作者：吴治达
 

透视投影(perspective projection)
在航测学的范畴中,有两种投影方式最为常见且最常被应用,即为正射投影(orthographic projection)及透视投影.例如在一张地图上,所有点位均以其真正的相对水平(平面)位置表示,但在变动地形所拍摄的像片上,点位均从其真正的地图位置移开了,此一差异,主要是因为地图是正射投影,而像片是透射投影,此两种投影方式之性质如图1所示:

(a)地图(正射投影) (b)像片(透视投影)
比例尺一定 比例尺变换
无投影位移 投影位移
图1:地图(a)及垂直航空像片(b)之投影几何
如图所示,地图是由地面点沿垂直线,以一定比例尺投影至地图纸上所形成,而像片则由投影线收敛至照相机镜头中一共同点(投影中心)形成者,由於此一投影特性,任意地形高程的变化,均将导至影像比例尺的变化以及影像位置之移动.在地图上,可看到具真正水平位置之物体的上视图,然而在像片上,高程较高的地形区域,由於在曝光时较接近相机,因此,与高程较低之相等面积相比时,高程较高处之影像看起来为大,更进一步来说,物体之顶端通常与其底部有位移之现象产生,这种畸变差称为高差位移(relief displacement),且使任何高出地面的物体以辐射的倾向远离像片的像主点.高差位移和物体的高度成正比,航高成反比,且和物体与像主点之辐射距离成正比,因此,当高的物体出现在低飞像片的边缘时,其高差位移最大(Thomas and Kieffer,2000).何维信(1995)亦提到,像片为透视投影,因此,靠近摄影站之物体其影像将较远离摄影站者为大,换言之,靠近摄影站之物体其在像片上之比例尺较远离摄影站者为大.
由以上可知,传统航空摄影像片之影像几何为透视投影,具有以下特性:
航高愈低,比例尺愈大,故同一张照片,不同地物因为高度不同,也会有不同的比例尺.
焦距不同,则照片平均比例尺亦随之改变.
垂直照片除了像主点以外,其他像点皆会产生高差移位的现象,且位移方向为由像主点向边缘辐射而出,距离像主点愈远,高差移位愈大.
照片上地物像点的方位角,除了以像主点为圆心量测外,其余皆因为像点的高差移位而有所影响.
空间解像力(spatial resolution); 辐射解像力(radiometric resolution)
空间解晰力,是评定特定照相机系统所产生影像之光学品质之一种表示式,其受很多参数之影响,例如获取影像的软片,照相机镜头的解像力,曝光时未被补偿的影像移动,大气条件及软片处理的条件等等.其中某些因子是可以定量的,例如软片的解像力,是用显微镜看测试图像时,可被区分出的线条中心点之间的距离,故软片解像力的单位为线/mm,而软片的解像力,主要是其感光乳剂中银卤化物颗料的粒径分布的函数,通常软片的颗粒度越高,其解像力便越低.然而,随著航遥测技术的发展以及应用上的普及化,吾人不只对物体的侦测(detection)感兴趣,并且更重视物体类别之识别(recognition)以及鉴定(identification),故空间解像力可更精确的被定义为,在侦测阶段时要单独分别出个别的物体,而在鉴定阶段时,则更进一步要鉴定物体之种类,如将比例尺与解像力之效应综合考虑,则可合起来以地面解像距离(ground resolution distance;GRD)来表示影像的品质.GRD是将软片上之动态系统解像力外推至地面距离,故GRD可提供一方便的原则,以比较各种影像记录空间细节的能力.
至於就遥测领域而言,空间解像力即为网格式资料(raster data)中每一像元(pixel)所对应地面的大小,当其值愈小时,则代表所用资料之空间解像力愈高.
辐射解像力是指软片可侦测之曝光量的最小差值,它不是软片本身的特性,但却由浓度计(transmission densitometers)区别浓度(density)水准的能力所决定,可以浓度与相对曝光量对数所绘之特性曲线(characteristic curves)来决定辐射解像力之大小,辐射解像力和对比(contrast)成反比,故在特定之浓度解像能力下,较高对比的软片,能够解析出较小的曝光量差值(欧阳钟裕,1986),
而就遥测上来说,辐射解像力即为每一像元值所储存的光谱反射值范围,辐射像力的大小,可反应卫星感测器敏感度之高低.
数值影像(digital image)
Drury(1990)指出,数值影像乃是以数码之型式,将影像中各像元之灰度值资料记录於电脑之记忆体或数位储存媒体,因其为数值化之资料格式,故可利用电脑进行影像处理及资料运算,以达改良影像品质及资料分析之目的.一般而言,电脑萤幕上的彩色乃利用R(red)G(green)B(blue)三枪组合不同的RGB亮度而形成,一般电脑的硬体使用256个灰阶(8-bit),即 0(black) ~ 255(bright white),若将256个灰阶对应到不同的颜色(RGB值),则形成假色(Pseudo-colour)影像,此灰阶与假色的对照表称为PCT(Pseudo-colour Table),透过PCT即可重新排列灰阶与假色的对应,达到设色的功能,如此即可於电脑展萤幕上示出原始影像;综合以上各点我们可以说,所有能出现在电脑里的影像图片,都称作数值影像.
影像处理(image processing)
广义之影像处理,是指透过各种化学,物理,统计及电子技术之方法,使影像更为清晰,以提高影像品质之一切处理方法及过程称之,而此处使说之「影像」,是泛指透过各种来源所获得之图像资料,包括传统之相片,图画,以及利用数值格式储存之数位相片,卫星影像等.然而目前一般所谓之影像处理,则专指针对数值影像(digital image)所进行之各种处理,其以数值影像为处理之材料,亦以数值影像为输出之结果,利用电脑可以快速重复大量运算的功能,以数值运算的方法,来达到改善影像品质,修改影像,使画面精致的技巧或产生新的影像的工作,以取代传统的暗房工作(刘定宣,2002).此外,在影像处理的同时,利用一些二元运算的方法,可以进行一些简单几何图形或图像的辨认,或是影像相关等等技术,帮助定位工作的自动化,如内方位,外方位量测等工作.此部分任务以影像本身之灰度值处理为主,并未针对影像进行多余的解释.
电脑视觉(computer vision)
电脑视觉乃利用电子感测器模仿人类的视觉原理,将所获取之影像资料以数码之格式记录於记忆体或资料储存媒体中,以数位影像为输入材料,进行地物特徵的萃取,并非只是灰度值的演算而已(刘定宣,2002).电脑由影像中可以计算出何者为点,何者为线,何者为面等图徵,并予以群组.然而,这些群组只是进行判别的结果,必须再经过适当的判释(interpretation),才能具有意义,此为影像判读,例如到底是道路还是河流,是建物还是广场等等.因此,电脑视觉计算之结果,必须经过人工智慧技术的帮助,来解读资讯的涵义.
参考文献
何维信(1995)航空摄影测量学.大中国图书公司.
欧阳钟裕(1986)遥感探测学测.大中国图书公司.
刘定宣(2002)3D电脑视觉之摄影校正.国立成功大学航空太空工程学研究所硕士论文.
Drury, S. A.,(1990) A Guide to Remote Sensing. Oxford University Press, Oxford.
Thomas, M. L., and R. W. Kiefer(2000)Remote Sensing and Image Interpretation, John Wiley & Sons, Inc.