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Fotogrametría Digital Tema 4 – Sensores Electroópticos – Cámaras Digitales Parte 1

Prof. Dr. Jorge Delgado García Dpto. Ingeniería Cartográfica, Geodésica y Fotogrametría Universidad de Jaén [email protected]

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Justificación: 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.

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

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Estructura del Tema 4.1 Introducción 4.2 Sensores electroópticos. Conceptos básicos 4.3 Propiedades geométricas y radiométricas de los sensores electroópticos 4.3.1 Lectura del sensor y geometría de la superficie 4.3.2 Color 4.3.3 Señales falsas 4.3.4 Fuentes de ruido 4.3.5 Respuesta espectral 4.3.6 Linealidad 4.3.7 Relación señal/ruido 4.3.8 Rango dinámico 4.3.9 Funciones de transferencia de modulación 4.3.10 No uniformidad radiométrica

4.4 Cámaras CCD 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.5

Aspectos relativos al diseño de cámaras CCD Cámaras de video estándar Cámaras CCD de alta resolución Transmisión y captura de imágenes CCD

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Estructura del Tema 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 4.7 Comparación entre cámaras digitales y cámaras fotográficas convencionales 4.8 Desarrollos futuros y perspectivas

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Bibliografía • Beyer, H.A. (1992). Geometric and Radiometric Analysis of a CCD-Camera Based Photogrammetric CloseRange System. Tesis Doctoral. Institute of Geodesy and Photogrammetry, 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. Photogrammetric Record,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. • Petrie, G. y Smillie, K. (2008). Airborne digital imaging and sensors. En:Chen, L. y Baltsavias, E. (eds) Advances in Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences: 2008 ISPRS Congress Book. CRC Press, 45-62 • 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 Systems ADS40 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.

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Bibliografía Páginas web de los fabricantes de cámaras fotogramétricas digitales aerotransportadas • Leica • Z/I Imaging • Vexcel

http://www.leica-geosystems.com http://www.intregraph.com/photo/default.aspx http://www.vexcel.com

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4.1 Introducción 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 digital La captura por medios no fotográficos es contemporáneo a la fotografía. Invención de los rayos catódicos: 1897 Invención de la cámara de tubo: 1923 Invención de la televisión: 1930 Utilización de cámaras con fines cartográficos: 1955 (Rosenberg) Invención de las cámaras solid-state: En torno a 1970 Fotogrametría Digital – Ingeniería en Geodesia y Cartograf ía

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4.1 Introducción 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) 85.000.000 (actualidad) Tamaño del pixel: 25 m (1977) 5 m (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 fotográficas 2. Obtención directa de imágenes digitales

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4.1 Introducción

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4.1 Introducción Las cámaras fotogramétricas de película tenían 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 m) 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 Electroópticos Fotones

Cinta transportadora

Cinta transportadora

Registro de medida

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) Fotogrametría Digital – Ingeniería en Geodesia y Cartograf ía

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4.2 Sensores Electroópticos

4.2.1 Geometría y Propiedades de los Sensores Electroópticos a) Geometría y planeidad del sensor Aspectos clave que no suelen ser tenidas en cuenta fuera del ámbito fotogramétrico La 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 8x8 m, con precisiones de alineamiento de 0.1 m. 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 19mm). Presenta un valor de planeidad de 10 m dando lugar a ángulos de incidencia de 45º. Los valores actuales son del orden de 0.5mm con máximos de 1mm.

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4.2.1 Geometría y Propiedades de los Sensores Electroópticos b) Color Los 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 sensores El 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 sensor Imagen pancromática mediante la media ponderada.

Patrón de Bayer

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4.2.1 Geometría y Propiedades de los Sensores Electroópticos 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. Smear Es 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. Fotogrametría Digital – Ingeniería en Geodesia y Cartograf ía

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4.2.1 Geometría y Propiedades de los Sensores Electroópticos 4. Traps Defectos 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 en las imágenes uniformes (flat field images). En temperatura ambiental, prácticamente se anual por el efecto de la corriente de oscuridad. 5. Blemishes Son 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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4.2.1 Geometría y Propiedades de los Sensores Electroópticos d) Fuentes de ruido 1. 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 oscuridad Asociado a la generación de imágenes de baja intensidad. 3. Ruido del circuito Asociado 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 (fat zero noise).

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600

0.12

500

0.10 Ruido total

400

0.08 Ruido de fondo

300

0.06 Ruido Fotónico

200

0.04

Ruido (% de señal máxima)

Ruido (electrones)

4.2 Sensores Electroópticos

Ruido de transferencia de carga 100

Ruido de inicialización del amplificador

Ruido de oscuridad actual

0.02

0

0 0

10

1

10

2

3

10 Señal (electrones)

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Tema 4. Sensores Electroópticos. Cámaras Digitales 4.2 Sensores Electroópticos e) Respuesta espectral 0.6

CCD retroiluminado

Eficiencia Relativa

0.5

0.4

CCD con iluminación frontal

0.3

0.2 CCD de iluminación frontal con filtro IR 0.1

0.0

Violeta Verde Amarillo Rojo

300

400

500

600

700

800

900

1000

Longitud de onda (nanometros)

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4.2 Sensores Electroópticos f) Linealidad La respuesta del sensor debe ser lineal a la entrada, respuesta que no se mantiene en los circuitos electrónicos. s=kq +d s: señal de salida k: constante de proporcionalidad q: carga generada d: señal de corriente de oscuridad Los errores suelen ser inferiores al 3% (e incluso al 2% para sensores científicos) g) Relación señal/ruido Cociente entre el nivel de la señal y el ruido de una determinada captura se expresa en dB. SNRdB= 20 log (s / ss) Valores en torno a 50-60 dB para los sensores científicos. h) Rango dinámico Relación 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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4.2 Sensores Electroópticos j) No uniformidad (PRNU) y calibración radiométrica Ic

Ir If

Ic es la intensidad corregida del elemento Id es la intensidad de la imagen oscura

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Id Id

Ir es la intensidad registrada para el elemento If es la intensidad de la imagen uniforme.

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4.4 Cámaras CCD

4.4.1 Aspectos relativos al diseño de cámaras CCD • 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) Filtro IR

Objetivo

Difusor

Pins de conexión

Cobertura protectora de vidrio

Sensor

Componentes electrónicos de la cámara

Alimentación y Señal

Sustrato cerámica

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4.4 Cámaras CCD

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 m. • 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 Cámaras CCD

4.4.2 Cámaras de alta resolución

Ventana sellada Refrigerador termoeléctrico

Modulo de control

Entrad a de comandos

Salida de estado

Salida d e datos digitales (píxe les)

Almacenamiento y visualización de la imagen

Objetivo

Conversor AD de bajo ruido

Sensor

Aletas de refrigeración

Energía y señales del reloj

Obturador mecánico

Energía Temporizador

• 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, …

Interfaz del ordenador

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4.4 Cámaras CCD

4.4.3 Cámaras digitales de imagen fija (Still Video Cameras) • Son las cámaras más empleadas con resoluciones cada día mayores (15MPix) • 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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