Základy zvýraznění digitálního obrazového záznamu V této lekci si procvičíme základní techniky zvýraznění digitálního obrazového záznamu (angl. image), který je výsledkem skenování povrchu Země z vesmíru. Jako ukázková data, na nichž budeme cvičné zvýraznění provádět, poslouží data získaná skenerem systému Landsat 7 ETM+. Jedná se o podobrazy (chcete-li podmnožiny obrazu či prostě výřezy), vytvořené při importu digitálního obrazového záznamu pro vybranou scénu (L71189025_02520030421). Data pro tuto scénu jsme získali v předchozím cvičení na stránkách elektronického katalogu Glovis (http://glovis.usgs.gov/). Zvýraznění obrazu budeme provádět v prostředí programu Bilko, který již znáte z minulé lekce. Před zahájením práce bychom tedy měli mít k dispozici dva výřezy z původní obrazové scény L71189025_02520030421 a to soubory jejichž název obsahuje některý z řetězců:
L71189025_02520030421 From (800, 4000) To (2800, 5500)
L71189025_02520030421 From (3000, 5000) To (5000, 6500) Připomeňme si, že tyto na první pohled komplikované názvy souborů jsou složeny
z původního názvu (L71189025_02520030421) souborů obsahujících data scény a dále z řetězců (doplnil je nástroj Bilko) From (800, 4000) To (2800, 5500) případně From (3000, 5000) To (5000, 6500), které vypovídají o rozsahu výřezů vytvořených z původního souboru v předchozím cvičení. Nyní se podívejme na obrazové soubory jednotlivých pásem (kterých je 8) pro oblast nazvanou pracovně Hrubý Jeseník:
L71189025_02520030421_B10 From (800, 4000) To (2800, 5500).DAT
L71189025_02520030421_B20 From (800, 4000) To (2800, 5500).DAT
L71189025_02520030421_B30 From (800, 4000) To (2800, 5500).DAT
L71189025_02520030421_B40 From (800, 4000) To (2800, 5500).DAT
L71189025_02520030421_B50 From (800, 4000) To (2800, 5500).DAT
L71189025_02520030421_B61 From (800, 4000) To (2800, 5500).DAT
L71189025_02520030421_B62 From (800, 4000) To (2800, 5500).DAT
L71189025_02520030421_B70 From (800, 4000) To (2800, 5500).DAT
L71189025_02520030421_B80 From (800, 4000) To (2800, 5500).DAT Obdobně konstruované jsou i názvy obrazových souborů pro jednotlivá pásma výřezu
nazvaného Ostravsko, který pokývá část stejnojmenné oblasti:
L71189025_02520030421_B10 From (3000, 5000) To (5000, 6500).DAT
L71189025_02520030421_B20 From (3000, 5000) To (5000, 6500).DAT
L71189025_02520030421_B30 From (3000, 5000) To (5000, 6500).DAT
L71189025_02520030421_B40 From (3000, 5000) To (5000, 6500).DAT
L71189025_02520030421_B50 From (3000, 5000) To (5000, 6500).DAT
L71189025_02520030421_B61 From (3000, 5000) To (5000, 6500).DAT
L71189025_02520030421_B62 From (3000, 5000) To (5000, 6500).DAT
L71189025_02520030421_B70 From (3000, 5000) To (5000, 6500).DAT
L71189025_02520030421_B80 From (3000, 5000) To (5000, 6500).DAT
Přejmenování vstupních obrazových souborů V této lekci nebudeme pracovat s pásmy, získanými v termálním oboru spektra, protože využití termálních obrazových dat je náplní jedné z následujících lekcí. Dále zjednodušíme, a tedy zkrátíme názvy souborů tak, že je přejmenujeme, abychom z nich odstranili číselně vyjádřený (v souřadnicích řádků a sloupců) rozsah výřezu a naopak do názvu doplníme zkratku HJ (Hrubý Jeseník) resp. OV (Ostravsko). a) Na základě předchozího popisu přejmenujte soubory pro oblast Hrubý Jeseník a pro Ostravsko:
L71189025_20030421_B10_HJ.DAT
(pásmo ETM+1)
L71189025_20030421_B20_HJ.DAT
(pásmo ETM+2)
L71189025_20030421_B30_HJ.DAT
(pásmo ETM+3)
L71189025_20030421_B40_HJ.DAT
(pásmo ETM+4)
L71189025_20030421_B50_HJ.DAT
(pásmo ETM+5)
L71189025_20030421_B70_HJ.DAT
(pásmo ETM+7)
L71189025_20030421_B80_HJ.DAT
(pásmo ETM+8)
L71189025_20030421_B10_OV.DAT
(pásmo ETM+1)
L71189025_20030421_B20_OV.DAT
(pásmo ETM+2)
L71189025_20030421_B30_OV.DAT
(pásmo ETM+3)
L71189025_20030421_B40_OV.DAT
(pásmo ETM+4)
L71189025_20030421_B50_OV.DAT
(pásmo ETM+5)
L71189025_20030421_B70_OV.DAT
(pásmo ETM+7)
L71189025_20030421_B80_OV.DAT
(pásmo ETM+8)
Radiometrické zvýraznění Jedno z těchto pásem nejprve zobrazíme v odstínech šedi, což umožní nejjednodušší pohled na tato obrazová data. Použitá škála šedí reprezentuje digitální hodnoty (DN - digital number), zapsané
v jednotlivých pixelech daného pásma. Tyto digitální hodnoty pak vypovídají o intenzitě elektromagnetického záření, která byla měřena při dopadu záření na příslušný senzor radiometru. Takto naměřená hodnota byla následně zapsána do odpovídajícího pixelu. Nejjednodušší vysvětlení vztahu mezi hodnotami a odstíny šedí vychází z úvahy, že čím světlejší je pozorovaný odstín šedi pixelu, tím vyšší hodnota je v pixelu uložena a naopak tmavší hodnoty šedí vypovídají o nižších hodnotách pixelů. Vzhledem k tomu, že pracujeme s pásmy, jejichž barevná hloubka je 8bit*pixel-1, mohou pixely obrazu nést kteroukoliv hodnotu, pro niž platí: DN<0; 255>. Poznámka: Pixely digitálního obrazového záznamu, pro které DN=0, nereprezentují reálnou obrazovou informaci ze zkoumaného území, nýbrž představují neproduktivní části rastru. Takových pixelů jsme se však zbavili v minulé lekci tím, že jsme vytvořili výřezy, které již nulové hodnoty neobsahují. b) V nabídce programu Bilko zvolte File – Open... a v dialogovém oknu vyhledejte adresář s obrazovými soubory. Dále vyberte soubor (obrázek č. 1), který obsahuje data z výřezu Hrubý Jeseník L71189025_20030421_B10_HJ.DAT pro modré pásmo. Ujistěte se, že nastavení filtru obrazových formátů Files of type zobrazí soubory typu IMAGES (bmp, dat, gif, pcx, bin, hdf, tif, nc, n1). Přepínače Extract a Minimize zůstanou neaktivované a přepínač Apply aktivovaný. Potvrzením výběru Open se data zobrazí v nově otevřeném okně (obrázek č. 2).
Obrázek č. 1
Dialog pro výběr a otevření souboru obrazového rastru
Obrázek č. 2 V pravé části stavového řádku okna programu Bilko jsou zobrazeny hodnoty pixelu, na který ukázal kurzor. Hodnotu 070 vlevo čte Bilko z obrazového souboru a hodnota 072 vpravo odpovídá odstínu šedi, kterým se zobrazuje vybraný pixel. Obraz, který se zobrazí v okně, byl získán v modrém oboru viditelné části spektra. Při jeho pozorování vidíme, že není dostatečně kontrastní a to především v odstínech středních a tmavších šedi. To je způsobeno tím, že reálné hodnoty zapsané v pixelech souboru jsou nízké a lze vysledovat, že patří spíše do „dolní poloviny“ variačního rozpětí. Zastoupení vysokých hodnot v rastru pásma není příliš četné a vnímáme je jako velice malé části obrazu s odstíny šedi blížícími se bílé. Díky převážně tmavším odstínům šedí není obraz dobře čitelný a v této podobě tedy není příliš vhodný pro intepretaci. Důvodem je režim prohlížení obrazu kdy Bilko beze změny zobrazuje takové odstíny šedí, které odpovídají číselným kódům v obrazovém souboru. Přesvědčíme se o tom. c) Ukažte kurzorem na kterýkoliv pixel tak, že přesunete šipku kurzoru nad pixel a stiskněte levé tlačítko myši. Bilko zobrazí v posledních dvou polích stavového řádku jednak odpovídající hodnotu pixelu zapsanou v souboru a současně též hodnotu, která se zobrazuje (jako intenzita šedi) na displeji. Přesvědčte se o tom kontrolou hodnot na stavovém řádku (obrázek č. 2). Najdete v dolní části hlavního okna programu Bilko. V tomto režimu zobrazení jsou obě hodnoty pro vybraný pixel totožné. Škálu šedí, které program Bilko poskytuje pro zobrazení, vidíme ve spodní části okna s obrazem pásma L71189025_20030421_B10_HJ.DAT.
Technicky velice snadné je inverzní zobrazení, při kterém jsou nižší hodnoty pixelů transformovány na světlejší odstíny šedí a naopak. Toho lze v programu Bilko dosáhnout nástrojem pro výběr podmnožiny obrazu s inverzním zobrazením. d) V panelu nástrojů vyberte ikonu
nástroje Block a požadovaný blok následně vymezte
myší zadáním dvou protilehlých vrcholů pravoúhelníku (obrázek č. 3).
Obrázek č. 3
Podmnožina obrazu s inverzním zobrazením, vymezená nástrojem Block.
Možnost prohlížení obrazu vybraného pásma lze usnadnit zlepšením kontrastu. Abychom toho docílili, nemusíme měnit DN v obrazovém souboru neboť program Bilko (a dokáží to i jiné programové nástroje) transformuje DN při zobrazení na displeji v reálném čase tak, aby se co nejlépe využila škála šedí, které jsou k dispozici. Tato technika se nazývá radiometrické zvýraznění, v prostředí Bilko se provádí několik jejích variant, které lze ovlivnit parametry odvozenými pro vybranou část obrazu. e) V panelu vyberte ikonu
nástroje Box a následně požadovanou podmnožinu obrazu
vymezte kurzorem tak, že zadáte dva protilehlé vrcholy pravoúhelníku . f) V nabídce vyberte Stretch – Options... a ověřte si, jak jsou nastaveny parametry (AutoLinear, Equalize & Gaussian, Gaussian), ovlivňující radiometrické zvýraznění a zda je aktivováno (Apply stretches to charts) použití takto nastavených parametrů při jednotlivých typech automatických zvýrazňovacích operací.
g) Z nabídky vyberte Stretch – Auto Linear a povšimněte si, jak se změnil kontrast obrazu. h) Podobně vyzkoušejte z nabídky Stretch – Equalize a dále ještě i Stretch – Gaussian a sledujte, jak se změní kontrast obrazu (obrázek č. 4).
Obrázek č. 4
Ukázka zvýraznění kontrastu funkcí Stretch s parametrem Gaussian
Nakonec si vyzkoušíme ještě radiometrické zvýraznění, které bude kompletně pod naší kontrolou. i)
Po výběru Stretch – Auto Manual z nabídky se otevře okno nazvané Stretch (obrázek č. 5), v němž jsou vykresleny vodorovná osa definičního oboru s DN načtenými z obrazového souboru, dále svislá osa oboru hodnot, kterou je zobrazovaná hodnota šedi. Dále je zde vykreslena i lineární funkce, na základě níž se DN pixelů transformují na hodnoty šedi. V počátečním stavu se jedná se o funkci, která svírá úhel 45° s osami a hodnoty tedy transformuje beze změny.
j)
Proveďme modifikaci průběhu funkce, zajišťující popisovanou transformaci hodnot. Umístěme šipku kurzoru na linii vykreslené funkce a proveďme dvojklik levým tlačítkem myši. Vložený bod, rozdělující linii funkce na dvě samostatné navazující úsečky, posuňme šipkou kurzoru na nové místo a sledujme změnu kontrastu zvýrazňovaného rastru. Dvojklik provedený levým tlačítkem myši na vloženém bodu tento bod odstraní a funkce se změní do původního stavu.
Obrázek č. 5
Ukázka úpravy lineárního zvýraznění po částech
Předchozí operací jsme prováděli lineární zvýraznění po částech, kdy jeden z intervalů byl zvýrazněn první lineární funkcí a následující interval druhou lineární funkcí (obrázek č. 6). Použití této metody zvýraznění kontrastu, vyžaduje dostatečnou zkušenost zpracovatele. Kterýkoliv z dosažených výsledků zvýraznění je možno uložit jako ve formátu STR (od stretch). Takový soubor však neobsahuje zvýrazněná obrazová data, která by bylo možno použít samostatně. Jedná se spíše o popis, podle něhož je možno v prostředí Bilko zopakovat zvýrazňovací operaci s totožnými parametry. k) Postupem, který již známe z předchozích kroků, ověříme, že po provedeném zvýraznění se hodnota šedi vybraného pixelu liší od hodnoty DN, která zůstala beze změny uložena v obrazovém souboru. Nelze říci, že existuje univerzální návod, jak provést radiometrické zvýraznění, které by vyhovovalo všem potřebám zpracovatele. Konkrétní parametr a jeho nastavení se volí podle požadovaného výsledku. Výběrem vhodné operace jsme dosáhli potřebného radiometrického zvýraznění a nyní vidíme obraz jako kontrastnější, čitelnější, vhodnější pro vizuální interpretaci.
Obrázek č. 6
Ukázka úpravy lineárního zvýraznění po částech
Spektrální zvýraznění Obrazová data jednotlivých pásem obou výřezů jsme doposud prohlíželi zobrazená v odstínech šedé barvy. Nyní však můžeme využít znalosti, které přináší digitální teorie barev a možnosti grafického subsystému počítače. Libovolnou trojici obrazových pásem, kterou vybereme z ETM+1, ETM+2, ETM+3, ETM+4, ETM+5 a ETM+7, můžeme použít pro vytvoření tzv. kompozice. Přiřazením právě jednoho barevného kanálu RGB (Red Green Blue), který poskytuje grafický subsystém počítače, každému z trojice obrazových pásem, se na displeji zobrazují výsledné barvy. Jsou vytvořeny na základě RGB barevného modelu metodou aditivního míchání tří složek viditelné části spektra. Určitě to připomene barevnou digitální fotografii, která je rovněž kompozicí zobrazující tři barevná pásma. Kombinací pásem ETM+1, ETM+2 a ETM+3 a přiřazením odpovídajících barevných kanálů podle schématu:
ETM+1 (modrý obor EMG spektra) se zobrazí přes B kanál
ETM+2 (zelený obor EMG spektra) se zobrazí přes G kanál
ETM+3 (červený obor EMG spektra) se zobrazí přes R kanál vytvoříme kompozici v pravých barvách (true color composition). Kompozice v pravých
barvách je speciálním případem v množství dalších možných kombinací, neboť podáním barev se nejvíce přibližuje skutečným barvám.
l)
V nabídce programu Bilko zvolte File – Open..., v dialogovém oknu vyhledejme adresář s obrazovými soubory. Vyberme soubory, které obsahují data pro pásma ETM+1, ETM+2, ETM+3, ETM+4, ETM+5 a ETM+7. Soubor pro panchromatické pásmo ETM+8 pro toto zpracování nepoužijeme. Ujistíme se, že nastavení filtru obrazových formátů Files of type zobrazí soubory typu IMAGES (bmp, dat, gif, pcx, bin, hdf, tif, nc, n1). Přepínače Extract a Minimize zůstanou neaktivované a přepínač Apply aktivovaný. Potvrzením výběru Open se data každého pásma zobrazí v samostatném oknu.
m) Dále vybereme z nabídky Image – Connect..., a v seznamu souborů, který zobrazí dialogové okno vyberte všech 6 položek, tedy pásem, která budou spojena do skupiny souborů obrazových rastrů. To se podaří, jestliže máme aktivovaný přepínač Stacked. Parametrům Rows: a Blanks: ponecháme implicitní hodnoty a potvrdíme klávesou OK. n) Postupně volíme každou ze šesti položek, uspořádaných v ovládacím prvku Combo box, a přepínáme mezi zobrazením pásem. o) Dále z nabídky vybereme Image – Connect..., a v seznamu souborů, který zobrazí dialogové okno vyberte 3 položky - pásma ETM+1, ETM+2 a ETM+3, z nichž následně vytvoříme kompozici v pravých barvách. Dektivujeme přepínač Stacked, parametrům Rows: a Blanks: ponecháme implicitní hodnoty a potvrdíme klávesou OK. p) V jednom z oken, které se následně otevře, jsou zobrazena všechna tři vybraná pásma ETM+1, ETM+2 a ETM+3. Druhé okno, označené jako Selector, nabízí tři tlačítka, kterými zobrazeným pásmům přiřadíme odpovídající barevný kanál ETM+1, ETM+2 a ETM+3 (obrázek č. 7).
Obrázek č. 7
Okno spojující pásma ETM+1, ETM+2 a ETM+3 před vytvořením kompozice v pravých barvách
q) Z nabídky programu vybereme operaci Image – Composite, která na základě provedených nastavení vytvoří požadovanou barevnou kompozici a zobrazí ji v novém oknu (obrázek č. 8).
Obrázek č. 8
Výsledná kompozice v pravých barvách
Poznámka: Jednotlivé rastry ve skupině či zásobníku (angl. stack) se zobrazují samostatně, každý ve vlastním oknu. Stejný technický princip nám umožní vizualizovat i zbývající pásma ETM+4, ETM+5 a ETM+7, která byla získána s využitím elektromagnetického záření vlnových délek, na něž náš zrak není citlivý. Vytvoříme-li kompozici jako kombinaci trojice kterýchkoliv z těchto tří pásem, vznikne kompozice v nepravých barvách (false color composition). Tyto typy barevných kompozic zvýrazňují určité typy krajinného pokryvu, určité materiály či objekty, které při jiné kombinaci zobrazovaných pásem nemusí být dostatečně zřetelné či dokonce viditelné. Kompozice v nepravých barvách tedy může vzniknout kombinací kterýchkoliv tří pásem, která z následujících ETM+1, ETM+2, ETM+3, ETM+4, ETM+5 a ETM+7 pro tento účel vybereme. Zkusme tedy zobrazit pásma ETM+3, ETM+4 a ETM+5 jako kompozici v nepravých barvách tak, že je přiřadíme barevným kanálů RGB podle schématu:
ETM+3 (červený obor EMG spektra) se zobrazí přes R kanál,
ETM+4 (obor blízkého infračerveného záření) se zobrazí přes G kanál,
ETM+5 (obor středního infračerveného záření) se zobrazí přes B kanál.
r) Dále z nabídky vybereme Image – Connect..., a v seznamu souborů, který zobrazí dialogové okno vyberte 3 položky - pásma ETM+3, ETM+4 a ETM+5, z nichž následně vytvoříme kompozici v nepravých barvách. Deaktivujeme přepínač Stacked, parametrům Rows: a Blanks: ponecháme implicitní hodnoty a potvrdíme klávesou OK. s) V jednom z oken, které se následně otevře, jsou zobrazena všechna tři vybraná pásma ETM+3, ETM+4 a ETM+5. Druhé okno, označené jako Selector, nabízí tři tlačítka, kterými zobrazeným pásmům přiřadíme odpovídající barevný kanál ETM+3, ETM+4 a ETM+5 (obrázek č. 9).
Obrázek č. 9 t)
Okno spojující pásma ETM+3, ETM+4 a ETM+5 před vytvořením kompozice v nepravých barvách
Z nabídky programu vybereme operaci Image – Composite, která na základě provedených nastavení vytvoří požadovanou barevnou kompozici a zobrazí ji v novém oknu (obrázek č. 10).
Obrázek č. 10 Výsledná barevná kompozice v nepravých barvách Podobně můžeme z pásem ETM+1, ETM+2, ETM+3, ETM+4, ETM+5 a ETM+7 vybrat jinou trojici a jejich vhodnou kombinací vytvořit další kompozici v nepravých barvách např. podle schématu. Výsledkem je vždy nový pohled na data výřezu. Obvykle se tak podaří zvýraznit jiné objekty či jevy ve zkoumaném území a jejich barevné podání je u každé kompozice poněkud odlišné. Užitečné náměty jak využít barevných kompozic pro zvýraznění některých typů pokryvu, nabízí odborná literatura nebo zdroje na www stránkách specializovaných institucí. Příkladem jsou stránky: http://zulu.ssc.nasa.gov/mrsid/tutorial/Landsat%20Tutorial-V1.html.
Samostatné cvičení
Proveďte zobrazení dat pro oblast Ostravsko a využijte stejné zvýrazňovací operace, které jste si vyzkoušeli v průběhu tohoto samostatného cvičení.
Navíc vytvořte dvě kompozice v nepravých barvách, které vám pomohou „zviditelnit“ objekt či jev, jehož výskyt ve zkoumaném území dokážete sami interpretovat. Správnost interpretace si ověřte pochůzkou v terénu a porovnáním s jinými zdroji informací.
