Разрешение камер промышленных дронов: три важных аспекта

Разрешение изображения

Разрешение изображения может иметь несколько значений. Это главный вопрос для многих задач, требующих высокого качества данных. Но что такое хорошее разрешение? Как его количественно оценить? Это просто вопрос камеры беспилотника, или это также связано с вашими навыками пилотирования и правильным использованием дрона? В этой статье мы представляем три важных показателя для описания разрешения камеры беспилотного летательного аппарата. Чтобы проиллюстрировать эти понятия, мы будем ссылаться на квадрокоптеры, которые мы знаем лучше всего – камеры наших промышленных противоударных дронов Elios 1 и Elios 2.

Разрешение пикселей

Разрешение изображения в пикселях – это количество пикселей, составляющих изображение. Он выражается числом столбцов и строк,  1920 x 1080, или непосредственно общим числом пикселей, 2,1 МП (1920 x 1080 = 2’073’600).

Разрешение изображения это фундаментальная единица всех цифровых изображений, оно показывает, насколько большим является изображение, но, само по себе, оно мало говорит о том, насколько большой объект появляется на изображении, или каков уровень детализации вы можете наблюдать на изображении. Чтобы ответить на эти вопросы, у нас есть лучшие показатели, такие как шаг сканирования и пространственное разрешение.

Шаг сканирования (GSD)

Шаг сканирования (GSD), в мм/px, представляет собой расстояние между центрами двух соседних пикселей, измеренное на наблюдаемом объекте. GSD 1 мм/px означает, что один пиксель на изображении представляет 1 мм в реальном мире. Меньший GSD означает, что объект будет казаться больше, и что меньшие детали будут различимы на изображении.

В отличие от разрешения пикселей, GSD зависит от расстояния между камерой и объектом: GSD улучшается (меньшие значения), когда камера приближается к объектам. С объективом рыбий глаз, GSD также зависит от положения объекта в изображении. Объекты в центре изображения имеют меньший GSD (они кажутся больше), а объекты в углах имеют более высокий GSD (они кажутся меньше).

На этом рисунке показано, как изменяется GSD на изображении, когда промышленный дрон Elios 2 обращен к плоской вертикальной стене. Он был получен путем автоматического измерения размера, по изображению регулярной сетки рисунка на стене.

Шаг сканирования является важной метрикой, которую следует учитывать при фотограмметрии и измерениях на изображениях. Однако он не полностью описывает способность обнаруживать и характеризовать объект или дефект в изображении.

Рассмотрим два снимка, сделанных одной и той же камерой и на одинаковом расстоянии от объекта. Оба изображения имеют одинаковое разрешение пикселей и GSD. Однако в одном случае освещение было недостаточным, и камера должна была увеличить либо значение ISO, либо время экспозиции, чтобы сохранить правильную экспозицию. Высокий ISO создаёт шум изображения, а длительное время экспозиции создаёт размытие движения при перемещении камеры. Это снижает качество изображения, а со временем и способность различать мелкие детали на изображении.

Два изображения в верхней части имеют одинаковое разрешение пикселей и одинаковый GSD - они были сделаны противоударным дроном Elios 2 на одинаковом расстоянии. На фото крупным планом (внизу) мы видим, что на изображение справа влияет размытие движения, уменьшая уровень детализации изображения по сравнению с левым изображением, где дрон был стабильным.

Пространственное разрешение

Пространственное разрешение, или угловое разрешение, описывает мельчайшие детали, которые видны на изображении. В отличие от теоретического GSD, пространственное разрешение может быть выражено в другой единице, которая учитывает размытие, шум изображения, контраст и обработку изображения в целом: сжатие, шумоподавление, резкость края и т. д. Таким образом, пространственное разрешение является подходящей метрикой для количественной оценки способности обнаруживать и характеризовать объект на изображении.

Пространственное разрешение часто выражается в «‎парах линий на миллиметр». Этот шаблон используется для описания пространственной частоты чередующихся черно-белых линейных узоров.

Слева: рисунок с частотой 2,5 ЛП / мм. Справа: 5 ЛП / мм

Пространственное разрешение 2 ЛП / мм указывает на то, что на изображении можно различить шаблон с двумя циклами на миллиметр (две чёрные и две белые линии). Шаблон с более высокой частотой будет казаться серым, потому что чёрные и белые линии будут смешиваться вместе на изображении. В этом случае мы говорим, что шаблон не разрешен.

Снимок изображения, сделанного противоударным квадрокоптером Elios 2 (видео 4K) на расстоянии 300 мм от шаблона USAF 1951. Наименьшим разрешенным элементом является элемент 1, Группа 1 (обозначается зеленой стрелкой). В элементе 2 (чуть ниже) контраст начинает значительно уменьшаться, и отдельные линии не могут быть различены.

Пространственное разрешение обычно выше в центре изображения, чем на краях и углах, где объектив имеет более низкое качество. Кроме того, пространственное разрешение является изотропной (направленной) характеристикой. Вертикальные и горизонтальные шаблоны линий не могут быть разрешены одинаково.

Пространственное разрешение также зависит от расстояния фокусировки камеры и глубины резкости. На камере дрона Elios 2 самое высокое пространственное разрешение достигается, когда объект находится на расстоянии от 15 до 30 см от камеры. Если объект находится ближе, он будет казаться больше на изображении (ниже GSD), но он будет не в фокусе и казаться размытым, что уменьшает пространственное разрешение.

Для лучшего пространственного разрешение, по причине, упомянутой выше, очень важно знать кратчайшее фокусное расстояние камеры дрона, и оставаться на этом расстоянии во время проведения съёмки. Для того чтобы помочь пилоту лететь на оптимальном расстоянии от проверяемого объекта, противоударный дрон Elios 2 имеет функцию фиксации расстояния (distance lock), а на пульте управления Elios 2) показывается расстояние ELIOS-объект и шаг GSD (в mm/px). Пространственное разрешение обозначается средним значением цветового кода, как описано в таблице ниже.

Обратите внимание, что маленькие экраны уменьшают восприятие размытости изображения, потому что изображение масштабируется до разрешения экрана. На планшете, используемом для управления дроном Elios 2 у вас может возникнуть соблазн пролететь на 15-20 см, не заметив размытия изображения. Но имейте в виду, что записанное видео 4K будет более резким и чётким, если вы останетесь на 30 см.

В дополнение к соответствующему расстоянию, следующие условия улучшают пространственное разрешение и качество изображения в целом:

• Большое количество света так, что ISO камеры будет низок, а выдержка короткая
• Стабилизируйте дрон для уменьшения размытости движения
• Очистите объектив камеры – отпечатки пальцев на объективе также делают изображение размытым и могут вызвать блики!

Больше чем разрешение

Пространственное разрешение является важным показателем для оценки качества изображения и способности обнаруживать или характеризовать интересующие объекты во время визуального осмотра. Однако важную роль играют и другие факторы:

• Техника освещения
• Цвета (контраст, баланс белого и др.)
• Возможность наблюдать объект с разных ракурсов
• Качество экрана

Упомянутые выше моменты действительно выходят за рамки разрешения камеры и зависят от оборудования дрона в целом. Небольшой размер противоударного квадрокоптера Elios 2 и его способность выдерживать столкновения, позволяют ему получить доступ к объекту и наблюдать его с разных углов. Также, уникальная система LED освещения улучшает восприятие деталей и облегчает обнаружение дефектов. Эти функции составляют хорошую часть способности противоударного дрона Elios 2 в защитном каркасе обнаруживать и распознавать интересующие вас объекты.

С некоторой практикой вы улучшите свои навыки пилотирования, и сосредоточите свое внимание на сборе данных, а не на навигации. Имея в виду концепции, описанные в этой статье, вы значительно улучшите качество съёмки.