Optické a fotografické základy fotogrammetrie Teorie optického zobrazení Fotografický snímek = základní zdroj vstupních informací ve fotogrammetrii Mapa, plán = výstupní produkt fotogrammetrie Proces zpracování = soubor metod, jak dostat z fotografického snímku mapu, plán, případně další produkty = DMT, DMP apod. Zjednodušené schéma zpracování Příklad - terén => snímek =^> mapa Pravoúhlé promítání Centrální promítání Snímek je pořízen středovým (centrálním) promítáním, důležitými doplňkovými daty pro jeho převod na mapu, která je výsledkem pravoúhlého promítání, jsou geodetické souřadnice, prvky vnější a vnitřní orientace. Proces zpracování využívá měření prvků na snímcích (měření snímkových souřadnic), matematické výpočty, transformace. v y s t u p n I d a t a Geometrická data Analogová forma Digitální forma Presentace dat Dimenze dat 2D Forma dat Rastrová data Vektorová data 2,5D 3D Prostorová modely Analogová forma: • převážně 2D, grafické výstupy, tisky Digitální forma: • Rastrová data (2D) - fotoplán, fotomapa, digitální ortofoto • Vektorová data - souřadnice bodů (DMT), 2D výkresy (polohopis, vodní toky, zeleň...), 3D modely (objektů, měst, terénu...) > Fotografický obraz o Vzniká jako zobrazení optickým členem fotografické komory > Fotografická komora o Fotoaparát, fotografická kamera ^videokamera (viz pozdější přednášky) > Optický člen = objektív o Objektiv reálný x ideálni o I - idealizovaná tenká čočka o R - množství jednotlivých čoček (spojky, rozptylky), vady zobrazení Ideálni zobrazení Dírková komora (camera obscura) - ideální případ centrální projekce (viz historie). Využití se moc nerozšířilo díky malé světelnosti; neobsahuje objektiv, při dostatečné malém otvoru = přesná centrální projekce - předmětové a obrazové úhly jsou si rovny. Idealizovaná fyz. abstrakce „tenká" čočka splňuje stejné předpoklady. Ideální objektiv => ideální zobrazení P obrazová předmětový prostor obrazový prostor Základní pojmy: O - střed promítání H' - hlavní snímkový bod a, a'- předmětový, obrazový úhel f - ohnisková vzdálenost (konstanta komory) ideální případ a=cť r'(radiální vzdálenost)^ f.tg a měřítko zobrazení l:ms=r'/r Zobrazení a zkreslení objektivem Skutečný objektiv se skládá z řady optických členů s nezanedbatelnou tloušťkou. Optická osa prochází středem objektivu a leží na ní středy křivostí jednotlivých čoček. clona Osa záběru - paprsek procházející středem vstupní pupily, který je kolmý na obrazovou rovinu Clona - redukuje množství paprsků vytvářejících obraz O - vstupní pupila - obraz clony v předmětovém prostoru O'- výstupní pupila - obraz clony v prostorovém obrazu f- konstanta komory (vzdálenost O' H') zobrazení objektivem - a*a' vztah: r'= f.tg a + Ar' kde Ar' je vliv distorze objektivu (zkreslení) Souhrn vlivů působících na geometrii zobrazení objektivem Kvalita měřického objektivu ovlivňuje přesnost určení snímkových souřadnic, jeho použitím dochází k porušení ideálního středového promítání. Odchylky skutečného promítání od ideálního se nazývají aberace (optické vady) Typy optických vad: • Jednobarevné (monochromatické) • Barevné • Vady vznikající při zobrazování bodu (sférická vada, astigmatismus, koma) • Vady při zobrazování předmětu (zklenutí pole a zkreslení obrazu) 1. Sférická vada - je vyvolána tím, že paprsky, které prochází v různé vzdálenosti od optické osy, se různě lámou. Neprotínají se v jednom bodě, ale vytvářejí kolem optické osy tzv. kaustickou plochu - bod se nezobrazí jako bod, ale jako malý rozptylový kroužek. Velikost vady je dána úsečkou FK F - nazývá se sférická aberace. Lze jí kompenzovat kombinací spojky a rozptylky, nelze jí však zcela odstranit. Sférická vada 2. Chromatická aberace (též chromatická vada nebo barevná vada) je barevná vada objektívu, způsobená závislostí ohniskové vzdálenosti čoček na vlnové délce světla. Fyzikální podstatou tohoto jevu je závislosti indexu lomu u všech průhledných látek na vlnové délce. Čočky pak lámou světlo každé barvy jinak (záření dlouhovlnné, tedy červené, nejméně, krátkovlnné, tedy fialové, nejvíce), což se na snímku projeví jako barevné lemování ostrých přechodů mezi světlem a stínem. Chromatická aberace 3. Astigmatická vada (astigmatismus) - bod se nepromítá do bodu, ale do dvou na sebe kolmých a od sebe vzdálených čar Astigmatická vada 4. Koma je vada čočky, kdy na čočku dopadá široký svazek paprsků, který není rovnoběžný s optickou osou. Pokud je dopadající svazek paprsků dostatečně široký, nebude se bod zobrazovat jako úsečka, ale bude v různě vzdálených rovinách od optické soustavy vytvářet složité obrazce, které tvarem připomínají komety. Astigmatismus pro široké paprsky bývá nazýván koma. 5. Zkreslení - Ke zkreslení dochází tehdy, je-li zvětšení vnějších částí předmětu odlišné od zvětšení vnitřních částí. Zkreslení lze dobře vidět pomocí tzv. rastru(a). Pokud jsou vnější části předmětu zvětšeny více, mluvíme o poduškovitém zkreslení (b), jsou-li naopak zvětšeny méně než vnitřní části, pak se jedná o zkreslení soudkovité (c). Soustava, u níž nedochází ke zkreslení, se nazývá ortoskopická. 6. Zklenutí pole - body ležící v rovině rovnoběžné s rovinou filmu nevytvoří ostrý obraz na rovinu filmu, ale na zakřivenou plochu, a to vypuklou nebo vydutou. Znamená to, že můžeme zaostřit buď na kraj nebo na střed pole. Vada značně vynikne u snímků plochých předmětů nablízko (malá hloubka ostrosti), při snímcích vzdálených objektů se téměř neprojevuje. Často se s ní setkáme u světelných projekčních objektivů. Lze jí odstranit vhodnou vzájemnou polohou členů objektivu a roviny clony. Koma Zklenutí pole Distorze objektivu Předchozí vady mají vliv víceméně pouze na kvalitu zobrazení a pouze druhotně ovlivňují přesnost. Vady, které působí na geometrii obrazu se nazývají distorze objektivu. Distorze je souhrn geometrických nepřesností vzniklých při výrobě objektivu. Údaje dodává výrobce, či je lze zjistit kalibrací (měřením na přesně určené bodové pole). • Radiální distorze - posun bodu o radiální vzdálenost, průběh je přibližně rotačně symetrický, dosahuje hodnot 5-10um xx, yy, Dxs, Dsy EDO 1000 I500, I I I I W*N\\\\ \ \ i i * * > ^ - - - ■ ■ ' **i*V\\ v:íí\í'i m i j.*vii^ *íi Ji i r ŕ ľ ' * ' 1 **■■>_■? i f í f ' * * * * r ^ r . 1 i ■^^VV ^"vs....._ - ^ * ^ * * n i | 1 r r ŕ ' f t s SSSS Nfc-* >. \ N » 4 - - ^ "V \\ £ ^ 1 1 ľ ľ / ŕ t f í f / t ľ t , , , ' * f s *>ss** ŕ P / ř t t f t / J * s . r . ' ' ' * S ť *r *s ■ \ t / T t f r f / s ^ , ^ _ *■-**•* s ^ f ^~ - - - x - , - - r ^--* -K ;v V-V" V.'*ť t \ \ i t t \ - - * * / s s s <■ • - - - --—1 r J i / >' s / ŕ s „* j' ^, ^ ^ — — - - - ■ - - ■--^_*^*i-^-^V,^«^'kK, 1, t i t f '//S'^^-.. __ '---— ' ' ■ - — — 1 r ^ ^ F" — ------ ^ » ^. , , n--■ ■ ■----,---j----H----- -_ i , * ŕ* ■ > " J ^ ^ ^ ^ ^ "~ " ' ' h------—----- - -r - * - - , - -r-^^^^^_____ - - ^ . \ \ l ^ ^ ' ^ *" " ■" "~--- " --- J ^ - ^------- ---- . . _ ľ : \ ' ' '--------' ' - L * -» _ _ ^ _ ^, ____ ^ ^ " ' ' ' ^ ~~ ' ^ ■-----___„____. _ ______ i__| > ^ ^ ^ ^Tr^-^n------» _ ^ - . . * ^ V . . \ \ , _ . . . ^ ^ ,, .' > , , . vr f { j j j j j L l 's ^. . , * h > ^ ^ /■■■■r ■* , s,* /;i f L k V \ V \ ^^^^^-t--- ^ , . , h -, - -s , 1 * t \ v -» N. ^ — - . - . . s \ ^. f S ř > , . , *V y * >■ * rv/ŕ / / f, t i ^ S > \ S x ^ - - - - * - 1 \ v Xt1*^ i \ l t V-'i ^" i ť-^A V V V v ////11 * i * ÍVíj H ( i i //// > > > * ,......' ' ' ŕ ^ í í i 1 l L \ * - - ŕjjj?/? ŕ r , , " ' * ' ' ' ' ' ' < ! 4 í L L T i \ www //////> r i i i i 1 * » ^ ^ i - - - * ' i f ■■ \^\\\\\ 1 i i i s\\\\\\\ 1 1 >l_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_ 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Průběh radiální distorze • Tangenciální distorze - vyvoláno nepřesnou centrací jednotlivých čoček, u kvalitních moderních objektivů vliv zanedbatelný Fotografické materiály Dělení filmů podle formy: • Negativ • Pozitiv • Diapozitiv Dělení podle počtu citlivých vrstev: • Jednovrstevné (černobílé) • Vícevrstevné (barevné) Fotografické materiály jednovrstevné Složení černobílého filmu Složení černobílého filmu : 1. ochranná vrstva - chráni citlivou vrstvu před mechanickým či chemickým poškozením 2. citlivá vrstva obsahující krystalky sloučenin stříbra (AgBr, Agl, AgCI) v želatině, velikost řádově jednotky mikrometrů (5) 3. mezivrstva - spojuje citlivou vrstvu a filmovou podložku 4. filmová podložka (báze) - odolná vůči rozměrovým změnám způsobeným změnami teploty či vlhkosti. Dříve se využívalo skleněných desek. 5. antihalační vrstva - absorbuje část světla, které prochází citlivou vrstvou i filmovou podložkou a zabraňuje tak jeho zpětnému odrazu, který by zaznamenala citlivá vrstva a jehož výsledkem by byl efekt „halo" kolem světlých objektů na fotografii. Princip vzniku fotografie je obecně známý. Obraz vzniká na vrstvě filmu citlivé na světlo fotochemickou reakcí (tzv. latentní obraz). Sloučeniny stříbra v želatině jsou tvořeny krystalky, které mají malé, nepravidelné, ostré tvary, aby zachycovaly fotony. Podle množství od objektu odraženého světla citlivá vrstva negativu různým stupněm zčerná. Čím více světla dopadá na danou část filmu, tím více krystalků je vystaveno této reakci, při které je bromid stříbrný rozštěpen na stříbro a brom. Světlé a tmavé plochy pak skládají výsledný obraz. Vyvolání - koupání exponovaného filmu v alkalických chemikáliích - krystaly bromidu stříbrného, které byly fotochemickou reakcí změněny pouze částečně, jsou nyní rozštěpeny zcela. Největší hustotu sloučenin stříbra mají části vystavené velkému množství světla (na negativu se jeví jako tmavé) a naopak. V případě barevného filmu jsou objekty na negativu vyjádřeny ve svých doplňkových barvách (viz. dále). Krystalky AgBr, které nebyly změněny působením světla při expozici filmu, jsou následně vyplaveny z citlivé vrstvy filmu - ten je tzv. ustálen (znecitlivěn ke světlu). SILVER HALíOE CRYSTALS SUSPENDED IN G6LATJN COATING DEVELOPER BRICHT OIW BRIGHT CRYSTALS EXPOSED TO LIGHT HAVE BEEN ALTERED <3> $J£7ÄŠZZ~Jj LATENT ) ^?ť>?t| IMAGE DARK CLEAR DARK IMAGE (NEGATIVE) Princip vzniku fotografie Černobílé ortofoto (zdroj CUZK) Spektrálni citlivost běžných fotografických materiálů Citlivá vrstva může být citlivá k různě širokému intervalu vlnových délek. Nejpoužívanější jsou citlivé vrstvy: 1. ortochromatická - nesnímá oranžovou a červenou část spektra (použití v pozemní fotogrammetrii) 2. panchromatická - citlivá k celému viditelnému spektru kromě modré (použití v pozemní fotogrammetrii) 3. infrachromatická - citlivá k intervalu vlnových délek 0,6-0,9 mikrometrů (použití při tématickém mapování) i ' ^ / { 1 ! / ť J . + ■v-,r+~- 1 ■ V- / í f i i f J /$ ■>>::*->ŕ. l y u ■>'š':V >:'x-.:t Lr!*j*: