del escánerSelección de zonas homogéneas en la imagen (20x20 pixeles) y calculo de FDepende del tamaño del pixel por lo cual es necesario considerar el tamaño del pixelutilizado o en una caso utilizar la función de expansión del punto.Ruido en 20x20µm es la mitad que el ruido en una imagen de 10x10µm

10. Rango de densidad dinámica de los escáneres fotográmétricosDifícil de determinar depende de la sensibilidad del sensorSe obtiene mediante la digitalización de una cuña de grises calibrada

11. Distorsiones de la imagenEfectos de borde o problemas de ajuste entre los elementos de captación.

Son complicados de corregir, dan lugar a bandas en la imagen final.


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CalibraciCalibracióón de escn de escááneresneres

Calibración: Determinación de los errores sistemáticos de un instrumento mediante la comparación de las medidas hechas con dicho instrumento con las realizadas con un sistema que es considerado como más preciso (Glossary of Mapping Sciences, ASPRS/ASCE, 1994).

Objetivo: Obtención de la corrección de la calibración que es un conjunto de valores que añadidos o restados a la lectura o medida del instrumento nos proporcionan un valor más próximo a la realidad.

Es un proceso dependiente del instrumento.

1993: OEEPE “Analysis of Photo-Scanners”ISPRS I/5 “Hardcopy Scanning and Preprocessing System”

Errores y parámetrosTipos de errores: - Geométrico

- RadiométricoTiempo de variación: - Corto periodo

- Largo periodo

A. Errores de periodo largo de variación

1. Errores debidos al objetivo o a otros elementos ópticosErrores geométricos: distorsión radial simétrica y la distorsión tangencial.Errores radiométricos: bandeado (vignetting), sombras (shading) y ecos.


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A. Errores de periodo largo de variación

1. Errores debidos al objetivo o a otros elementos ópticosErrores geométricos: distorsión radial simétrica y la distorsión tangencial.Errores radiométricos: bandeado (vignetting), sombras (shading) y ecos.

Líneas verticales y bandeado horizontal (Baltsavias, 1996)

2. CCD con problemas de blemishesAfecta sólo a los sensores CCD matriciales de gran tamaño.Diferencias en los ND (más de 16) en píxeles, líneas/colum, zonasProblemas de fabricación del sensor.

3. Problemas de alineamiento y solape Afecta a los CCD lineales múltiples (problemas de no colinealidad)

Problema de alineamiento entre dos sensores lineales (Baltsavias, 1996)


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4. Errores de submuestreo

Afecta a los sensores lineales

Se producen digitalizar a una resolución inferior a la de la imagen original por lo que es necesario realizar un remuestreo en la dirección horizontal, mientras que en la dirección vertical los píxeles tienen un tamaño mayor (cambio de escala).

5. Smearing

Afecta a los sensores lineales.

Consiste en que las líneas horizontales aparecen más gruesas y con un contraste menor que las verticales.

Smearing de líneas horizontales.

A: Dirección de barrido

B: Dirección del sensor CCD

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