RU2628991C1 - Method of determination of surface albedo - Google Patents
Method of determination of surface albedo Download PDFInfo
- Publication number
- RU2628991C1 RU2628991C1 RU2016120113A RU2016120113A RU2628991C1 RU 2628991 C1 RU2628991 C1 RU 2628991C1 RU 2016120113 A RU2016120113 A RU 2016120113A RU 2016120113 A RU2016120113 A RU 2016120113A RU 2628991 C1 RU2628991 C1 RU 2628991C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- brightness
- albedo
- photo
- determined
- data
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной, фото- и видеотехнике, гидрометеорологическому оборудованию и методам контроля параметров лучистого теплообмена на исследуемых поверхностях, и может быть использовано при определении альбедо поверхности.The invention relates to measuring, photo and video equipment, hydrometeorological equipment and methods for monitoring the parameters of radiant heat transfer on the studied surfaces, and can be used to determine the albedo of the surface.
Тепловой баланс поверхности - одно из ключевых слагаемых многих моделей, описывающих атмосферную и океаническую циркуляции, процессы роста и таяния льда, прогнозы «поведения» вечной мерзлоты, что делает его точный расчет крайне важным для получения репрезентативной и актуальной информации «на выходе» моделирования. В свою очередь, тепловой баланс поверхности зависит от альбедо - характеристики отражательной способности поверхности.The thermal balance of the surface is one of the key components of many models describing atmospheric and oceanic circulation, ice growth and melting processes, forecasts of permafrost “behavior”, which makes its accurate calculation extremely important for obtaining representative and relevant information “at the output” of the simulation. In turn, the thermal balance of the surface depends on the albedo - the characteristics of the reflectivity of the surface.
На сегодняшний день, несмотря на высокую значимость характеристики альбедо при вычислении энергетического баланса поверхностей и моделировании гидрометеорологических параметров, in situ измерения альбедо выполняются трудо- и времязатратными методами непосредственного инструментального измерения в конкретных точках, например, при помощи пиранометров. Они лишены возможности оперативных точечных измерений на больших площадях. Это накладывает большие ограничения на объемы накопленных данных о характеристике альбедо, точность входных параметров моделей, учитывающих этот параметр, и, как следствие, - результаты самого моделирования. Спутниковые наблюдения, в свою очередь, обладают более низкой точностью и большим пространственным масштабом измерений, сильно зависят от совпадения метеорологических условий в районе наблюдений со временем пролета ИСЗ, способного выполнить эти измерения, над районом измерений.Today, despite the high importance of the albedo characteristics in calculating the energy balance of surfaces and modeling hydrometeorological parameters, in situ measurements of albedos are carried out using time-consuming and time-consuming direct instrumental measurements at specific points, for example, using pyranometers. They are deprived of the possibility of on-line spot measurements over large areas. This imposes great restrictions on the volume of accumulated data on the albedo characteristic, the accuracy of the input parameters of models taking this parameter into account, and, as a result, the results of the simulation itself. Satellite observations, in turn, have lower accuracy and a large spatial scale of measurements, strongly depend on the coincidence of meteorological conditions in the observation area with the time of passage of the satellite capable of performing these measurements over the measurement area.
Из уровня техники известен способ определения альбедо, включающий актинометрические наблюдения с измерением падающей на ограниченный фрагмент отражающей поверхности суммарной радиации, определения альбедо по отношениям отраженной радиации к падающей, при этом перед измерениями фиксируют исследуемый ограниченный фрагмент и концентрично ему располагают приспособление для стабилизации отражения, затем производят измерения суммарной падающей радиации или ее составляющих, прямой и рассеянной радиаций, а также отраженной радиации, при этом в составе отраженной радиации измеряют совместные потоки радиации, отраженной от исследуемого фрагмента, от стабилизированной фоновой кольцевой накладки, а также неорганизованного фона за контуром кольцевой фоновой накладки, обрабатывают результаты измерений и определяют значение альбедо Aизм I по определенной формуле:The prior art method for determining albedo, including actinometric observations with the measurement of the total radiation incident on a reflecting surface of the reflecting surface, determining the albedo by the ratio of reflected radiation to incident, the studied limited fragment is fixed before measurements and a device is used concentrically to stabilize the reflection, then produce reflection stabilization measuring the total incident radiation or its components, direct and scattered radiation, as well as reflected radiation, at this, as part of the reflected radiation, measure the joint fluxes of radiation reflected from the studied fragment from the stabilized background ring lining, as well as the disorganized background behind the contour of the ring background lining, process the measurement results and determine the albedo value A ism I according to a certain formula:
затем закрывают исследуемый фрагмент круглым вкладышем с альбедо фона, производят повторные измерения по крайней мере отраженной радиации и после обработки результатов измерений определяют второе значение альбедо Aизм II, учитывающее совместное влияние потоков, затем находят разность измеренных Aизм I и Aизм II с учетом угловых характеристик их влияния на показания прибора и определяют истинное значение альбедо исследуемого фрагмента по формуле
Недостатком известного способа является сложность определения альбедо, необходимость использования сложного и/или дорогостоящего оборудования, высокая инерционность и, как следствие, невозможность быстрого и оперативного сбора данных на больших площадях исследуемых поверхностей, отсутствие возможности дистанционного применения и автоматизации сбора данных.The disadvantage of this method is the difficulty in determining the albedo, the need to use complex and / or expensive equipment, high inertia and, as a consequence, the inability to quickly and efficiently collect data on large areas of the studied surfaces, the lack of remote application and automation of data collection.
Задачей изобретения является создание способа простого и оперативного сбора данных об исследуемых поверхностях при помощи доступных технических средств для оперативного определения их альбедо.The objective of the invention is to provide a method for simple and quick data collection on the surfaces under study using available technical means for the rapid determination of their albedo.
Задача изобретения решается благодаря способу определения альбедо поверхностей, заключающемуся в том, что с помощью актинометрического устройства измеряют суммарную радиацию Q в зоне исследуемой поверхности, определяют яркость L исследуемой поверхности и определяют значение альбедо А исследуемой поверхности по математической зависимости:The objective of the invention is solved by the method for determining the albedo of surfaces, which consists in the fact that using an actinometric device measure the total radiation Q in the area of the test surface, determine the brightness L of the test surface and determine the albedo A of the test surface by mathematical dependence:
А=αL+βQ+γ, гдеA = αL + βQ + γ, where
α, β, γ - коэффициенты уравнения регрессии.α, β, γ are the coefficients of the regression equation.
Коэффициенты уравнения регрессии α, β, γ могут определять расчетным путем по результатам определения яркости эталонной поверхности с известным альбедо и измерении суммарной радиации в зоне эталонной поверхности.The coefficients of the regression equation α, β, γ can be determined by calculation based on the results of determining the brightness of the reference surface with a known albedo and measuring the total radiation in the area of the reference surface.
Яркость эталонной поверхности могут определять с помощью устройства для измерения яркости или с помощью фоторегистрирующего устройства.The brightness of the reference surface can be determined using a device for measuring brightness or using a photo-recording device.
Кроме того, коэффициенты уравнения регрессии α, β, γ могут определять методом математического моделирования.In addition, the coefficients of the regression equation α, β, γ can be determined by mathematical modeling.
Яркость L исследуемой поверхности могут определять с помощью устройства для измерения яркости.The brightness L of the test surface can be determined using a device for measuring brightness.
Кроме того, яркость L исследуемой поверхности могут определять путем ее съемки с помощью фоторегистрирующего устройства, при этом значение яркости L определяют по математической зависимости:In addition, the brightness L of the test surface can be determined by shooting it using a photo-recording device, while the brightness value L is determined by the mathematical dependence:
L=L'Kэксп, гдеL = L'K exp , where
Kэксп - коэффициент нормирования, равный ln/l128>где ln - яркость снимка в пространстве RGB, l128 - средняя яркость снимка в пространстве RGB, равная 128;K exp is the normalization coefficient equal to l n / l 128 > where l n is the brightness of the image in the RGB space, l 128 is the average brightness of the image in the RGB space, equal to 128;
L' - яркость снимка исследуемой поверхности, равная GN2/qtS, где G - коэффициент методики экспозиционного индекса;L 'is the brightness of the image of the investigated surface, equal to GN 2 / qtS, where G is the coefficient of the exposure index technique;
N - диафрагменное число фоторегистрирующего устройства;N is the aperture number of the photo-recording device;
q - коэффициент, характеризующий параметры объектива фоторегистрирующего устройства;q is the coefficient characterizing the parameters of the lens of the photo-recording device;
t - выдержка фоторегистрирующего устройства, с;t is the shutter speed of the photo-recording device, s;
S - эквивалентная светочувствительность фоторегистрирующего устройства, единицы ISO.S is the equivalent photosensitivity of the photo recorder, ISO units.
Съемку исследуемой поверхности и измерение суммарной радиации Q в ее зоне осуществляют, преимущественно, с соблюдением горизонтальности и взаимной параллельности исследуемой поверхности, плоскостей чувствительного элемента актинометрического устройства и светочувствительного элемента фоторегистрирующего устройства.The surveyed surface is surveyed and the total radiation Q in its zone is measured, mainly observing the horizontalness and mutual parallelism of the investigated surface, the planes of the sensing element of the actinometric device and the photosensitive element of the photo-recording device.
Съемку исследуемой поверхности и измерение суммарной радиации Q осуществляют, преимущественно, одновременно.Surveyed surface survey and measurement of total radiation Q are carried out mainly simultaneously.
Техническим результатом изобретения является снижение трудоемкости определения альбедо поверхностей, уменьшение временных затрат на сбор данных об исследуемых поверхностях за счет сокращения числа необходимых операций, а также за счет возможности дистанционного и автоматизированного сбора данных об исследуемых поверхностях с помощью простой и доступной аппаратуры.The technical result of the invention is to reduce the complexity of determining the albedo of surfaces, reduce the time required to collect data on the surfaces to be studied by reducing the number of necessary operations, and also due to the possibility of remote and automated data collection on the surfaces to be studied using simple and affordable equipment.
Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на фиг. 1 показано использование технического решения на примере фотоаппарата и пиранометра для сбора данных об исследуемой поверхности; на фиг. 2 показан пример состояния поверхности льда Онежского озера во время осуществления измерений (ЭФР 31,21 мм, дистанция съемки ~1,5 м); на фиг. 3 показан график изменчивости наблюденного и исчисленных альбедо на разных точках полигона; на фиг. 4 показан график линейной регрессии альбедо и нормированной яркости объекта съемки (исследуемой поверхности) по данным эксперимента; на фиг. 5 показан график изменчивости альбедо наблюденного и альбедо исчисленного разными методами по данным снимков на разных точках экспериментального полигона.The invention is illustrated using the drawings, where in FIG. 1 shows the use of a technical solution using the example of a camera and a pyranometer for collecting data on the surface under study; in FIG. Figure 2 shows an example of the state of the ice surface of Lake Onega during measurements (EGF 31.21 mm, shooting distance ~ 1.5 m); in FIG. Figure 3 shows a graph of the variability of the observed and calculated albedos at different points of the polygon; in FIG. 4 shows a graph of linear albedo regression and normalized brightness of the subject (test surface) according to the experiment; in FIG. Figure 5 shows a graph of the variability of the albedo observed and the albedo calculated by different methods according to images at different points of the experimental test site.
Способ определения альбедо поверхности, согласно предложенному изобретению, заключается в том, что для определения альбедо А исследуемой поверхности определяют суммарную радиацию Q в зоне исследуемой поверхности, а также определяют яркость L исследуемой поверхности. После определения параметров Q и L (суммарной радиации и яркости исследуемой поверхности), определяют значение альбедо А исследуемой поверхности по математической зависимости:The method for determining the albedo of a surface according to the proposed invention is that to determine the albedo A of the test surface, the total radiation Q in the area of the test surface is determined, and the brightness L of the test surface is also determined. After determining the parameters Q and L (total radiation and brightness of the test surface), determine the value of the albedo A of the test surface by mathematical dependence:
, ,
где α, β, γ - коэффициенты уравнения регрессии, определенные либо методом математического моделирования, либо эмпирически, т.е. полученные расчетным путем по результатам определения яркости эталонной поверхности с известным альбедо и измерении суммарной радиации в зоне эталонной поверхности.where α, β, γ are the coefficients of the regression equation, determined either by the method of mathematical modeling or empirically, i.e. obtained by calculation based on the results of determining the brightness of the reference surface with a known albedo and measuring the total radiation in the area of the reference surface.
Суммарная радиация Q в зоне исследуемой поверхности, а также в зоне эталонной поверхности измеряется с помощью актинометрического устройства, например, пиранометра М80-м (или любого другого актинометрического устройства).The total radiation Q in the area of the investigated surface, as well as in the area of the reference surface, is measured using an actinometric device, for example, an M80-m pyranometer (or any other actinometric device).
Яркость L исследуемой поверхности, а также яркость эталонной поверхности может быть определена с помощью любого устройства для измерения яркости, например, яркомера.The brightness L of the test surface, as well as the brightness of the reference surface can be determined using any device for measuring brightness, for example, a brightness meter.
Также яркость L исследуемой поверхности и эталонной поверхности может быть определена путем ее съемки с помощью фоторегистрирующего устройства (фотоаппарата 1, либо фотокамеры, встроенной в любое техническое устройство, например, мобильный телефон, смартфон, планшет и т.п.).Also, the brightness L of the test surface and the reference surface can be determined by shooting it using a photo-recording device (
За последние годы очень сильно развился технический прогресс на уровне электробытовых устройств. Появилось многочисленное количество и виды фотокамер, которые встраиваются в огромное количество электробытовых портативных устройств, и подразделяются на большое количество разновидностей: зеркальные, беззеркальные, компактные, камеры светового поля и пр. На волне этого прогресса эволюционировала и цифровая фотография. Повысилась прецизионность фотокамер как оборудования даже на уровне потребительской техники, возникли новые международные стандарты экспонометрии, соответствующие реалиям современности. Все это позволяет рассматривать фотоаппарат как измерительный прибор с богатым потенциалом применения.In recent years, technological progress has developed very much at the level of household appliances. A large number and types of cameras have appeared, which are built into a huge number of household electrical portable devices, and are divided into a large number of varieties: SLR, mirrorless, compact, light field cameras, etc. Digital photography has also evolved in the wake of this progress. The precision of cameras as equipment has increased even at the level of consumer technology, new international exposure metering standards have emerged that correspond to the realities of our time. All this allows us to consider the camera as a measuring device with a rich application potential.
Современные фотоаппараты, независимо от сложности их конструкции и применяемой технологии, содержат ключевые элементы: объектив, затвор, светочувствительную поверхность (матрицу); и подчиняются все тем же давно изученным законам экспозиции и взаимозаместимости. Одновременно с непрерывным усовершенствованием конструкций и возрастающей точностью работы фотоаппаратов, происходит стандартизация и усовершенствование методов построения изображения и его правильного экспонирования. Международная организация по стандартизации (ISO) - крупнейшая организация, занимающаяся выпуском рекомендаций и стандартов, применяемых в разных отраслях по всему миру, впервые выпустила стандарт для цифровой фотографии, устанавливающий зависимость между величиной сигналов матрицы и конкретными экспозиционными индексами в 1998 году. Это сыграло определенную роль в унификации и приведении большого количества выпускавшихся после публикации стандарта моделей цифровых фотоаппаратов к единым принципам оценки экспозиции и светочувствительности, и позволило избежать усложнения и путаницы в методологии и терминологии. Этот стандарт явился своего рода СИ цифровой фотографии. В 2006 году стандарт был усовершенствован и дополнен (редакция ISO 12232:2006, подтвержденная в 2015 году «Фотографии. Цифровые фотокамеры. Определение экспозиционного индекса, значений светочувствительности по ИСО, стандартной чувствительности на выходе и рекомендуемого экспозиционного индекса»).Modern cameras, regardless of the complexity of their design and the technology used, contain the key elements: lens, shutter, photosensitive surface (matrix); and obey all the same long-studied laws of exposure and interchangeability. Along with the continuous improvement of designs and increasing accuracy of cameras, standardization and improvement of methods for constructing an image and its correct exposure. The International Organization for Standardization (ISO), the largest organization issuing recommendations and standards applied in various industries around the world, first released a standard for digital photography, which establishes the relationship between the magnitude of matrix signals and specific exposure indices in 1998. This played a role in unifying and bringing a large number of digital camera models produced after the publication of the standard to common principles for assessing exposure and photosensitivity, and avoided complications and confusion in methodology and terminology. This standard was a kind of SI digital photography. In 2006, the standard was improved and supplemented (revision of ISO 12232: 2006, confirmed in 2015 "Photographs. Digital cameras. Determination of exposure index, ISO sensitivity values, standard output sensitivity and recommended exposure index").
С учетом стандартизации процессов экспонометрии и приведения фотографии к единым стандартам, а также повышения точности фототехники и качества снимков, логичным является вопрос о возможности применения современных фотоаппаратов как регистраторов не только событий, но и параметров снимаемых объектов как структурных, так и яркостных. Зачастую снимки являются единственными материалами, которые могут позволить оценить те или иные параметры снимаемой поверхности, а дефицит или неисправность оборудования ставит под сомнение возможность осуществления измерений альбедо поверхности - очень важного параметра при расчете энергетического баланса поверхности, важность которого, в свою очередь, сложно переоценить. Цифровая фотография дает возможность практического ее применения для определения альбедо снимаемой поверхности.Given the standardization of exposure metering processes and bringing photography to common standards, as well as improving the accuracy of photographic equipment and image quality, the logical question is whether modern cameras can be used as not only event recorders, but also parameters of captured objects, both structural and brightness. Often, photographs are the only materials that can make it possible to evaluate certain parameters of the surface being shot, and the scarcity or malfunction of the equipment casts doubt on the possibility of measuring the albedo of the surface - a very important parameter in calculating the energy balance of the surface, the importance of which, in turn, cannot be overestimated. Digital photography provides the possibility of its practical application for determining the albedo of the removed surface.
Предложенное изобретение связывает между собой величину экспозиции, яркость снимаемой сцены и приходящую радиацию. Фотографическая техника обладает рядом параметров, позволяющих исчислить, исходя из метаданных (данных о параметрах съемки) и данных снимка, яркость снимаемой (исследуемой) поверхности.The proposed invention relates the amount of exposure, the brightness of the scene and the incoming radiation. The photographic technique has a number of parameters that allow calculating, based on metadata (data on the shooting parameters) and image data, the brightness of the surface being surveyed (investigated).
Под экспозицией в фотографии понимают количество актинического (т.е. воздействующего только на чувствительный элемент) излучения, получаемого светочувствительным элементом. В случае с цифровой фотографией этим элементом является светочувствительная матрица.By exposure in photography is meant the amount of actinic (i.e., acting only on the sensing element) radiation received by the photosensitive element. In the case of digital photography, this element is a photosensitive matrix.
Для видимого излучения экспозиция Н выражается как произведение освещенности Е (измеряемая в люксах) на выдержку t (измеряемую в секундах) и измеряется в люкс-секундах:For visible radiation, exposure H is expressed as the product of the illumination E (measured in lux) and the shutter speed t (measured in seconds) and measured in lux seconds:
Выдержка t регулируется затвором фотоаппарата, а освещенность Е напрямую связана с характеристиками объектива фотоаппарата и его относительным отверстием. Относительное отверстие - это отношение диаметра D входного зрачка объектива к его заднему фокусному расстоянию f'. Оно выражается в виде дроби:The shutter speed t is controlled by the shutter of the camera, and the illumination E is directly related to the characteristics of the camera lens and its relative aperture. The relative aperture is the ratio of the diameter D of the entrance pupil of the lens to its rear focal length f '. It is expressed as a fraction:
. .
При числителе, приведенном к единице, знаменатель относительного отверстия N - диафрагменное число. Очевидно, что чем больше диафрагменное число, тем меньше относительное отверстие и, следовательно, меньшее количество света попадает на чувствительный элемент. При этом, как ясно из уравнения (2), изменение выдержки, обратно пропорциональное изменению освещенности, позволяет сохранить экспозицию неизменной. Т.е. увеличение времени экспонирования и увеличение мощности излучения - взаимозаменяемы, и одна и та же экспозиция Н оказывает одно и то же воздействие на светочувствительный элемент. Это - закон взаимозаменяемости или закон Бунзена-Роско, открытый в 1859-1862 гг. (см. Канцеленбоген Э.Д. Фотокинотехника: Энциклопедия, Главный редактор Е.А. Иофис. М.: Советская энциклопедия, 1981).With the numerator reduced to unity, the denominator of the relative aperture N is the diaphragm number. Obviously, the larger the aperture value, the smaller the relative aperture and, therefore, a smaller amount of light hits the sensor. Moreover, as is clear from equation (2), a change in shutter speed inversely proportional to a change in illumination allows you to keep the exposure unchanged. Those. an increase in exposure time and an increase in radiation power are interchangeable, and the same exposure H has the same effect on the photosensitive element. This is the law of interchangeability or the Bunsen-Roscoe law, discovered in 1859-1862. (see. Kantselenbogen E.D. Photokinotechnics: Encyclopedia, Editor-in-Chief E.A. Iophis. M .: Soviet Encyclopedia, 1981).
При более детальном рассмотрении формулы (2) становится очевидным, что величина освещенности Е, зависящая от характеристик объектива, также зависит от яркости L снимаемого объекта (исследуемой поверхности). Это означает использование мультисегментного экспозамера, который оценивает общую яркость всей снимаемой сцены (поскольку точечный или центрально-взвешенный экспозамер дают оценку яркости лишь конкретной зоны). Таким образом, раскрытие освещенности Е как величины, зависящей от яркости L объекта (в кд/м2) и характеристик объектива, описываемых коэффициентом q, при диафрагменном числе N и выдержке t, позволяет выразить экспозицию Н и уравнение (2) в виде уравнения:Upon a more detailed consideration of formula (2), it becomes obvious that the amount of illumination E, which depends on the characteristics of the lens, also depends on the brightness L of the captured object (the studied surface). This means using multi-segment metering, which measures the overall brightness of the entire scene being shot (since spot or center-weighted metering only measures the brightness of a specific area). Thus, the disclosure of the illumination E as a value depending on the brightness L of the object (in cd / m 2 ) and the characteristics of the lens, described by the coefficient q, with aperture number N and shutter speed t, allows us to express the exposure H and equation (2) in the form of the equation:
. .
Коэффициент q характеризует параметры объектива и является безразмерной величиной, которая «собирает» в себе основные параметры объектива. Он описывает совокупное влияние виньетирования, светопропускания, и пр. Данные об этих характеристиках можно получить или из технического Паспорта изделия (где они публикуются), или методом расчетов и измерений. Коэффициент q можно вычислить через уравнение:The coefficient q characterizes the parameters of the lens and is a dimensionless quantity that "collects" the main parameters of the lens. It describes the cumulative effect of vignetting, light transmission, etc. Data on these characteristics can be obtained either from the technical passport of the product (where they are published), or by the method of calculation and measurement. The coefficient q can be calculated through the equation:
, где where
Т - коэффициент пропускания объектива, υ(θ) - коэффициент виньетирования объектива, θ - угол относительно оптической оси объектива. Наиболее часто q=0,65 (при Т=0,9, υ=0,98, θ=10°), однако при известных параметрах объектива, которые могут находиться в открытом доступе (установленные производителем), можно рассчитать величину коэффициента q для любого конкретного случая с высокой точностью. В отсутствие данных о коэффициенте q, можно рассчитать его эмпирически по снимку поверхности известной яркости.T is the transmittance of the lens, υ (θ) is the vignetting coefficient of the lens, θ is the angle relative to the optical axis of the lens. Most often, q = 0.65 (at T = 0.9, υ = 0.98, θ = 10 °), however, with known lens parameters that may be in the public domain (set by the manufacturer), we can calculate the value of the coefficient q for any particular case with high accuracy. In the absence of data on the coefficient q, it can be calculated empirically from a picture of a surface of known brightness.
Одно из отличий цифровой фотографии от аналоговой, помимо мгновенного получения цифрового изображения, это возможность получения, при одной и той же экспозиции, изображения разной степени яркости (что можно сравнить с пленкой, чувствительность которой меняется по воле фотографа). Это достигается при помощи изменения светочувствительности матрицы фотоаппарата, что выражается в изменении предварительного усиления электрических сигналов от нее и их преобразования в цветовое пространство sRGB (именно это цветовое пространство регламентируется стандартом ISO 12232: 2006). Зависимость между параметрами цветового пространства и сигналами от светочувствительной матрицы устанавливается производителями и называется экспозиционным индексом. Его значения выбираются таким образом, чтобы при равных параметрах съемки и получаемого цифрового и аналогового изображений соответствовать чувствительности пленки для получения такого же изображения. По этой причине экспозиционный индекс в цифровой фотографии называют эквивалентной светочувствительностью ISO.One of the differences between digital and analog photography, in addition to instantly obtaining a digital image, is the ability to receive, at the same exposure, images of varying degrees of brightness (which can be compared with a film whose sensitivity varies according to the will of the photographer). This is achieved by changing the photosensitivity of the camera’s matrix, which is reflected in a change in the preliminary amplification of the electrical signals from it and their conversion into the sRGB color space (this color space is regulated by the ISO 12232: 2006 standard). The relationship between the color space parameters and the signals from the photosensitive matrix is set by the manufacturers and is called the exposure index. Its values are selected in such a way that, with equal shooting parameters and the resulting digital and analog images, the film sensitivity corresponds to the same image. For this reason, the exposure index in digital photography is called the equivalent ISO sensitivity.
В действительности, следование производителей фототехники установленному стандарту означает, что при одинаковых настройках съемки одной и той же сцены (сопоставимые по характеристикам объективы, одни и те же настройки светочувствительности и выдержки), можно получить одинаковое по яркости изображение с разных фотоаппаратов. У подавляющего большинства снимков на разные модели фототехники (фоторегистрирующих устройств), сделанных на одних и тех же настройках, будет сопоставимая яркость и схожие характеристики изображения. Это позволяет сделать возможным оценку яркости L исследуемой поверхности (объекта) исходя из яркости снимка (при учете всех заданных параметрах съемки). Однако, даже при заданных реперных (принятых за эталонные) параметрах съемки, в силу технического несовершенства светочувствительных элементов и узости их динамического диапазона, а также возможного нелинейного измерения яркости внутри цветового пространства и больших различиях в яркости снимаемых сцен (как в связи с различием в освещенности, так и в связи с различием в характеристиках снимаемых объектов), возможно «проваливание» затемненных участков в черный цвет, а светлых - в белый, т.е. их пере- или недоэкспонирование, при котором интерпретация снимков будет затруднена в силу их нерепрезентативности, так как экстремальные значения будут преобладать над реальными. Это можно обойти изменением параметров съемки в зависимости от освещенности и нормированием согласно этим изменениям, однако это существенно усложняет задачу обработки и интерпретации полученных результатов.In fact, following the manufacturers of photographic equipment to the established standard means that with the same shooting settings for the same scene (lenses comparable in characteristics, the same photosensitivity and shutter speed settings), you can get the same image in brightness from different cameras. The vast majority of shots on different models of photographic equipment (photo-recording devices) made on the same settings will have comparable brightness and similar image characteristics. This makes it possible to estimate the brightness L of the investigated surface (object) based on the brightness of the image (taking into account all the specified shooting parameters). However, even with the given reference (accepted as reference) shooting parameters, due to the technical imperfection of the photosensitive elements and the narrowness of their dynamic range, as well as the possible non-linear measurement of brightness within the color space and large differences in the brightness of the scenes taken (due to the difference in illumination , and due to the difference in the characteristics of the objects being shot), it is possible to “dip” the darkened areas into black and light ones into white, i.e. their over- or underexposure, in which the interpretation of images will be difficult due to their non-representativeness, since extreme values will prevail over real ones. This can be circumvented by changing the shooting parameters depending on the illumination and normalizing according to these changes, however, this significantly complicates the task of processing and interpreting the results.
В то же время автоматические настройки фотоаппарата почти всегда выдают изображение примерно одной яркости, что позволяет решить видоизмененную задачу определения яркости объекта, зная алгоритм экспонирования (т.е. как камера определяет необходимую яркость снимка) и параметры съемки.At the same time, the automatic settings of the camera almost always produce an image of approximately the same brightness, which allows us to solve the modified problem of determining the brightness of the object, knowing the exposure algorithm (i.e. how the camera determines the necessary brightness of the image) and shooting parameters.
Стандарт ISO 12232 устанавливает зависимость между величиной сигналов матрицы и конкретными экспозиционными индексами, и предлагает производителям фототехники пять методик определения конкретных значений экспозиционного индекса:The ISO 12232 standard establishes the relationship between the magnitude of matrix signals and specific exposure indexes, and offers photographic equipment manufacturers five methods for determining specific exposure index values:
- Методика REI рекомендованного экспозиционного индекса - это единственная методика, применяемая к иным цветовым пространствам, чем sRGB, и разрешающая производителям самостоятельно решать при каких значениях экспозиционного индекса изображение правильно экспонируется.- The REI methodology of the recommended exposure index is the only technique applied to color spaces other than sRGB and allows manufacturers to independently decide at what exposure index values the image is correctly exposed.
- Две методики, основанные на соотношении сигнал/шум, наиболее часто применяются в любительской фототехнике.- Two techniques based on the signal-to-noise ratio are most often used in amateur photographic equipment.
- Методика точки насыщения, которая основывается на максимальной яркости снимка и подбирает экспозиционный индекс так, чтобы избежать переэкспонирования участков снимка.- The technique of the saturation point, which is based on the maximum brightness of the image and selects the exposure index so as to avoid overexposure of areas of the image.
- Методика стандартной выходной чувствительности, согласно которой средний уровень яркости изображения принимается равным таковому при съемке серой карты с 18% отражательной способностью при изменении экспозиции экспонометрической системой, откалиброванной согласно стандарта ISO 2721 без применения экспокоррекции.- The method of standard output sensitivity, according to which the average level of image brightness is taken to be that when shooting a gray card with 18% reflectivity when changing the exposure with an exposure system calibrated according to ISO 2721 without using exposure compensation.
В случае с методом REI и методами сигнал/шум, определение яркости объекта по параметрам съемки возможно только при накоплении большой выборки изображений поверхностей известной яркости с известными параметрами съемки и последующем расчете зависимостей между ними, поскольку эти данные сложно найти в открытом доступе. Это накладывает ограничения на выявление связи между экспозицией и эквивалентной светочувствительностью.In the case of the REI method and signal-to-noise methods, determining the brightness of an object from shooting parameters is possible only if a large sample of images of surfaces of known brightness with known shooting parameters is accumulated and the dependencies between them are subsequently calculated, since these data are difficult to find in the public domain. This imposes restrictions on the identification of the relationship between exposure and equivalent photosensitivity.
Методика точки насыщения и методика стандартной выходной чувствительности представляются наиболее перспективными для расчетов и опираются на регламентированные стандартом простые закономерности.The saturation point technique and the standard output sensitivity technique seem to be the most promising for calculations and rely on simple laws regulated by the standard.
Так, для методики по точке насыщения, экспозиционный индекс (эквивалентная светочувствительность S) определяется по формуле:So, for a saturation point technique, the exposure index (equivalent light sensitivity S) is determined by the formula:
, где where
Hsat - максимальная экспозиция, не приводящая к переэкспонированию и появлению на снимке областей, «выбитых» в белый цвет.H sat - maximum exposure, which does not lead to overexposure and the appearance on the image of areas that are “embossed” in white.
Для методики стандартной выходной чувствительности, эквивалентная светочувствительность S определяется по формуле:For the standard output sensitivity technique, the equivalent photosensitivity S is determined by the formula:
, где where
Hsos - это экспозиция, равная 118 в 8-битном изображении в цветовом пространстве sRGB, соответствующее отображению серой карты при гамма-коррекции 2,2.H sos is the exposure equal to 118 in an 8-bit image in the sRGB color space, corresponding to the display of a gray card with a gamma correction of 2.2.
Как видно из уравнений (6) и (7), эти две методики очень близки, и переход от расчетов яркости поверхности по одной методике, согласно тезису о применении производителем этой методики, к другой методике, не составит большого труда. Более подробно методики и причины установления коэффициентов 10 и 78 в числителях уравнений описываются в стандарте ISO 12232: 2006.As can be seen from equations (6) and (7), these two methods are very close, and the transition from calculating the surface brightness according to one technique, according to the thesis of the manufacturer applying this technique to another technique, will not be difficult. In more detail, the methods and reasons for establishing the coefficients of 10 and 78 in the numerators of the equations are described in the standard ISO 12232: 2006.
Рассмотрим применимость методики стандартной выходной чувствительности для определения яркости снимаемой поверхности, руководствуясь предположением, что она наиболее часто применяется в современной фотографии, в сравнении с методикой по точке насыщения.Consider the applicability of the standard output sensitivity technique to determine the brightness of the surface being taken, guided by the assumption that it is most often used in modern photography, in comparison with the saturation point technique.
Данная методика, по сути, опирается на зонную систему Ансела Адамса, сформулированную в 1939 году, согласно которой любой освещенный объект можно разбить на 11 зон (от 0 до 10) по яркости от самого яркого до самого темного. Средняя - пятая ступень шкалы, описывает стандартный серый тон (обладающий отражательной способностью 18%) (Ильинский И., Зонная система экспонирования, журнал «Фотомагазин» №1-2 1998, с. 94-98. ISSN 1029-609-3).This technique, in fact, relies on the Ansel Adams zone system, formulated in 1939, according to which any illuminated object can be divided into 11 zones (from 0 to 10) in brightness from brightest to darkest. The middle is the fifth step of the scale, describes a standard gray tone (having a reflectivity of 18%) (I. Ilyinsky, Zone Exposure System, Photomagazine magazine No. 1-2, 1998, pp. 94-98. ISSN 1029-609-3).
Согласно уравнению (7), и зная светочувствительность, на которой был сделан снимок, можно вычислить Hsos:According to equation (7), and knowing the photosensitivity on which the picture was taken, we can calculate H sos :
Учитывая уравнение (4), можно получить следующее равенство:Given equation (4), we can obtain the following equality:
, из которого следует, что яркость объекта съемки (яркость снимка исследуемой поверхности L') (в кд/м2) равна: , from which it follows that the brightness of the subject (the brightness of the image of the investigated surface L ') (in cd / m 2 ) is equal to:
, где G - коэффициент методики экспозиционного индекса, равный 10 (десяти) для методики стандартной выходной чувствительности, и равный 78 (семидесяти восьми) для методики точки насыщения, или имеет другое значение для других методик, выбранных производителем фототехники. , where G is the coefficient of the exposure index technique, equal to 10 (ten) for the standard output sensitivity technique, and 78 (seventy eight) for the saturation point technique, or has a different value for other techniques selected by the photographic equipment manufacturer.
Из полученной формулы (10) видно, что для перерасчета яркости объекта по методике стандартной выходной чувствительности или методике точки насыщения, достаточно заменить коэффициент 10 в числителе на 78 и наоборот.From the obtained formula (10), it can be seen that to recalculate the brightness of an object using the standard output sensitivity technique or the saturation point technique, it is enough to replace the coefficient 10 in the numerator with 78 and vice versa.
Определение яркости объекта, исходя из параметров съемки - это очень важный этап для расчета уравнения регрессии, связывающей параметры съемки и альбедо. Однако съемка занимает определенное время, на протяжении которого могут меняться многие параметры, влияющие на освещенность, например, прозрачность атмосферы, угол возвышения солнца над горизонтом и т.д.Determining the brightness of an object based on the shooting parameters is a very important step for calculating the regression equation that relates the shooting parameters and the albedo. However, the survey takes a certain amount of time, during which many parameters can affect the illumination, for example, the transparency of the atmosphere, the elevation of the sun above the horizon, etc.
Суммарная радиация - это параметр, который позволяет учесть изменение в освещенности и получать корректные данные вычислений альбедо в различных условиях (кондициях) по одному предварительно рассчитанному уравнению (вместо расчета нового уравнения для каждого конкретного случая). Измерение ее потока достаточно простая задача, решаемая при помощи актинометрического оборудования, например, метеорологических пиранометров и обычного мультиметра/вольтметра, либо более совершенных систем (например, дата-логгеров).Total radiation is a parameter that allows you to take into account the change in illumination and obtain correct albedo calculation data in various conditions (conditions) using one pre-calculated equation (instead of calculating a new equation for each specific case). Measurement of its flow is a fairly simple task that can be solved using actinometric equipment, for example, meteorological pyranometers and a conventional multimeter / voltmeter, or more advanced systems (for example, data loggers).
Помимо переменного фактора влияния приходящей радиации существует погрешность, вызванная несистематической ошибкой экспонометрии. В действительности, если посмотреть на снимки поверхностей, можно увидеть, что они близки по яркости, но не абсолютно идентичны. Для исключения погрешности при расчете яркости нормированной, необходимо вычислить яркость каждого снимка (например, в программе Adobe Photoshop).In addition to the variable influence factor of the incoming radiation, there is an error caused by a non-systematic exposure meter error. In fact, if you look at the pictures of surfaces, you can see that they are close in brightness, but not absolutely identical. To eliminate errors in the calculation of normalized brightness, it is necessary to calculate the brightness of each image (for example, in Adobe Photoshop).
В контексте обозначенного выше, можно представить альбедо, как функцию суммарной радиации Q и нормированной яркости L:In the context of the above, we can imagine the albedo as a function of the total radiation Q and the normalized brightness L:
. .
И если величина Q уже известна из измерений и не требует сложных вычислений, то чтобы выяснить значение нормированной яркости L, необходимы несложные расчеты.And if the value of Q is already known from measurements and does not require complex calculations, then to calculate the value of the normalized brightness L, simple calculations are necessary.
Нейтральный серый цвет в RGB пространстве соответствует яркости, равной 128 - относительно этой величины, обозначаемой l128, и рассчитывается коэффициент нормирования К за ошибку экспонометрии:The neutral gray color in RGB space corresponds to a brightness of 128 - relative to this value, denoted by l 128 , and the normalization coefficient K is calculated for the exposure metering error:
, при этом ln - яркость снимка в пространстве RGB (может быть получена в любом редакторе), l128 - средняя яркость снимка в пространстве RGB. , while l n is the image brightness in RGB space (can be obtained in any editor), l 128 is the average image brightness in RGB space.
Тогда величина L нормированной яркости вычисляется простым уравнением:Then the value L of normalized brightness is calculated by a simple equation:
, ,
После получения для каждого наблюдения исчисленных значений нормированной яркости и суммарной радиации, значения альбедо получаются решением уравнения:After receiving for each observation the calculated values of normalized brightness and total radiation, the albedo values are obtained by solving the equation:
Для первичной проверки результатов теоретических изысканий была проведена съемка льда на модель телефона iPhone 5с с параллельными измерениями приходящей радиации при помощи пиранометра Янишевского, показания которого регистрировались мультиметром. Были намеренно выбраны простейшие технические средства. Измерения осуществлялись в середине марта 2015 г. на ледовом полигоне на Онежском озере в районе г. Петрозаводск. Размер полигона составил 90 метров на 40 метров, величина сетки между измерениями составила 10×10 метров, съемка насчитывала 49 пар измерений. Сбор данных осуществлялся приборами, удерживаемыми руками и находящимися на расстоянии 1,5 метра от поверхности льда, горизонтальность плоскости II чувствительного элемента пиранометра 2 обеспечивалась карданным подвесом.To initially verify the results of theoretical studies, ice was shot on an iPhone 5c phone model with parallel measurements of incoming radiation using a Yanishevsky pyranometer, the readings of which were recorded with a multimeter. The simplest technical means were deliberately chosen. Measurements were carried out in mid-March 2015 at an ice test site on Lake Onega in the area of Petrozavodsk. The landfill size was 90 meters by 40 meters, the grid between measurements was 10 × 10 meters, the survey numbered 49 pairs of measurements. Data collection was carried out by devices held by hands and located at a distance of 1.5 meters from the ice surface, the horizontal plane II of the sensitive element of the
В отсутствие данных от производителя в качестве допущения принималось, что экспозиционный индекс фотокамера телефона определяет методом стандартной выходной чувствительности, поскольку яркость снимков была близка к нейтральной. После вычисления нормированной яркости снимаемой поверхности и потока суммарной радиации, в программном продукте Statsoft Statistica был проведен расчет уравнения множественной регрессии (при этом коэффициенты составили: α=0,0025, β=-0,0304, γ=28,5917):In the absence of data from the manufacturer, it was assumed as an assumption that the camera’s exposure index determines the phone’s standard output sensitivity method, since the brightness of the pictures was close to neutral. After calculating the normalized brightness of the removed surface and the total radiation flux, the multiple regression equation was calculated in the Statsoft Statistica software product (the coefficients were: α = 0.0025, β = -0.0304, γ = 28.5917):
. .
Применимость этого уравнения относительно других измерений другими фотоаппаратами требует проверки, поскольку возможно, что экспозиционный индекс фотокамера телефона определяла методом сигнал/шум, а не стандартной выходной чувствительности. Однако нормирование по яркости снимка призвано нивелировать возможные погрешности, вызванные экспонометрией фотокамеры.The applicability of this equation to other measurements by other cameras requires verification, since it is possible that the exposure index of the phone’s camera was determined by the signal-to-noise method rather than the standard output sensitivity. However, normalizing the brightness of the image is designed to level out possible errors caused by exposure metering of the camera.
Уточнение коэффициентов уравнения для конкретного оборудования производится, если выбранным оборудованием на подготовительном этапе была произведена съемка эталонных поверхностей с известными параметрами альбедо. При этом для расчета коэффициентов α, β, γ уравнения множественной регрессии выбранным оборудованием в ожидаемых условиях и на выбранных режимах осуществляется сбор материалов на эталонных поверхностях (поверхностях, значение альбедо которых известно или предварительно измерено обычным способом). Съемку эталонных поверхностей и расчет коэффициентов α, β, γ можно выполнять на любом этапе до итоговых вычислений альбедо.The coefficients of the equation for a specific equipment are refined if the selected equipment at the preparatory stage was shot reference surfaces with known albedo parameters. Moreover, to calculate the coefficients α, β, γ of the multiple regression equation by the selected equipment under the expected conditions and in the selected modes, materials are collected on reference surfaces (surfaces whose albedo value is known or previously measured in the usual way). Survey of reference surfaces and calculation of the coefficients α, β, γ can be performed at any stage prior to the final albedo calculations.
Яркость льда, полученная расчетом согласно приведенных выше формул, колебалась в пределах 500-4000 Кд/м2 (эти величины предсказуемо изменялись после нормирования и получения синтетической величины нормированной яркости), что выглядит довольно достоверно.The brightness of ice, obtained by calculation according to the above formulas, ranged from 500-4000 Cd / m 2 (these values predictably changed after normalization and obtaining a synthetic value of normalized brightness), which looks pretty reliable.
Тем не менее, даже при некорректных значениях вычисленной яркости объекта, полученное уравнение линейной регрессии может быть справедливым для вычисления альбедо по снимкам этой модели установленной в телефон фотокамеры.Nevertheless, even with incorrect values of the calculated brightness of the object, the obtained linear regression equation may be valid for calculating the albedo from the images of this model of the camera installed in the telephone.
Возможно качественное улучшение точности определения альбедо при подборе правильной пары фотоаппарат-объектив и правильного метода расчета техникой экспозиционного индекса. Накопление данных на эту тему может позволить уточнить коэффициенты рассчитанной зависимости между параметрами съемки, вычислить корректирующие коэффициенты для конкретных пар фотоаппарат-объектив, либо индивидуальные уравнения связи между параметрами съемки и альбедо для конкретных образцов оборудования.Perhaps a qualitative improvement in the accuracy of determining the albedo when selecting the correct pair of camera-lens and the correct method of calculating the exposure index technique. The accumulation of data on this topic can make it possible to clarify the coefficients of the calculated dependence between the shooting parameters, calculate the correction coefficients for specific pairs of camera-lens, or the individual equations of communication between the shooting parameters and the albedo for specific equipment samples.
Ниже рассматриваются возможные упрощения методики, направленные на незначительное сокращение расчетов, либо повышение точности под конкретную серию наблюдений.The following are possible simplifications of the methodology aimed at a slight reduction in the calculations, or an increase in accuracy for a specific series of observations.
Первое упрощение строится на двух тезисах:The first simplification is based on two points:
- учет суммарной радиации в расчете нормированной яркости объекта;- taking into account the total radiation in the calculation of the normalized brightness of the object;
- линейная связь альбедо и нормированной яркости (в данном случае упрощается уравнение линейной регрессии, в котором коэффициент β принимается равным нулю).- a linear relationship between albedo and normalized brightness (in this case, the linear regression equation is simplified, in which the coefficient β is taken equal to zero).
Это подразумевает незначительное изменение расчета L (13), дополненное одним членом:This implies a slight change in the calculation of L (13), supplemented by one member:
. .
В представленном уравнении Z - коэффициент нормирования по потоку радиации, равный:In the presented equation, Z is the normalization coefficient for the radiation flux equal to:
, где where
Qn - суммарная радиация в конкретный момент на конкретной точке снимка; Qnorm _ принимается равным 500 Вт/м2 и выражает приближение к потоку радиации в умеренных широтах весной/осенью при безоблачном небе.Q n is the total radiation at a particular moment at a particular point in the image; Q norm _ is assumed to be 500 W / m 2 and expresses an approximation to the radiation flux at moderate latitudes in spring / autumn with a cloudless sky.
Для вычислений применялись данные той же серии из 49 наблюдений, рассмотренной выше. После вычисления нормированной яркости снимаемой поверхности был проведен расчет коэффициента корреляции ее с альбедо поверхности. Расчет выполнялся в программном продукте Statsoft Statistica, рассчитанная корреляция значима и составляет 0,90.For calculations, data from the same series of 49 observations considered above were used. After calculating the normalized brightness of the surface being removed, a calculation was made of its correlation coefficient with the surface albedo. The calculation was performed in the Statsoft Statistica software product, the calculated correlation is significant and amounts to 0.90.
Уравнение линейной регрессии, рассчитанное для данной пары приборов, следующее:The linear regression equation calculated for this pair of devices is as follows:
. .
Фиг. 4 иллюстрирует график линейной регрессии альбедо и нормированной яркости объекта съемки (исследуемой поверхности) по данным эксперимента.FIG. 4 illustrates a graph of linear albedo regression and normalized brightness of the subject (test surface) according to the experimental data.
Второе упрощение предполагает возможность проведения расчета уравнения линейной регрессии непосредственно перед измерениями на основании полученных данных «тарировочных» снимков поверхностей, альбедо которых известно. В этом случае можно пользоваться коэффициентами нормирования яркости снимка, равной 128, и потока радиации, равного не 500 Вт/м2, а относительно средних за время наблюдения и съемки величин. Теоретически, это может позволить получить более точно рассчитанные значения альбедо, однако уравнение линейной регрессии в этом случае не будет работать в отличных условиях освещенности (т.е. для другой серии измерений понадобится новый расчет).The second simplification implies the possibility of calculating the linear regression equation immediately before measurements based on the obtained data of “calibration” images of surfaces whose albedo is known. In this case, it is possible to use coefficients for normalizing the brightness of the image, equal to 128, and the radiation flux equal to not 500 W / m 2 , but relative to the average values during the observation and shooting. Theoretically, this may make it possible to obtain more accurately calculated albedo values, however, the linear regression equation in this case will not work in excellent lighting conditions (i.e., a new calculation will be needed for another series of measurements).
Для вычислений применялись данные той же серии из 49 наблюдений, рассмотренной выше. После вычисления нормированной яркости снимаемой поверхности был проведен расчет коэффициента корреляции ее с альбедо поверхности. Расчет выполнялся в программном продукте Statsoft Statistica, рассчитанная корреляция значима и также составляет 0,90.For calculations, data from the same series of 49 observations considered above were used. After calculating the normalized brightness of the surface being removed, a calculation was made of its correlation coefficient with the surface albedo. The calculation was carried out in the Statsoft Statistica software product, the calculated correlation is significant and also amounts to 0.90.
Для сравнения точности методик были рассчитаны значения альбедо. График изменчивости наблюденного и исчисленных альбедо на разных точках полигона приведен на фиг. 5.To compare the accuracy of the methods, the albedo values were calculated. The graph of variability of the observed and calculated albedos at different points of the polygon is shown in FIG. 5.
Альбедо наблюденное - альбедо, которое было измерено на точке полигона.Observed Albedo - The albedo that was measured at the point of the polygon.
Альбедо исчисленное I - альбедо, вычисленное согласно уравнению (14) множественной регрессии.The calculated albedo is the albedo calculated according to the multiple regression equation (14).
Альбедо исчисленное II - альбедо, вычисленное согласно упрощению до уравнения (17) линейной регрессии с нормированием относительно средней яркости снимка, равной 128, и потока радиации, равного 500 Вт/м2.Calculated albedo II — albedo calculated according to simplification to linear regression to equation (17) with normalization to the average image brightness of 128 and a radiation flux of 500 W / m 2 .
Альбедо исчисленное III - альбедо, вычисленное согласно упрощению до уравнения (17) линейной регрессии с нормированием относительно средних наблюденных яркости и потока радиации.Calculated albedo III - albedo calculated according to simplification to linear regression to equation (17) with normalization relative to the average observed brightness and radiation flux.
Как видно из фиг. 5, все методы позволяют получить достаточно достоверные данные об альбедо. При этом наибольшую точность демонстрирует неупрощенный метод (кроме точек 2 и 37 полигона), а упрощенные методы (второе упрощение) не обеспечивают предполагаемое повышение точности расчетов.As can be seen from FIG. 5, all methods provide fairly reliable data on albedo. Moreover, the non-simplified method (with the exception of
Предложенное решение связать измеренную яркость объекта, суммарную радиацию и альбедо множественной регрессией настолько просто и очевидно, что можно сказать лежит на поверхности. Удобство способа заключается в том, что при его использовании есть возможность выбора из широкой номенклатуры оборудования с целью применения наиболее подходящего. Зная параметры объектива и связки объектив-камера, можно легко рассчитать уравнения линейной регрессии для связи яркости снимаемой сцены и альбедо. При этом можно выбирать объективы широкоугольные (для площадных оценок), либо длиннофокусные (для более детальных оценок конкретных фрагментов поверхностей).The proposed solution to relate the measured brightness of an object, total radiation and albedo to multiple regression is so simple and obvious that it can be said to lie on the surface. The convenience of the method lies in the fact that when it is used, it is possible to choose from a wide range of equipment in order to use the most suitable one. Knowing the parameters of the lens and the lens-camera bundle, one can easily calculate the linear regression equations to relate the brightness of the scene and the albedo. In this case, you can choose wide-angle lenses (for areal estimates), or telephoto lenses (for more detailed estimates of specific fragments of surfaces).
Как показал пример выше, съемку можно проводить даже на телефон, причем, несмотря на то, что выбор светочувствительности на телефоне определяется, скорее всего, по связке сигнал/шум, и полученные значения нормированной яркости снимаемых сцен могли незначительно отличаться от реальных, рассчитанное уравнение (14) множественной регрессии позволило получить данные альбедо очень близкие к реальным.As the example above showed, shooting can even be carried out on the phone, and, despite the fact that the choice of photosensitivity on the phone is most likely determined by the signal-to-noise ratio, and the obtained values of the normalized brightness of the shot scenes could slightly differ from the real ones, the calculated equation ( 14) multiple regression allowed to obtain albedo data very close to real.
Гибкость в выборе оборудования позволяет реализовать измерения малым набором необходимых технических средств - это, в свою очередь, предоставляет возможность применять конкретные связки оборудования на конкретных носителях. На судах ледового класса, следующих через ледовые поля, можно устанавливать на выносной штанге более крупные и прецизионные приборы для более детальной съемки льда. На беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) можно ставить легкие камеры с объективами, имеющими малое фокусное расстояние (для площадных оценок) или большое фокусное расстояние (для точечных оценок).Flexibility in the choice of equipment allows you to implement measurements with a small set of necessary technical means - this, in turn, provides the opportunity to use specific equipment bundles on specific media. On ships of the ice class, passing through the ice fields, it is possible to install larger and more precise instruments on the remote rod for a more detailed ice survey. On unmanned aerial vehicles (UAVs) you can put light cameras with lenses that have a small focal length (for areal estimates) or a large focal length (for point estimates).
Вероятнее всего, наиболее точные результаты, в общей массе, как ни странно, будут получаться на простейшие камеры компактных фотоаппаратов и телефонов, и им подобные. Широкая номенклатура объективов для системных камер подразумевает необходимость учета особенностей каждой конкретной модели объектива. Так, если для простых фотоаппаратов приближение о том, что коэффициент q=0,65, позволяет получать достоверные данные, то в случае с системными камерами, оснащенными разными объективами, это допущение может вызывать существенные погрешности. Это означает, что в расчетах нужно учитывать коэффициент q, подходящий для конкретного объектива, и даже для конкретных настроек съемки. При использовании светосильных объективов на системных камерах рекомендуется использование режимов приоритета диафрагмы с настройками, при которых диафрагма объектива прикрыта - это позволяет нивелировать влияние виньетирования, типичного для многих светосильных объективов, на яркость снимка и на экспозамер. Коэффициент для конкретной связки объектив-камера или конкретной модели фотоаппарата можно уточнить, зная яркость снимаемой сцены (например, при помощи яркомера или спотметра). Тогда, при прочих известных из уравнения обратного (13) его величина будет равна:Most likely, the most accurate results, the total mass, oddly enough, will be obtained on the simplest cameras of compact cameras and telephones, and the like. A wide range of lenses for system cameras implies the need to take into account the characteristics of each specific lens model. So, if for simple cameras the approximation that the coefficient q = 0.65 allows us to obtain reliable data, then in the case of system cameras equipped with different lenses, this assumption can cause significant errors. This means that in calculations it is necessary to take into account the q factor suitable for a particular lens, and even for specific shooting settings. When using high-aperture lenses on system cameras, it is recommended to use aperture priority modes with settings in which the aperture of the lens is closed - this allows you to neutralize the effect of vignetting, typical of many high-aperture lenses, on the brightness of the image and on metering. The coefficient for a particular lens-camera bundle or a specific camera model can be clarified by knowing the brightness of the scene being shot (for example, using a brightness meter or spotmeter). Then, with other things known from the equation of the inverse (13), its value will be equal to:
, где where
L - известная (измеренная) яркость снимаемой сцены.L is the known (measured) brightness of the scene.
Также стоит учитывать, что многие объективы для системных камер, оснащенные не электронным, а механическим приводом управления диафрагмы (например, объективы системы Pentax K или Nikon F) могут иметь погрешность в установке заданного значения диафрагмы. На практике это означает разницу между установленным диафрагменным числом и реальным относительным отверстием, что приводит к неправильному определению яркости снимаемой сцены.It is also worth considering that many lenses for system cameras equipped not with an electronic but with a mechanical aperture control drive (for example, Pentax K or Nikon F system lenses) may have an error in setting the aperture value. In practice, this means the difference between the set f-number and the actual relative aperture, which leads to an incorrect determination of the brightness of the scene being shot.
В любом случае, предварительный расчет коэффициента q или использование известного, расчет уравнения множественной регрессии для конкретного фотоаппарата, или связки объектив-фотоаппарат, является желательным, а иногда и необходимым условием для обеспечения точности измерений. Расчет q из уравнения (18) может дать неверную величину коэффициента, однако эта величина нивелирует описанные выше погрешности фотоаппаратуры или метода экспонометрии.In any case, a preliminary calculation of the q coefficient or the use of the known one, the calculation of the multiple regression equation for a particular camera, or a lens-camera bundle, is a desirable and sometimes necessary condition for ensuring the accuracy of measurements. Calculation of q from equation (18) can give an incorrect value of the coefficient, however, this value eliminates the above-described errors of the photo equipment or exposure method.
Описание методики и рекомендацииDescription of the methodology and recommendations
Для выбранной связки оборудования, пошаговое описание предложенной методики приведено ниже.For the selected equipment bundle, a step-by-step description of the proposed methodology is given below.
Подготовительный этап:Preparatory stage:
- выбрать оборудование и предполагаемые настройки. Комплект обязательно включает в себя два элемента: фоторегистрирующее устройство 1 (например, обычный фотоаппарат), которым будет осуществляться съемка поверхности, и актинометрическое устройство 2 (например, пиранометр), которым будет осуществляться измерение солнечной радиации.- select equipment and intended settings. The kit necessarily includes two elements: a photo-recording device 1 (for example, a conventional camera), which will be used to photograph the surface, and an actinometric device 2 (for example, a pyranometer), which will measure solar radiation.
Для фотоаппаратов 1 с зумм-объективами рекомендуется выбрать фокусное расстояние для съемки и настройки режима съемки и экспозамера. Если оборудование позволяет выбирать режим приоритета диафрагмы, то выбрать его, установив диафрагму на фиксированное значение. Предпочтителен центрально-взвешенный режим экспонометрии.For
- Если коэффициент q неизвестен, то использовать уравнение (18) при съемке мишени известной яркости для его расчета. Если его расчет невозможен, принять q=0,65. Погрешности определения q приведут к погрешностям в определении яркости объекта.- If the coefficient q is unknown, then use equation (18) when shooting a target of known brightness for its calculation. If its calculation is impossible, take q = 0.65. Errors in determining q will lead to errors in determining the brightness of the object.
- Уточнить (рассчитать) уравнение множественной регрессии вида (14) по данным контрольных снимков эталонных мишени(ней)/поверхности с известной отражательной способностью и регистрации данных суммарной радиации. Для достижения наилучших итоговых результатов необходимо осуществить съемку эталонных поверхностей на режимах, в условиях и на расстояниях съемки, предполагаемых на этапе сбора данных (приближенных к запланированным для сбора данных). Такими поверхностями могут быть объекты и плоскости с заранее известными (или измеренными обычным способом) параметрами альбедо. В дальнейшем это позволит произвести выверку коэффициентов итогового уравнения регрессии.- Refine (calculate) the multiple regression equation of the form (14) according to the control images of the reference target (s) / surface with a known reflectivity and registration of total radiation data. To achieve the best final results, it is necessary to shoot reference surfaces in the modes, conditions and shooting distances assumed at the data collection stage (close to those planned for data collection). Such surfaces can be objects and planes with previously known (or measured in the usual way) albedo parameters. In the future, this will allow reconciling the coefficients of the final regression equation.
После этого выбранный комплект оборудования готов к работе.After that, the selected set of equipment is ready for use.
Этап сбора данных:Data collection stage:
- Развернуть и установить оборудование. Установить настройки оборудования как на подготовительном этапе.- Deploy and install equipment. Set the equipment settings as in the preparatory phase.
- Проверить точность установки оборудования. Желательно максимально возможное соблюдение горизонтальности и взаимной параллельности плоскости I исследуемой поверхности, плоскости II чувствительного элемента актинометрического оборудования 2 (устройства) и плоскости III светочувствительного сенсора (элемента) фоторегистрирующего устройства 1 (фотоаппарата) (фиг. 1).- Check the accuracy of the equipment installation. It is desirable that the horizontal and mutual parallelism of plane I of the test surface, plane II of the sensing element of the actinometric equipment 2 (device) and plane III of the photosensitive sensor (element) of the photo-recording device 1 (camera) be observed (Fig. 1).
- Приступить к сбору данных. Для сбора данных используются фоторегистрирующее устройство 1 и актинометрическое устройство 2. При сборе данных необходимо стараться обеспечивать максимально возможное соблюдение горизонтальности и взаимной параллельности исследуемой поверхности (ее плоскости I), плоскости II чувствительного элемента актинометрического оборудования 2 и плоскости III светочувствительного сенсора фотоаппарата 1 (и перпендикулярность оптической оси IV объектива). Взаимная параллельность этих плоскостей с плоскостью снимаемой поверхности обеспечивает наилучшую точность получаемых результатов, поэтому лучше всего способ проявит себя при измерении альбедо поверхностей с отсутствием или минимальным уклоном.- Proceed to data collection. For data collection, a photo-
- В процессе сбора данных обеспечить их синхронное (одновременное) получение так, чтобы каждому измерению с актинометрического оборудования 2 соответствовало измерение/снимок с фотографического оборудования 1 (съемку исследуемой поверхности и измерение суммарной радиации Q (данных о приходящем излучении) осуществляют одновременно).- In the process of data collection, ensure their synchronous (simultaneous) acquisition so that each measurement from the
Этап анализа:Analysis Stage:
- По собранным данным, используя уравнения вида (13) и (14), рассчитать значения альбедо подстилающей поверхности.- According to the collected data, using equations of the form (13) and (14), calculate the albedo values of the underlying surface.
Подготовительный этап можно пропускать при повторном использовании комплекта оборудования: единожды рассчитанные для него коэффициенты и уравнения можно применять при всех последующих измерениях на выбранных настройках и режимах в схожих условиях. Это существенно сокращает временные потери.The preparatory stage can be skipped when reusing a set of equipment: once the coefficients and equations calculated for it can be used for all subsequent measurements on the selected settings and modes in similar conditions. This significantly reduces time loss.
Пример использования способа дистанционного измерения альбедо при помощи фоторегистрирующего оборудования.An example of using the method of remote measurement of albedo using photo-recording equipment.
Проверка способа дистанционного измерения альбедо была осуществлена в марте 2015 г. на ледовом полигоне, расположенном на Онежском озере в районе г. Петрозаводск. Целью исследований было измерение альбедо поверхности льда предложенным способом.The verification of the method for remote measurement of albedo was carried out in March 2015 at an ice training ground located on Lake Onega in the area of Petrozavodsk. The aim of the study was to measure the albedo of the ice surface by the proposed method.
Все работы осуществлялись в дневное время в безоблачных условиях. Поверхность льда - гладкая, местами заснеженная и трещиноватая, без торосов (фиг. 2).All work was carried out in the daytime in cloudless conditions. The ice surface is smooth, sometimes snowy and fractured, without hummocks (Fig. 2).
В качестве оборудования были намеренно выбраны простейшие технические средства, для которых известны не все параметры (например, коэффициенты G и q), с целью продемонстрировать гибкость метода и возможность получения качественных данных даже при сильных допущениях, в неблагоприятных условиях оснащения:The equipment that was intentionally chosen was the simplest technical means for which not all parameters are known (for example, G and q coefficients) in order to demonstrate the flexibility of the method and the possibility of obtaining high-quality data even under strong assumptions, in adverse equipment conditions:
- Пиранометр Янишевского М80 (в качестве актинометрического оборудования, установленного на площадке) с мультиметром-вольтметром для регистрации напряжения;- Pyanometer Yanishevsky M80 (as actinometric equipment installed on the site) with a multimeter-voltmeter for voltage recording;
- Распространенная модель телефона iPhone 5с (в качестве фотометрического оборудования).- A common iPhone 5c phone model (as photometric equipment).
16.03.2015 были осуществлены съемки льда на ледовом полигоне. Была осуществлена съемка льда на контрольных точках с известными параметрами альбедо, измеренными при помощи пиранометра М80. При этом выбирались поверхности разного вида: заснеженные, с спрессованным снегом, трещиноватые, гладкие и т.д. В качестве контрольных точек, были выбраны обычные точки полигона. Это было продиктовано необходимостью выполнить последующее сравнение данных наблюденного и вычисленного альбедо.03/16/2015 ice surveys were carried out at the ice training ground. Ice was shot at control points with known albedo parameters measured using an M80 pyranometer. At the same time, various types of surfaces were chosen: snowy, with compressed snow, fractured, smooth, etc. As control points, ordinary polygon points were selected. This was dictated by the need to perform a subsequent comparison of the observed and calculated albedo data.
При сборе данных, съемка поверхности льда на камеру осуществлялась с высоты 1,6 м с максимально возможной горизонтальностью. Пиранометр находился на этой же высоте, обеспечение горизонтальности прибора осуществлялось карданным подвесом.When collecting data, the ice surface was shot at the camera from a height of 1.6 m with the highest possible horizontalness. The pyranometer was at the same height; the instrument was horizontally secured by a gimbal.
Обще количество точек, на которых были осуществлены измерения, равняется 49 (одно наблюдение было забраковано по причине не выполненного снимка).The total number of points at which measurements were taken is 49 (one observation was rejected due to an imperfect photograph).
На каждой из точек для проверки были дополнительно осуществлены измерения суммарного и отраженного излучения обычным способом, описанным в «Руководстве гидрометеорологическим станциям по актинометрическим наблюдениям.» - Л.: Гидрометеоиздат, 1973. Измерения записывались в походный блокнот.At each point for verification, additional measurements of the total and reflected radiation were carried out in the usual manner described in the Guide to Hydrometeorological Stations for Actinometric Observations. - L .: Gidrometeoizdat, 1973. The measurements were recorded in a field notebook.
1) На основании данных съемки контрольных точек было рассчитано значение альбедо.1) Based on the data from the survey of control points, the albedo value was calculated.
По данным показаний мультиметра, соединенного с пиранометром М80, были получены значения суммарной и отраженной радиации. Переводной коэффициент выбранного экземпляра пиранометра М80 равняется 100, таким образом:According to the data of the multimeter connected to the M80 pyranometer, the values of the total and reflected radiation were obtained. The conversion factor of the selected instance of the M80 pyranometer is 100, thus:
Q=100*uV,Q = 100 * uV,
где uV - показания мультиметра в милливольтах.where uV - multimeter readings in millivolts.
Величина альбедо наблюденного равна отношению потока излучения, отраженного от поверхности, к потоку, на нее упавшемуThe observed albedo is equal to the ratio of the radiation flux reflected from the surface to the flux that has fallen on it
2) по данным снимков была рассчитана яркость L':2) according to the images, the brightness L 'was calculated:
Где G - был принят равным 10, как для методики стандартной выходной чувствительности, поскольку производитель не разглашает информацию о выбранном метода экспозиционного индекса, q неизвестен, и был принят равным 0,65, диафрагменное число N, выдержка t, эквивалентная светочувствительность S - известны и получены из метаданных снимков.Where G - was taken equal to 10, as for the standard output sensitivity technique, since the manufacturer did not disclose information about the chosen exposure index method, q is unknown, and was taken equal to 0.65, aperture number N, shutter speed t, equivalent photosensitivity S - are known and derived from snapshot metadata.
В программном продукте Adobe Photoshop были получены данные ln средних яркостей снимков в пространстве RGB, что позволило вычислить коэффициент нормирования за ошибку экспонометрии.In the Adobe Photoshop software product, data were obtained ln average brightness of images in the RGB space, which allowed us to calculate the normalization coefficient for exposure metering error.
После этого была вычислена величина нормированной яркости L:After that, the normalized brightness value L was calculated:
L=L'Kэксп L = L'K exp
3) На основании вычисленных и полученных данных суммарной радиации, нормированной яркости и измеренного на контрольных точках альбедо, в программном пакете Statsoft Statistica были вычислены коэффициенты уравнения множественной регрессии:3) Based on the calculated and received data of the total radiation, normalized brightness and measured at albedo control points, the coefficients of the multiple regression equation were calculated in the Statsoft Statistica software package:
А=αL+βQ+γ,A = αL + βQ + γ,
где α, β, γ - эмпирические коэффициенты для выбранных оборудования и условий съемки. В нашем случае (смартфон Apple iPhone 5с, с допущением, что экспозиционный индекс фотокамера телефона определяет методом стандартной выходной чувствительности и q=0,65, и пиранометр Янишевского, при съемке поверхности льда с высоты 1,5 метра) их величины составили: α=0,0025; β=-0,0304; γ=29,5917.where α, β, γ are empirical coefficients for the selected equipment and shooting conditions. In our case (the Apple iPhone 5c smartphone, with the assumption that the camera’s exposure index determines the method with standard output sensitivity q = 0.65 and the Yanishevsky pyranometer when shooting the ice surface from a height of 1.5 meters), their values were: α = 0.0025; β = -0.0304; γ = 29.5917.
4) С помощью полученного уравнения множественной регрессии, на основании данных измерения суммарной радиации и фотоснимков, было рассчитано альбедо на всех точках полигона.4) Using the obtained multiple regression equation, based on the measurement data of the total radiation and photographs, the albedo was calculated at all points of the polygon.
5) Поскольку для контроля точности метода производились параллельные измерения альбедо при помощи пиранометра, последовательно направленного вверх и вниз, были сопоставлены наблюденные и вычисленные данные альбедо на точках полигона. Фиг. 3 иллюстрирует пространственную изменчивость альбедо наблюденного и альбедо исчисленного при помощи предложенного способа.5) Since, to control the accuracy of the method, parallel albedo measurements were made using a pyranometer, sequentially directed up and down, the observed and calculated albedo data at the points of the polygon were compared. FIG. 3 illustrates the spatial variability of the albedo observed and the albedo calculated using the proposed method.
Коэффициент корреляции между рядами А наблюденного и А исчисленного, вычисленный в программном продукте Stotsoft Statistica, равен 0,92. Стандартное отклонение оценки (standard error of estimate) составляет 2,65.The correlation coefficient between rows A of the observed and A calculated, calculated in the software product Stotsoft Statistica, is 0.92. The standard error of estimate is 2.65.
Фиг. 3 наглядно иллюстрирует возможности применения способа с использованием простейших доступных приборов на основе выборки 49 точек. Увеличение выборки должно благоприятно сказаться на точности способа. Стоит отметить, что указанная выборка была набрана примерно в течение одного часа. Таким образом, непродолжительный этап съемки поверхностей с известным альбедо (в нашем случае мы его узнали путем инструментальных наблюдений тут же, на месте) позволяет осуществить впоследствии накопление объема массива данных, охватывающего большую площадь, особенно, если автоматизировать процесс сбора и регистрации данных, и установить оборудование на транспортное средство.FIG. 3 illustrates the possibilities of applying the method using the simplest available devices based on a sample of 49 points. The increase in the sample should favorably affect the accuracy of the method. It is worth noting that this sample was recruited within about one hour. Thus, the short stage of surveying surfaces with a known albedo (in our case, we recognized it by instrumental observations right there, on the spot) allows us to subsequently accumulate the volume of the data array covering a large area, especially if we automate the process of collecting and recording data and establish equipment on the vehicle.
Если же говорить о сопоставлении с обычными методами измерения альбедо, то необходимо упомянуть, что измерения альбедо походными альбедометрами накладывают ряд ограничений, связанных с:If we talk about a comparison with conventional methods for measuring albedo, it must be mentioned that measuring albedo with traveling albedometers imposes a number of limitations related to:
- инерционностью пиранометра, что обуславливает большую продолжительность одного измерения;- the inertia of the pyranometer, which leads to a longer duration of one measurement;
- падением точности, связанным с возможной разницей условий во время снятия показаний суммарного и отраженного излучения (появление облачности, и др.);- a drop in accuracy associated with a possible difference in conditions during the reading of the total and reflected radiation (the appearance of clouds, etc.);
- необходимостью точной установки и выверки расстояний от поверхности до приборов.- the need for accurate installation and alignment of distances from the surface to the instruments.
В то же время, предложенный способ позволяет осуществлять регистрацию данных в практически автоматическом режиме подручными средствами, с параллельной фотосъемкой поверхности. Это позволяет получать дополнительные данные о состоянии подстилающей поверхности, которые могут представлять большую ценность сами по себе, и выполнять отбраковку точек измерений, условия регистрации данных для которых не были соблюдены по тем или иным причинам. Вследствие постоянного измерения пиранометром суммарной радиации и его неизменного положения (вверх), влияние инерционности прибора сводится к минимуму, что существенно сокращает время каждого измерения.At the same time, the proposed method allows for the registration of data in an almost automatic mode by improvised means, with parallel photographing of the surface. This allows you to obtain additional data on the state of the underlying surface, which can be of great value per se, and perform the rejection of measurement points for which data recording conditions were not met for one reason or another. Due to the constant measurement by the pyranometer of the total radiation and its constant position (up), the influence of the inertia of the device is minimized, which significantly reduces the time of each measurement.
Преимущества предложенного технического решения заключаются в следующем:The advantages of the proposed technical solution are as follows:
- возможность выбора оборудования из широкой номенклатуры под конкретные нужды и для конкретных носителей (БПЛА, суда, измерения in situ пешими группами). Возможно применение его для большого набора оборудования с разными характеристиками (различных моделей камер, разных высот съемки, объективов с разным ЭФР и как следствие разным охватом снимаемой площади);- the ability to choose equipment from a wide range of products for specific needs and for specific carriers (UAVs, ships, in situ measurements on foot). It can be used for a large set of equipment with different characteristics (different camera models, different shooting heights, lenses with different EGFs and, as a result, different coverage of the rented area);
- реальность дистанционного измерения альбедо по мгновенным измерениям без остановок при помощи простых метеорологических приборов и фотоаппарата;- the reality of remote albedo measurements by instantaneous measurements without stops using simple meteorological instruments and a camera;
- экономичность - для большинства задач и решений предложенный способ предоставляет существенное удешевление получения данных в сравнении с возможным применением промышленных фотометров и проекционных яркомеров, которые, к тому же, не дают мгновенных данных;- cost-effectiveness - for most tasks and solutions, the proposed method provides a significant reduction in the cost of obtaining data in comparison with the possible use of industrial photometers and projection bright meters, which, moreover, do not provide instant data;
- возможность непрерывного уточнения результатов съемки - эмпирические коэффициенты для каждого комплекта оборудования по мере накопления данных обычных измерений и измерений выбранным методом могут уточняться и перерассчитываться, повышая точность всех собранных этим оборудованием данных;- the ability to continuously refine the survey results - empirical coefficients for each set of equipment, as the accumulated data of conventional measurements and measurements by the selected method, can be refined and recalculated, increasing the accuracy of all data collected by this equipment;
- получение одновременно с измерениями визуальных данных (фотоснимки), предоставляющих дополнительную информацию (физические свойства снимаемой поверхности, заснеженность, загрязненность, всторошенность, наличие разводий, и т.д.) для анализа, а также возможность по данным снимков фильтрации и удаления нерепрезентативных данных и выбросов, снижающих достоверность полученного массива информации;- receiving along with measurements of visual data (photographs) that provide additional information (physical properties of the surface being taken, snow, pollution, shakeiness, presence of streaks, etc.) for analysis, as well as the possibility of filtering and deleting unrepresentative data from the data of the images and emissions that reduce the reliability of the resulting array of information;
- потенциал развития при использовании камер разного спектрального охвата;- development potential when using cameras of different spectral coverage;
- потенциал замены фоторегистрирующего оборудования яркомерами;- the potential for replacing photo-recording equipment with bright meters;
- низкая трудоемкость определения альбедо исследуемых поверхностей, сокращение временных затрат на сбор данных об исследуемых поверхностях за счет отсутствия необходимости останавливаться для произведения измерения (что продиктовано меньшей инерционностью фоторегистратора по сравнению с пиранометром, и проявляется сильнее всего на поверхностях, обладающих высокой вариативностью свойств на малых пространственных масштабах), а также сокращение числа необходимых операций для определения альбедо (т.е. достаточно только произвести фотосъемку поверхности, измерить суммарную радиацию в ее зоне и произвести несложные математические расчеты), при этом имеется возможность автоматизированного сбора данных об исследуемых поверхностях и их обработки.- low complexity of determining the albedo of the studied surfaces, reducing the time required to collect data on the studied surfaces due to the absence of the need to stop to take measurements (which is dictated by the lower inertia of the photorecorder compared to the pyranometer, and is most pronounced on surfaces with high variability of properties on small spatial scale), as well as reducing the number of necessary operations to determine the albedo (i.e., it is enough to make survey the surface, measure the total radiation in its area and perform simple mathematical calculations), while there is the possibility of automated data collection on the surfaces under study and their processing.
Однако существует ряд сложностей, которые необходимо учитывать при использовании метода.However, there are a number of difficulties that must be considered when using the method.
Так, к недостаткам можно отнести необходимость контрольных измерений для вычисления эмпирических коэффициентов, в случае изменения условий сбора данных, а также необходимость учитывать технические особенности и возможное несовершенство выбранных образцов фоторегистрирующих устройств.Thus, the disadvantages include the need for control measurements to calculate empirical coefficients in case of changing conditions for data collection, as well as the need to take into account the technical features and possible imperfection of the selected samples of photo-recording devices.
Помимо обычных мультизонного, центрально-взвешенного, и точечного экспозамера, в последнее время в фотоаппараты стали добавлять матричный экспозамер. Его алгоритмы определения экспозиции отличаются от «классических», поэтому расчет связи яркости снимаемой сцены и альбедо может быть затруднен. В случае если на фотоаппарате матричный замер заменяет мультизонный, можно использовать центрально-взвешенный замер. Согласно нему сильнейшее влияние на оценку экспозиции будет оказывать центральная треть кадра.In addition to conventional multi-zone, center-weighted, and spot metering, matrix metering has recently begun to be added to cameras. Its exposure determination algorithms are different from the “classic” ones, so calculating the relationship between the brightness of the scene and the albedo can be difficult. If the matrix metering on the camera replaces multi-zone metering, you can use center-weighted metering. According to it, the central third of the frame will have a strong influence on the exposure estimate.
Также стоит учитывать возможность влияния бликов и засветок. Для того, чтобы избежать этого, рекомендуется использовать объективы с блендами. В свою очередь, бленды могут оказывать влияние на коэффициент виньетирования. Помимо этого, использование фильтров также может оказывать влияние на точность определения яркости, поскольку они могут влиять на пропускающую способность связки объектив-фильтр и на виньетирование. Тем не менее, их применение предоставляет потенциально также возможность использования камеры для съемки в конкретных диапазонах спектра. Допустим, зная спектральный охват сенсора камеры и блокируемый фильтром спектр, можно на некоторых связках оборудования получать изображения в инфракрасном (ИК) или ультрафиолетовом (УФ) диапазоне.It is also worth considering the possibility of the influence of glare and flare. In order to avoid this, it is recommended to use lenses with lens hoods. In turn, hoods can affect the vignetting coefficient. In addition, the use of filters can also affect the accuracy of determining brightness, since they can affect the transmittance of the lens-filter bundle and vignetting. However, their application also provides the potential to use the camera for shooting in specific ranges of the spectrum. For example, knowing the spectral coverage of the camera sensor and the spectrum blocked by the filter, it is possible to obtain images in the infrared (IR) or ultraviolet (UV) range on some equipment bundles.
Помимо этого, важно понимать, что точность установки оборудования может оказывать значительное влияние на точность расчетов: непараллельность плоскостей датчика приходящей радиации, сенсора фотоаппарата и снимаемой поверхности, может привести к значительной погрешности результатов.In addition, it is important to understand that the accuracy of the installation of equipment can have a significant impact on the accuracy of calculations: the non-parallelism of the planes of the incoming radiation sensor, camera sensor and the removed surface can lead to a significant error of the results.
При съемке поверхностей, для корректных расчетов, стоит тщательно проверять все настройки камеры, во избежание случайного ввода экспокоррекции или иных изменений, влияющих на экспозицию и яркость получаемого изображения.When shooting surfaces, for correct calculations, it is worth checking carefully all camera settings to avoid accidentally entering exposure compensation or other changes affecting the exposure and brightness of the resulting image.
Другим важным обстоятельством, которое стоит принимать во внимание, является то, что многие производители потребительской фототехники завышают значения светочувствительности матриц, установленных внутри камер. Так, например, по данным лаборатории DXO, заявленной светочувствительности камеры Nikon D610, равной 100 единицам соответствуют реальные 74 единицы ISO.Another important circumstance that should be taken into account is that many manufacturers of consumer photographic equipment overestimate the photosensitivity values of matrices installed inside cameras. So, for example, according to the DXO laboratory, the declared photosensitivity of the Nikon D610 camera, equal to 100 units, correspond to real 74 ISO units.
Наилучшие результаты при использовании метода можно получить на плоских поверхностях и поверхностях с минимальным уклоном, таких как ледовые поля, тундра. Влияние шероховатости поверхности и масштабов съемки требует дальнейшего детального изучения.The best results when using the method can be obtained on flat surfaces and surfaces with a minimum slope, such as ice fields, tundra. The effect of surface roughness and the scale of the survey requires further detailed study.
Все вышеизложенное позволяет утверждать о большом потенциале технического решения, который заключается не только в возможностях применения для измерения альбедо, но и проектирования приборов-альбедометров на основе предложенных принципов, с возможностью установки на различные носители (БПЛА, судовые, носимые), которые обеспечат возможность быстрого и качественного сбора данных на больших площадях.All of the above allows us to argue about the great potential of the technical solution, which consists not only in the possibility of using albedo for measuring, but also in the design of albedometer devices based on the proposed principles, with the possibility of installation on various carriers (UAVs, ship, wearable), which will provide quick and high-quality data collection over large areas.
Claims (17)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016120113A RU2628991C1 (en) | 2016-05-24 | 2016-05-24 | Method of determination of surface albedo |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016120113A RU2628991C1 (en) | 2016-05-24 | 2016-05-24 | Method of determination of surface albedo |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2628991C1 true RU2628991C1 (en) | 2017-08-23 |
Family
ID=59744808
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016120113A RU2628991C1 (en) | 2016-05-24 | 2016-05-24 | Method of determination of surface albedo |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2628991C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2145074C1 (en) * | 1998-08-04 | 2000-01-27 | Селиванов Сергей Николаевич | Process determining albedo |
RU2351919C1 (en) * | 2007-08-02 | 2009-04-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Method determining earth albedo |
CN102103076A (en) * | 2011-02-01 | 2011-06-22 | 中国科学院遥感应用研究所 | Surface albedo inversion method and system |
US20140085625A1 (en) * | 2012-09-26 | 2014-03-27 | Abdelrehim Ahmed | Skin and other surface classification using albedo |
-
2016
- 2016-05-24 RU RU2016120113A patent/RU2628991C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2145074C1 (en) * | 1998-08-04 | 2000-01-27 | Селиванов Сергей Николаевич | Process determining albedo |
RU2351919C1 (en) * | 2007-08-02 | 2009-04-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Method determining earth albedo |
CN102103076A (en) * | 2011-02-01 | 2011-06-22 | 中国科学院遥感应用研究所 | Surface albedo inversion method and system |
US20140085625A1 (en) * | 2012-09-26 | 2014-03-27 | Abdelrehim Ahmed | Skin and other surface classification using albedo |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20200267314A1 (en) | Real time assessment of picture quality | |
Rich | Characterizing plant canopies with hemispherical photographs | |
RU2705767C1 (en) | Device and method of measuring spectral sensitivity of a large diameter radiometer | |
KR101030066B1 (en) | The camera control system for producing the panorama of a map information | |
CN108401113A (en) | Focus detection device | |
CN105571827B (en) | A kind of apparatus and method of the measurement of coronagraph flat field and light intensity demarcation | |
CN101907488A (en) | Image brightness meter based on digital camera and measuring method thereof | |
CN102254315B (en) | Atmospheric visibility observation method implemented by using double digital cameras | |
US20130293761A1 (en) | Image enhancement via calibrated lens simulation | |
KR101969841B1 (en) | Whole-sky camera-based a cloud observation system using the precision illumination data | |
Pawar et al. | Detecting clear sky images | |
JP2018151832A (en) | Information processing device, information processing method, and, program | |
CN201731940U (en) | Image brightness meter based on digital camera | |
Dodonov et al. | One-meter Schmidt telescope of the Byurakan Astrophysical Observatory: New capabilities | |
Gălăţanu | Luminance measurements for light pollution assessment | |
RU2628991C1 (en) | Method of determination of surface albedo | |
CN106605162A (en) | Method for correcting a color reproduction of a digital microscope and digital microscope | |
CN108469418A (en) | Measure the method and optical filter V of FGK type stellar metallicitiesSAGE | |
CN110851965B (en) | Light source optimization method and system based on physical model | |
CN109788278B (en) | Camera glare testing method and glare collecting device thereof | |
CN109632087B (en) | On-site calibration method and device suitable for imaging brightness meter | |
Nickel et al. | Daylight Photometry of Bright Stars--Observations of Betelgeuse at Solar Conjunction | |
Haussmann et al. | Streak detection of space debris by a passive optical sensor | |
Fliegel et al. | Meteor automatic imager and analyzer: current status and preprocessing of image data | |
Krüger et al. | 71‐4: Imaging Luminance Measuring Devices (ILMDs)‐Characterization and Standardization with Respect to Display Measurements |