Оглавление
- Глава 1. Аэрофотоаппарат
- 1.1 Классификация аэрофотоаппаратов
- 1.2 Характеристика основных типов топографических аэрофотоаппаратов
- 1.3 Характеристика основных типов аэрофотоаппаратов нетопографического назначения
- 1.4 Щелевые аэрофотоаппараты (АЩАФА)
- 1.5 Панорамные аэрофотоаппараты (ПАФА)
- Глава 2. Получение изображения аэрофотоаппаратом
- 2.1 Аналоговый метод
- 2.2 Фиксация изображения цифровым аэрофотоаппаратом
- 2.3 Особенности современных цифровых АФА
- Глава 3. Строение фотоматериалов
- Список использованных источников.
Глава 1. Аэрофотоаппарат
Аэрофотоаппарат — специализированный оптико-механический прибор для аэрофотосъёмки, установленный на атмосферном летательном аппарате. Предназначен для ведения фоторазведки, контроля боевых действий, картографирования местности, фотобомбометания и других видов фотодокументирования. Устанавливается преимущественно на борту самолётов-разведчиков, бомбардировщиков и специализированных ЛА, в том числе беспилотных.
Аэрофотоаппарат — это сложный оптико-механический прибор с электродистанционным управлением, процесс работы которого максимально автоматизирован. Значительное удаление от объектов съёмки, зачастую низкая температура окружающей среды и высокая влажность (из-за высоты съёмки), сильные динамические механические нагрузки (вследствие полёта), быстрая смена объектов съёмки — снимаемой территории — накладывают отпечаток на особенности аэрофотоаппаратов: большой формат кадра, высокая скорость съёмки (скорость работы затвора и перемотки фотоплёнки в плёночных аппаратах), наличие амортизирующего механизма или пространственно стабилизированной платформы (например, гироплатформы), большое фокусное расстояние объектива и большая светосила, высокая геометрическая точность объектива, работа в автоматическом режиме по программе, задаваемой с командного пульта, а в последнее время и наличие комплекса спутникового позиционирования для определения координат центров проектирования (фотографирования).
По назначению АФА делят на топографические и разведывательные, по времени применения — на дневные, ночные и универсальные, по принципу действия — на щелевые, кадровые и панорамные. Соответственно аэрофотосъёмка может быть плановая, когда ось объектива перпендикулярна местности, и перспективная. Наиболее распространены кадровые фотоаппараты для дневной или ночной съёмки.
В щелевых АФА фотографирование осуществляется не покадрово, а непрерывно. Фотоплёнка постоянно перемещается напротив щели, со скоростью движения оптического изображения. Этим достигается возможность ведения съёмки на малой высоте (50-100 м) и высокой скорости полёта носителя (более 1000 км/ч), что недостижимо кадровым АФА.
Панорамные аэрофотоаппараты служат для фотосъёмки широких участков (панорам) местности, практически от горизонта до горизонта. Это достигается в простейшем случае установкой обычного кадрового аппарата на качающемся основании. Специализированный панорамный фотоаппарат может конструктивно использовать непосредственное сканирование, когда качается объектив вместе с экспонирующей щелью, при этом фотоплёнка кадра неподвижна и выровнена на поверхности цилиндра из оптического стекла, с радиусом, равным фокусному расстоянию объектива. Во втором типе ПАФА объектив неподвижен, проектирующий пучок лучей поворачивается с помощью призм и зеркал, а аэрофотоплёнка перемещается синхронно с движением сканирующей системы.
Аэрофотоплёнка имеет в качестве светочувствительного слоя эмульсию, содержащую кристаллы галоидного серебра. Химическая обработка фотоматериалов и их дешифрирование выполняются наземной службой. На некоторых типах ЛА фотоматериалы могут автоматически обрабатываться на борту во время полёта, а также сбрасываться на землю в специальных контейнерах.
Параметры некоторых отечественных аэрофотообъективов:
1. «Руссар-33» — Фокусное расстояние 100 мм; разрешающ. способность 52 лин/мм; угол поля зрения 104 град; формат снимка — 180х180 мм.
2. «Орион-1А» — Фокусное расстояние 200 мм; разрешающ. способность 32 лин/мм; угол поля зрения 90 град; формат снимка — 300х300 мм.
аэрофотоаппарат фотоматериал цифровой изображение
3. «Уран-16» — Фокусное расстояние 750 мм; разрешающ. способность 28 лин/мм; угол поля зрения 13 град; формат снимка — 300х300 мм.
4. «Телемар-7М» — Фокусное расстояние 1000 мм; разрешающ. способность 33 лин/мм; угол поля зрения 24 град; формат снимка — 300х300 мм.
5. «Телемар-12» — Фокусное расстояние 1800 мм; разрешающ. способность 20 лин/мм; угол поля зрения 22 град; формат снимка — 500х500 мм.
1.1 Классификация аэрофотоаппаратов
Классификация аэрофотоаппаратов возможна по различным признакам. В зависимости от способа экспонирования аэрофотопленки различают кадровые, щелевые и панорамные аэрофотоаппараты. Как видно из предыдущего, в кадровых аэрофотоаппаратах экспонирование аэрофотопленки происходит прерывисто, отдельными кадрами вдоль длины аэрофотопленки; при этом направление оптической оси не меняется относительно плоскости предметов. В щелевых аэрофотоаппаратах экспонирование происходит непрерывно по всей длине аэрофотопленки; при этом направление оптической оси также не меняется относительно плоскости предметов. В панорамных аэрофотоаппаратах оптическая ось непрерывно изменяет свое направление.
В зависимости от величины угла поля зрения и фокусного расстояния аэрофотообъективов различают узкоугольные (длиннофокусные), нормальноугольные (нормальные), широкоугольные (короткофокусные) и сверхширокоугольные (сверхкороткофокусные) аэрофотоаппараты. По степени автоматизации различают аэрофотоаппараты автоматические и полуавтоматические и т.д.
Наибольший интерес имеет классификация аэрофотоаппаратов по назначению. В этом случае все аэрофотоаппараты принято делить на два больших класса: топографические аэрофотоаппараты и аэрофотоаппараты нетопографического назначения.
Топографические аэрофотоаппараты предназначены для получения ортоскопических аэроснимков земной поверхности, поверхности Луны и других небесных тел с целью их картографирования. Использование аэроснимков, полученных топографическими аэрофотоаппаратами, для составления топографических карт предопределяет требования к их конструкции и характеристикам.
Топографические аэрофотоаппараты обеспечивают получение аэроснимков, обладающих высокими как измерительными, так и изобразительными свойствами. Так как фотограмметрические методы, применяемые в настоящее время при составлении топографических карт по аэроснимкам, основаны на предпосылке, что аэроснимок является центральной проекцией точек местности на плоскость, то конструкция топографических аэрофотоаппаратов должна обеспечивать получение ортоскопических аэроснимков. Поэтому топографические аэрофотоаппараты являются кадровыми, в них не применяются шторно-щелевые аэрофотозатворы. Для обеспечения высоких измерительных и изобразительных свойств получаемых аэроснимков топографические аэрофотоаппараты снабжаются ортоскопическими аэрофотообъективами с хорошей контрастно-частотной характеристикой; конструкция этих аэрофотоаппаратов обеспечивает высокоточное выравнивание аэрофотопленки в плоскость при экспонировании, возможность получения аэроснимков с заданным продольным перекрытием. Непременное условие, выполнение которого предусматривается в топографических аэрофотоаппаратах, — неизменяемость элементов внутреннего ориентирования аэрофотокамеры и остаточной дисторсии, а также постоянство других характеристик аэрофотоаппаратов в любых условиях их эксплуатации: на малых и больших высотах, при низких и высоких скоростях полета, при использовании пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов.
Так как решение измерительных задач по аэроснимкам требует точного знания элементов внутреннего ориентирования аэрофотокамеры и дисторсии изображения, то топографические аэрофотоаппараты периодически калибруются. Кроме того, в топографических аэрофотоаппаратах дополнительная информация регистрируется наиболее полно.
Аэрофотоаппараты нетопографического назначения применяются для получения аэроснимков с целью их топографического, геологического, ландшафтного и других видов дешифрирования, т.е. опознавания и определения качественной и количественной характеристик изображенных на них объектов. В этом случае решение измерительных задач по аэроснимкам ограничивается определением цифровых характеристик отдешифрированных объектов (глубины оврагов, высоты деревьев и пр.). На этом основании требования к ортоскопии аэроснимков, получаемых этими аэрофотоаппаратами, значительно снижаются. Общим свойством топографических и нетопографических аэрофотоаппаратов являются одинаково высокие требования к изобразительным свойствам получаемых аэроснимков. Для увеличения разрешения на местности, улучшения дешифрируемости аэроснимков, что зависит не только от их изобразительных свойств, но и от масштаба аэроснимков, последние в целях детального дешифрирования получают в более крупном масштабе, поэтому аэрофотоаппараты нетопографического назначения для получения крупномасштабных аэроснимков снабжаются более длиннофокусными объективами, чем топографические.
Топографические аэрофотоаппараты для обеспечения более высокой экономической эффективности аэрофототопографического метода создания карт имеют, как правило, широкоугольные, а в ряде случаев даже сверхширокоугольные объективы. Нормальноугольные объективы используются реже.
Как видно, топографические и нетопографические аэрофотоаппараты дополняют друг друга, поэтому аэрофотосъемочный комплекс включает те и другие аэрофотоаппараты. При аэрофотосъемке в картографических целях фотографирование выполняется, как правило, одновременно топографическим и нетопографическим длиннофокусными аэрофотоаппаратами. В этом случае первый считается основным, а второй — дополнительным. Аэроснимки, полученные топографическим аэрофотоаппаратом, используются для фотограмметрических работ, а аэроснимки, полученные нетопографическим длиннофокусным аэрофотоаппаратом, — для топографического дешифрирования.
К аэрофотоаппаратам нетопографического назначения относится также небольшая группа аэрофотоаппаратов, применяемых для обзорной или рекогносцировочной аэрофотосъемки. Это, как правило, сверхширокоугольные аэрофотоаппараты, часто малоформатные.
1.2 Характеристика основных типов топографических аэрофотоаппаратов
Топографические АФА дают возможность получать изображение с малыми искажениями ортоскопии; средние значения дисторсии изображения лучших аэрофотоаппаратов — 5 — 10 мкм, причем получение лучшей ортоскопичностн во многих случаях использования сверхширокоутольных аэрофотоаппаратов лимитируется короткопериодическими ошибками невыравнивания аэрофотопленки при ее экспонировании, что обусловливает целесообразность уменьшения интервала между контрольными метками (крестами) до 1 см и меньше. Отечественные топографические аэрофотоаппараты АФА-ТЭ и АФА-41 в большинстве своем соответствуют предъявляемым к ним требованиям.
Отличительная особенность широко применяемых аэрофотоаппаратов АФА-ТЭ — большое разнообразие фокусных расстояний: 55, 70, 100, 140, 200, 350 и 500 мм при размере кадра 18х18 см. В этих аэрофотоаппаратах в основном применен вакуумный способ выравнивания аэрофотопленки. Однако в отдельных моделях, например, АФА-ТЭС-10 (f’ = 100 мм) и АФА-ТЭС-7 (f’ = 70 мм), аэрофотопленка для выравнивания прижимается к стеклу, имеющему сетку контрольных меток. Разрешающая способность системы аэрофотообъектив — аэрофотопленка средней чувствительности — 60-30 мм-1 в центре и 30-10 мм-1 на краю поля изображения, дисторсия изображения не превышает 10-20 мкм. Аэрофотоаппараты АФА-41 имеют размер кадра 18х18 см, для выравнивания аэрофотопленки используется стекло.
Весьма интересны аэрофотоаппараты, выпускаемые предприятием Карл Цейсс, Иена; MRB 21/1818, f = 210 мм, размер кадра 18X18 см: MRB 11,5/1818, f =115 мм, размер кадра 18X18 см; MRB 15/2323, f = 152 мм, размер кадра 23X23 см; MRB 9/2323, f = 88 см, размер кадра 23X23 см. В этих аэрофотоаппаратах применен вакуумный способ выравнивания аэрофотопленки, остаточная дисторсия объективов Ламегон и Супер-Ламегон не превышает 5-8 мкм; при создании отдельных образцов аэрофотообъективов этого типа (PI) удалось устранить хроматическую аберрацию для видимой и ближней инфракрасной зоны спектра. Отдельные аэрофотоаппараты MRB имеют оптический клин, который впечатывается на каждый кадр. Разрешающая способность АФА-MRB 9/2323 при использовании аэрофотопленки средней чувствительности — 85 мм-1 в центре и 20 мм-1 на краю поля изображения.
1.3 Характеристика основных типов аэрофотоаппаратов нетопографического назначения
Кадровые нетопографические аэрофотоаппараты с постоянным направлением оптической оси в момент экспонирования.
К ним относятся отечественные аэрофотоаппараты АФА-42, имеющие фокусные расстояния 200, 500, 750 и 1000 мм при размере кадра 30×30 см, с выравниванием аэрофотопленки при помощи стекла, которое не входит в оптический расчет объектива. Аэрофотоаппараты АФА-42 с фокусными расстояниями 500 мм и больше имеют оптические устройства для компенсации сдвига изображения; они применяются для планового, перспективного и планово-перспективного аэрофотографирования. К нетопографическим аэрофотоаппаратам относятся: АФА-ТЭ с фокусным расстоянием f = 36 мм при размере кадра 18X18 см, АФА-МИИГАиК, f =20 мм, размер кадра 5,2х7 см и др.
Отличительная особенность аэрофотообъективов, разработанных в последнее время, в том, что они корригированы не только в отношении монохроматических и хроматических аберраций, но у них устранены термооптические аберрации, т.е. это объективы, не расстраивающиеся при изменении температуры. Так, например, аэрофотообъектив «Ленинград-7» (f = 1000 мм) разрешает в центре поля при температуре 20°С и t = — 56°С около 42 мм-1, а у аналогичного объектива «Телемар-7» при тех же температурных колебаниях разрешение падает от 40 до 8 мм-1; у объектива «Телемар-7» при указанном изменении температур термооптическая аберрация достигает 1,4 мм.
1.4 Щелевые аэрофотоаппараты (АЩАФА)
При щелевом фотографировании (метод щелевой аэрофотосъемки разработан В.С. Семеновым в 1936 г.) изображение местности 1 получается в результате непрерывного экспонирования фотопленки 2, движущейся по направлению летательного аппарата; аэрофотопленка экспонируется при помощи объектива 4 через постоянно открытую щель 3, расположенную в фокальной плоскости объектива перпендикулярно направлению летательного аппарата. Скорости перемещения аэрофотопленки и летательного аппарата согласованы. Результатом фотографирования местности в этом случае являются не отдельные кадры, а сплошная лента — фотографическое изображение маршрута полета летательного аппарата, причем в поперечном направлении (по ширине аэрофотопленки) щелевой снимок представляет центральную проекцию, а в продольном — ортогональную проекцию фотографируемой местности.
Рис.1.1 Метод щелевой аэрофотосъемки
Таким образом, в щелевом аэрофотоаппарате светочувствительный материал непрерывно экспонируется через щель, расположенную в фокальной плоскости объектива перпендикулярно к линии полета.
Отсюда можно сделать выводы:
1. Перемещение аэрофотопленки с определенной скоростью в направлении полета летательного аппарата исключает сдвиг, вызывающий нерезкость изображения.
2. Для сохранения заданной выдержки t необходимо с изменением скорости движения аэрофотопленки пропорционально изменять ширину щели, которая обычно изменяется от 1,5 до 10 мм.
3. Допустимая выдержка в щелевом аэрофотоаппарате, определяемая допустимым сдвигом, значительно больше допустимой выдержки при использовании кадровых аэрофотоаппаратов в тех же условиях.
4. В щелевом аэрофотоаппарате затвор отсутствует, регулирование экспозиции производится изменением ширины щели и диафрагмированием.
5. Изображение местности получается в виде сплошной ленты. Щелевые аэрофотоаппараты бывают однообъективные и двухобъективные; они имеют две основные системы механизмов: систему механизмов синхронизации движения аэропленки и систему механизмов регулирования экспозиции (регулирование ширины щели). Управление этими механизмами выполняется в полуавтоматическом или чаще всего в автоматическом режиме работы.
1.5 Панорамные аэрофотоаппараты (ПАФА)
При панорамном фотографировании участка местности 4 используется объектив 3, оптическая ось которого вращается вокруг оси, проходящей через заднюю узловую точку параллельно образующей цилиндра, на котором располагается фотопленка 1. При этом задняя узловая точка находится на оси цилиндра, которая обычно параллельна направлению полета; радиус цилиндра равен фокусному расстоянию объектива. Панорамный аэроснимок получается путем последовательного перемещения щели 2 по поверхности аэрофотопленки и ее экспонирования. По форме это обычно прямоугольный снимок в виде кадра, но экспонирование аэрофотопленки происходит не одновременно, а последовательно в соответствии со скоростью вращения объектива. Таким образом, панорамный аэроснимок представляет собой развертку местности на цилиндрическую поверхность.
Рис.1.2 Метод панорамной аэрофотосъемки
Панорамные аэрофотоаппараты бывают прямого сканирования, осуществляемого качанием (вращением) объектива, и косвенного сканирования, осуществляемого вращением призм или зеркал, установленных перед объективом. Выдержка tск, получаемая в ПАФА, определяется скоростью вращения объектива vоб или скоростью сканирования vск и шириной щели lщ, т.е.
tск = lщ / vск
В современных ПАФА скорость сканирования vск изменяется от 30 до 700 см/с, а ширина щели lщ от 1 до 10 мм; в соответствии с этим величина выдержки изменяется в очень широких пределах — от 1/30 до 1/15000 с.
Особенности панорамных аэрофотоаппаратов:
1. Используется только центральная часть поля зрения объектива, что способствует получению высоких изобразительных свойств панорамных снимков.
2. Скорость поворота проектирующего пучка при сканировании не зависит от путевой скорости W, что позволяет успешно использовать ПАФА для фотографирования с любого летательного аппарата.
3. Большая ширина снимаемой полосы местности (угол панорамирования составляет 140-180°).
4. Необходима точная синхронизация поворота проектирующего пучка с движением аэрофотопленки мимо щели при косвенном способе сканирования.
5. Сравнение ПАФА с многокамерными АФА и АФА в качающих аэрофотоустановках показывает, что трехобъективная система гораздо проще размещается в самолете, чем ПАФА, для вращения объектива или призмы которого необходим люк больших размеров, но аэрофильм, полученный ПАФА, гораздо удобнее для рассматривания, хотя менее удобен для определения координат.
6. Применение ПАФА для картографических целей ограничивается сложностью их калибровки (определение элементов внутреннего ориентирования) и недостаточной геометрической определенностью получаемых аэроснимков, что является следствием механических перемещений частей АФА во время экспонирования (неодновременностью экспонирования всего снимка), однако эти трудности не являются непреодолимыми.
Глава 2. Получение изображения аэрофотоаппаратом
2.1 Аналоговый метод
Фотографический снимок (аэроснимок, аэроиегатив), в соответствии с законами геометрии, представляет собой перспективное изображение, построенное в центральной проекции, в которой часть лучей света, отраженных от объекта съемки, проходят через одну точку, называемую центром проекции.
В действительности фотографическое изображение строится при помощи объектива, представляющего собой сложную оптическую систему, состоящую из комбинации собирательных и рассеивающих линз и предназначенную для получения действительного обратного изображения фотографируемого объекта. Все линзы объектива ограничены шаровыми поверхностями различных радиусов и центрированы относительно прямой, проходящей через центры кривизны всех линз. Эта прямая называется главной оптической осью, а совпадающий с ней луч — главным оптическим лучом.
Идеальная оптическая система, ограниченная двумя сферическими поверхностями. На главной оптической оси расположены передняя (S1) и задняя (S2) узловые точки, отнесенные к пространству предметов и пространству изображения соответственно. Передняя узловая точка называется центром фотографирования, а задняя — центром проектирования. Луч, попадающий в переднюю узловую точку S1, при выходе из задней узловой точки S2 сохраняет первоначальное направление.
Плоскости Н1Н1 и Н2Н2, проходящие через узловые точки перпендикулярно к главной оптической оси, называются главными плоскостями объектива, на которых и происходит преломление лучей. Луч, параллельный главной оптической оси, после преломления пересекает ее в точке, называемой главным фокусом. Таких точек две: передний фокус F1 в пространстве предмета и задний фокус F2 в пространстве изображения.
Плоскость РР, в которой получается резкое изображение фотографируемого объекта, называется фокальной плоскостью. В зависимости от расстояния между объективом и фотографируемым объектом положение фокальной плоскости изменяется, и при достаточном удалении объекта она проходит через главный фокус. Плоскости, проходящие через главные фокусы F и 2^2 перпендикулярно к главной оптической оси, называются главными фокальными плоскостями. Расстояния между узловыми точками объектива и точками фокуса для применяемых при аэрофотосъемки.
Рис.2.1 Построение изображения с помощью оптической системы
симметричных объективов одинаковы, называются фокусным расстоянием объектива и обозначаются символом f. Луч, проходящий через передний фокус, после преломления становится параллельным главной оптической оси.
Удаления точек А и а от передней и задней узловых точек связаны с фокусным расстоянием известной формулой оптического сопряжения
1/f = 1/D + 1/d
где f — фокусное расстояние объектива; D, d — расстояния вдоль главного оптического луча от передней и задней узловых точек до точки объекта А и точки изображения а соответственно.
Расстояние между узловыми точками объектива S1 и S2 не влияет на ход лучей, и в фотограмметрических построениях их объединяют в одну, рассматриваемую одновременно как центр фотографирования и проектирования. В связи с этим обе части каждого проектирующего луча будут представлять одну прямую линию.
Рис.2.2 Масштаб аэрофотоснимка
При аэрофотосъемке можно полагать, что объект находится в бесконечности, и величиной 1/D в формуле можно пренебречь.
В этом случае d = f т.е. изображение объекта (местности) строится в главной фокальной плоскости. В этой плоскости и помещают светочувствительный материал (фотопленку), на которой получается изображение фотографируемой местности. Это позволяет применять для определения масштаба горизонтального аэроснимка простую зависимость, вытекающую из подобия треугольников:
1/m = (a*b) / (A*B) = l/L = f/H
Объектив, или съёмочный объектив, — основная и обязательная часть любого фотоаппарата. Объектив формирует световое изображение объекта съёмки и проецирует его на светочувствительный слой фотоматериала.
Световые лучи от точечного источника распространяются во все стороны равномерно и прямолинейно. При переходе из одной среды в другую (например, на границе стекло-воздух) они преломляются, т.е. изменяют направление распространения. Для изменения направления лучей применяют линзы, зеркала, призмы; при этом пучок лучей можно сделать сходящимся, расходящимся или параллельным. Поверхности линз могут быть выпуклыми, вогнутыми и плоскими. Выпуклые и вогнутые поверхности имеют сферическую форму. Сферической называется форма поверхности шара (или его части). Радиус шара является радиусом кривизны линзы, а его центр — центром кривизны. Плоские поверхности можно также рассматривать как сферические с бесконечно большим радиусом кривизны.
В зависимости от вида кривизны поверхностей различают линзы двояковыпуклые, двояковогнутые, плосковыпуклые, плосковогнутые и вогнутовыпуклые.
Линзы, толщина которых в середине больше, чем по краям, — собирательные и называются положительными, а те, у которых толщина больше по краям, — рассеивающими и называются отрицательными. Прямая линия, проходящая через центры кривизны поверхностей линзы, является её осью симметрии, она же — оптическая ось линзы.
Рис.2.3 Ход лучей через линзу: H — оптическая плоскость, O — оптический центр, P — фокальная плоскость, f — главное фокусное расстояние, a — пространство объектов, b — пространство изображения.
Ход луча через элементарный участок линзы можно рассматривать как клин, если он не расположен в середине линзы. Рабочие поверхности такого участка условно можно считать плоскими. Чем ближе к краю выбран участок, тем больше будет его клиновидность, т.е. угол между рабочими поверхностями. Проходя через такой участок, луч света преломляется, т.е. отклоняется в сторону основания клина, сначала на границе воздух-стекло, а затем на границе стекло-воздух. Пучок параллельных лучей, проходящий через линзу вдоль её оптической оси, преобразуется положительной линзой в сходящийся, а отрицательной — в расходящийся. Условно считают, что лучи пучка отклоняются на входе и на выходе из линзы, как при пересечении передней и задней оптических плоскостей.
При рассмотрении тонких линз допускается, что эти плоскости совмещены в одну. Такая плоскость делит окружающее пространство на две части. На схемах принято изображать распространение света слева направо. Поэтому слева от плоскости будет пространство объектов (предметное пространство), а справа — пространство изображений. Соответственно точки и отрезки, расположенные слева, называются передними, а расположенные справа — задними. Параллельный пучок лучей, пройдя положительную линзу, сходится в точке фокуса линзы.
Точка пересечения оптической плоскости линзы оптической осью называется оптическим центром. Расстояние от оптического центра до точки фокуса называется главным фокусным расстоянием линзы.
Если перед линзой находится не точечный источник света, а некоторая поверхность, от каждой её точки на линзу будут падать световые лучи. Если эта поверхность находится на расстоянии не меньшем, чем бесконечность, изображения её точек лежат в фокальной плоскости, а их совокупность образует световое изображение поверхности.
Одиночная линза в различных участках фокальной плоскости изображает точки в виде кружков, чёрточек, запятых и точек; эти искажения называются аберрациями. Если размер искажённых изображений точек не превышает 0.1мм, то при нормальном зрении все они воспринимаются как точки.
Но в фотографии изображения часто увеличивают в десятки раз и указанные искажения становятся заметными. Поэтому одиночные линзы в качестве объективов практически не используют, предпочтение отдают объективам, состоящим из 3 — 10 линз, в которых аберрации уменьшены (исправлены).
Размеры изображения будут тем больше, чем больше размеры самого объекта, чем он ближе к линзе и чем больше её фокусное расстояние. Если объект из бесконечности приблизится к области конечных расстояний, лучи, идущие от разных точек его поверхности, нельзя считать параллельными. Поэтому изображения этих точек будут получать не в главной фокальной плоскости, а за ней.
Чем ближе объект, тем дальше за линзой получается его изображение и тем большим будет оно по размеру. Когда объект приблизится на двойное фокусное расстояние, и его изображение окажется на таком же расстоянии за линзой. Такие условия возникают, например, макросъёмке (с близкого расстояния). Если объект удалён от линзы на расстояние, ровное фокусному расстоянию этой линзы, изображение объекта окажется в бесконечности.
Одна из основных характеристик линзы — ее диоптрийность (D), которую называют также оптической силой. Она связана с фокусным расстоянием f простым соотношением D= 100: f (где В указывается в диоптриях, а f — в см). Оптическая сила линзы зависит от кривизны ее рабочих поверхностей и состава стекла, из которого она изготовлена.
К основным характеристикам объектива относится: фокусное расстояние, относительное отверстие, угловое поле зрения, угловое поле изображения и разрешающая способность.
Фокусное расстояние объектива определяет масштаб изображения, т.е. степень уменьшения или увеличения изображения по сравнению с размерами фотографируемого объекта: чем больше фокусное расстояние, тем крупнее изображение «рисует» объектив (при неизменном расстоянии от фотоаппарата до объекта съемки). Обычно фокусное расстояние для каждого объектива — величина постоянная; ее значение (иногда с округлением) указывается на оправе объектива.
Объективы, фокусное расстояние которых равно или несколько больше диагонали кадра, имеют угол поля зрения 45-55°; такие объективы считаются нормальными. Объективы, фокусное расстояние которых меньше диагонали кадра, а угол поля зрения превышает 55°, относятся к широкоугольным, или короткофокусным. Объективы с большим, чем диагональ кадра, фокусным расстоянием и меньшим, чем 45°, углом поля зрения, относятся к длиннофокусным.
К длиннофокусным относятся также и телеобъективы, у которых оптическая система рассчитана так, что задняя оптическая плоскость находится в передней части оптической системы, и потому объектив как бы приближен к фокальной плоскости. Разновидностью телеобъективов являются зеркально-линзовые объективы типа МТО и 3М.
Важная характеристика объектива — относительное отверстие, т.е. способность объектива создавать на фотопленке определенную освещенность изображения. Численно определяется как отношение диаметра светового отверстия объектива к его фокусному расстоянию.
Под световым отверстием объектива понимается то отверстие, через которое свет проходит внутрь фотокамеры. Это отверстие определяется диафрагмой. Диафрагма расположена между линзами объектива и состоит из нескольких лепестков, закрепленных в оправе, имеющей наружное кольцо, посредством которого можно сдвигать и раздвигать лепестки и тем самым регулировать размер светового отверстия, т.е. изменять относительное отверстие объектива.
Величина, обратная относительному отверстию, называется диафрагменным числом. На оправе объектива и в его паспорте обычно указывается диафрагменное число, соответствующее максимальному значению относительного отверстия, которое принято называть светосилой объектива.
В современных объективах применяется так называемая ирисовая диафрагма; она составлена из лепестков, помещенных между линзами объектива (примерно в плоскости его оптического центра) и образующих почти круглое отверстие. Сдвигаясь или раздвигаясь, они плавно изменяют величину действующего отверстия объектива.
Угловое поле — величина, характеризующая поле зрения объектива, т.е. угол, под которым объектив «видит» фотографируемое пространство и создает его изображение в пределах кадра. Угловое поле зависит от фокусного расстояния объектива и размеров кадра: чем больше размеры кадра и меньше фокусное расстояние, тем больше угловое поле.
Разрешающая способность объектива — одна из важнейших его характеристик. От нее зависит возможность получения мельчайших деталей в изображении и, следовательно, больших увеличений при печати. Она выражается числом линий (штрихов), различимых на 1 мм в изображении специальных штриховых объектов — мир.
2.2 Фиксация изображения цифровым аэрофотоаппаратом
Для регистрации изображения используется электронно-оптический преобразователь, а для хранения — флэш-память.
Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) — прибор, преобразующий световой поток в электрический сигнал. Характеризуется разрешением — количеством точек по вертикали и горизонтали, а также соотношением сигнал/шум.
Флэш-память — энергонезависимая память, сохраняющая информацию после выключения питания. Характеризуется форм-фактором, емкостью (в мегабайтах), скоростью доступа и напряжением питания.
В качестве ЭОП используются два типа устройств — ПЗС-матрицы (матрицы приборов с зарядовой связью) и КМОП-матрицы. Чаще в цифровых фотокамерах используются ПЗС-матрицы.
ПЗС, прибор с зарядовой связью, — устройство, накапливающее электронный заряд при попадании на него светового потока. Уровень заряда зависит от интенсивности и продолжительности освещения. В англоязычной литературе используется определение CCD (Couple-Charged Device).
По конструкции данные устройства примерно похожи на используемые в видеокамерах матрицы, основное различие заключается в разрешении. Эта же характеристика является одной из основных при описании цифровой фотокамеры, именно дороговизна ПЗС-матриц с большим количеством элементов сдерживала развитие цифровой фотографии.
Цифровая камера непрерывно получает изображение с матрицы и отображает его на мониторе камеры. Если затвор закрыть, изображения на мониторе станет не видно. А вот после съёмки кадра с большим разрешением затвор закрывается на доли секунд — время, требуемое для полного копирования информации с матрицы в память фотоаппарата.
Рис 2.4 Принцип фиксации изображения матрицей
Сразу за линзами объектива может быть расположен инфракрасный фильтр, препятствующий прохождению инфракрасных лучей на светочувствительную матрицу чувствительную к таким лучам. Наше зрение не позволяют увидеть инфракрасные лучи, а значит не должен их видеть и цифровой фотоаппарат. Иначе изображение, полученное при помощи подобной камеры будет отличаться от видимого нами, а подобное несоответствие мы воспримем как недостаток камеры.
Далее по ходу лучей света располагается светочувствительная матрица фотоаппарата — чип, верхняя часть которого выполнена из стекла. Под защитным стеклом находится светочувствительная поверхность матрицы. Именно характеристики матрицы в значительной степени определяют качество снимков, сказываются они и на цене камеры. Поверхность матрицы усеяна множеством мельчайших светочувствительных ячеек. Свет, падая на поверхность ячеек, создаёт в глубине каждой из них электрический заряд. Если света подействовало много — заряд большой, мало света, и заряд естественно не велик. После съёмки образовавшиеся заряды переносятся в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Здесь происходит их оцифровка, преобразование в цифровой вид. Большим зарядам присваиваются большие числа, а небольшим — маленькие. Если заряд в ячейке отсутствует, ему присваивается значение 0, а вот максимальное значение зависит от разрядности (битности) АЦП. У большинства камер это значение соответствует 255 (8 бит на канал).
Оцифрованная информация попадает в оперативную память камеры (ОЗУ). Это микросхема, способная хранить информацию только при наличии электрического питания. Если камера внезапно выключится, вся информация (будущий снимок) пропадёт. Снимок находится в ОЗУ всего лишь доли секунды. Здесь происходит его цифровая обработка — улучшается тоно — и цветопередача, корректируется резкость, яркость и контрастность изображения. Используемые на этой стадии алгоритмы обработки являются достоянием фирм-производителей фототехники. Не секрет, что в цифровых камерах разных фирм могут использоваться одинаковые светочувствительные матрицы, а количество полученного изображения будет существенно отличаться, причина этого кроется именно в различной цифровой обработке полученного сигнала.
Преобразованный в соответствии с фирменными разработками производителей и установками камеры снимок переносится в энергонезависимую память фотоаппарата или на карту памяти. Управляет всеми перемещениями и преобразованиями снимка в камере центральный процессор или, как принято говорить, чипсет. Ведь это не только процессор, здесь же находятся и другие аппаратные средства, управляющие камерой.
Одним из главных элементов в видеокамерах и цифровых фотоаппаратов является устройства, отвечающие за преобразования света в электрический сигнал. В настоящие время для этого применяются КМОП — секторы и приборы с зарядовой связью (ПЗС).
Зарядовая связь — это передача заряда от одного МОП — конденсатора другому, расположенных на одной кремниевой подложке.
МОП — конденсатор образован структурой металл — окисел — полупроводник, откуда и его название. Предположим, у нас как C1, C2, C3 (илл.1). Все они имеют одну общую обкладку в идее пластины кремния, которая называется подложкой.
2.3 Особенности современных цифровых АФА
Аналоговые камеры ведут съемку на специальную лавсановую пленку. Размер одного кадра при этом составляет 230×230 мм. После сканирования пленки на специальном фотограмметрическом сканере с типичным разрешением 15 мкм получают цифровые изображения размером 15×15 тыс. пикселов, т.е. больше 200 мегапикселов. В настоящее время светочувствительные матрицы такого размера не производятся. Поэтому для получения цифровых изображений сравнимого размера в камерах UltraCam-X и DMC осуществляется «сшивка» фрагментов изображений, полученных несколькими матрицами. В камере UltraCam-X Prime таких матриц девять. Съемка ведется четырьмя объективами, ее синхронизация выполняется за счет движения летательного аппарата таким образом, чтобы совместить центры проекции объективов. Размер результирующего кадра составляет 14 430х9420 пикселов (136 мегапикселов). В камере DMC применяется другой подход — съемка четырьмя объективами ведется синхронно с точностью 0,01 миллисекунды. Размер результирующего кадра — 13 500х8000 пикселов (108 мегапикселов).
Другим подходом для получения цифровых изображений большого размера является использование светочувствительной линейки, которая, перемещаясь вместе с самолетом, формирует цифровой «ковер» произвольной длины. Этот метод, принятый при съемке с космических аппаратов, нашел применение и в аэросъемке (камера ADS80). Геометрия таких снимков непривычна для фотограмметристов, работающих с кадровыми камерами. В отличие от условий формирования спутниковых изображений, когда траектория движения носителя не подвержена колебаниям, аэроизображения требуют дополнительной коррекции.
Крупноформатные камеры UltraCam и DMC используют черно-белые (grayscale) матрицы для получения изображения с высоким разрешением. Одновременно ведется съемка на матрицы с меньшим разрешением, чувствительные в красном, синем, зеленом и инфракрасном диапазонах спектра.
Среднеформатные камеры устроены существенно проще, выпускают их многие производители. Наиболее известными являются камеры: RMK-D (Intergraph Z/I Imaging, США), DSS (Applanix Corp., Канада), RCD100 (Leica Geosystems, Швейцария), Rollei AIC (Trimble Navigation, США), DiMAC Lite (DIMAC Systems, Люксембург). Как правило, эта аппаратура имеет разрешение 20-60 мегапикселов, оснащена светочувствительной матрицей Байра, одним объективом и сразу формирует цветное или инфракрасное изображение.
Важной характеристикой цифровых аэрокамер является физический размер пиксела матрицы. Чем он больше, тем больше фотонов регистрируется в единицу времени, что при прочих равных параметрах позволяет проводить съемку при худших условиях освещенности. Большинство цифровых аэрокамер создают изображения глубиной цвета более 8 бит на пиксел, что позволяет разглядеть детали в тенях, недоступные при аналоговой съемке. Угол обзора цифровых камер приблизительно соответствует углу обзора аналоговых камер с фокусным расстоянием 300 мм. Таким образом, цифровые камеры являются длиннофокусными. «Скорострельность» (число кадров в единицу времени) современных камер такова, что возможна съемка с малых высот, при которых размер пиксела на местности (GSD) составляет единицы (3-5) сантиметров при 60% перекрытии соседних снимков.
Фотограмметрическая обработка снимков, полученных цифровыми кадровыми аэрокамерами, аналогична обработке аналоговых снимков. Более того, процедура внутреннего ориентирования цифровых аэроснимков значительно упрощена и заключается в вводе данных из паспорта камеры. Следует учесть, что съемка цифровыми камерами часто ведется с большим (более 60%) перекрытием. Это позволяет формировать более качественные ортофотопланы, но накладывает дополнительные условия на работу модулей измерения связующих точек и уравнивания. Для сканирующей камеры ADS80 значительная часть фотограмметрической обработки проводится с использованием программного обеспечения, поставляемого в комплекте с ней. Некоторые цифровые фотограмметрические системы позволяют выполнять стереообработку (построение ЦМР, рисовку в стереорежиме) и ортотрансформирование материалов, полученных на основе снимков ADS80 после использования ПО фирмы-производителя
Глава 3. Строение фотоматериалов
Основой фотопленок обычно является прозрачный гибкий органический материал, а в некоторых случаях применяются стеклянные фотопластинки. Сначала в качестве основы для гибкой фотопленки использовался нитрат целлюлозы, но вследствие легкой воспламеняемости и общей химической неустойчивости нитрат целлюлозы заменили на более стабильный органический материал. В настоящее время фотокинопленки изготовляются из полиэтилентерефталата. Это соединение обладает достаточно стабильными химическими и механическими свойствами и в то же время является довольно гибким, чтобы его можно было использовать при изготовлении роликовой пленки.
Светочувствительные кристаллы галогенидов серебра и другие необходимые химические реагенты содержатся в тонком желатиновом слое, нанесенном на основу. Часто для достижения желаемого конечного результата на пленки наносят несколько фотографически активных слоев. Например, на высокочувствительные черно-белые фотопленки — по крайней мере два светочувствительных слоя. Эти светочувствительные слои называют фотографической эмульсией. Верхний слой желатины предохраняет эмульсию от механического повреждения. Когда свет падает на пленку, часть его поглощается зернами галогенида серебра, часть рассеивается эмульсией и часть достигает подложки, от которой он может отразиться или пройти сквозь нее. Свет, отраженный обратно в эмульсию от нижней границы основы, может поглотиться кристаллами галогенида серебра, вызывая тем самым ухудшение изображения.
Рис.3.1 Схема строения черно-белой фотопленки
Чтобы уменьшить это отражение, нижнюю границу основы часто покрывают противоореолъным слоем, который поглощает свет, достигающий этого слоя. Противоореольное покрытие удаляется в процессе проявления и не влияет на процесс фотопечати.
Бумажная основа фотографического материала для печати может покрываться лаком для уменьшения поглощения воды (или химических реактивов) волокнами бумаги. Лицевая сторона бумаги часто покрывается интенсивно-белым соединением (сульфатом бария), улучшающим отражательную способность бумаги. Эмульсия, которая может наноситься в виде многослойного покрытия, образует следующий слой, который вместе с защитным слоем желатины составляет верхнее покрытие фотобумаги.
Эмульсии для пленки и бумаги различаются только некоторыми деталями. Основой эмульсии является коллоид (почти всегда желатина), который, обеспечивает механическое удержание кристаллов галогенида серебра. Фоточувствительный материал — это одно или несколько светочувствительных соединений галогенида серебра AgX (хлорид серебра AgCl, бромид серебра Ag Br, иодид серебра AgJ). Кроме того, в желатину добавляют сенсибилизирующие вещества (главным образом соединения серы), которые увеличивают светочувствительность фотоэмульсии, воздействуя на поверхность зерен AgX. Свет, падающий на основу фотобумаги и отраженный от нее, дважды проходит через фотографическую эмульсию, а свет, падающий на прозрачную подложку фотопленки, — только один раз. Поэтому эмульсионный слой на бумаге более тонкий, чем на пленке. И оба они намного тоньше по сравнению с толщиной основы.
Обычно галогенид серебра составляет около 12% всего объема эмульсии негативного материала и около 6% в случае фотобумаги. Из трех галогенидов серебра иодид AgJ наиболее чувствителен к свету, a AgCl наименее чувствителен. Поскольку пленка должна быть более чувствительна к свету, чем фотобумага, вещества AgBr и AgJ следует преимущественно использовать для пленки, a AgCl и AgBr — для менее чувствительной бумаги Однако AgJ очень медленно фиксируется, что ограничивает его применимость в фотографических эмульсиях. Эмульсии фотопленок содержат зерна кристаллов бромида и иодида серебра. В эмульсии для бумаги от 30 до 95% галогенида серебра составляет AgCl, остальное AgBr. В более чувствительных («быстрых») бумагах содержится больше бромида серебра. Чувствительность пленки зависит главным образом от размеров зерен в эмульсии. Размер зерна в основном определяется двумя стадиями процесса изготовления, называемыми эмульгированием и созреванием. На первой стадии кристаллы AgX диспергируются в желатине, образуя эмульсию, а на второй стадии происходят рост зерен и изменение распределения зерен по размерам в результате нагрева, предшествующего нанесению эмульсии на основу. Распределение зерен по размерам играет основную роль в определении контрастности пленки и фотобумаги. Если все зерна одинакового размера, пленка проявляет тенденцию к высокой контрастности. Средний диаметр зерен в мелкозернистой роликовой пленке составляет около 800 нм, а в высокочувствительной роликовой пленке — около 1100 нм.
Галогениды серебра чувствительны к синему свету и к электромагнитному излучению более высокой частоты. Фотоны, соответствующие свету с большей длиной волны (с более низкой частотой), не обладают достаточной энергией (E=hv), чтобы необратимо изменить структуру AgX и образовать скрытое изображение. Хлорид серебра чувствителен к свету с более короткими длинами волн по сравнению с иодидом серебра. Бромид серебра обладает средней по длинам волн границей, не поглощая свет с длинами волн больше, чем приблизительно 500 нм. Смешанный кристалл, состоящий из 3% AgJ и 97% AgBr, не поглощает свет при длинах волн больше, чем 540 нм. Чтобы сделать галогениды серебра чувствительными к свету в остальных частях видимого спектра, в эмульсию добавляют полиметиновые красители, где они адсорбируются поверхностью зерен галогенида серебра. Если добавленные красители повышают чувствительность эмульсии в зеленой области спектра, то пленки называются ортохроматическими. Эмульсии, которые сенсибилизированы во всей видимой области спектра, называются панхроматическими.
Список использованных источников.
1. А.С. Кучко, «Аэрофотография (Основы и метрология)», М., 1974 г. / «Main types of Airphotochambers». Fragment from book «Airphotography», A. S. Kuchko, 1974.
2. Назаров А.С. Фотограмметрия/ Уч. пособие для студентов вузов. — Мн.: ТетраСистемс, 2006. — 368 с.: ил.
3. А.Ю. Сечин, «Ракурс». Журнал «Пространственные данные», № 3, сс.28-29, Москва, Россия. 2009.
4. А.Ю. Сечин, «Ракурс» Некоторые аспекты использования современных цифровых фотограмметрических камер // Москва, Россия. 2008.
5. Строение фотоматериалов // сайт http://www.photo-cams.ru // Режим доступа: http://www.photo-cams.ru/uchebnik_po_fotografii/fotograficheskij_process/stroenie_fotomaterialov/
