Resolución de la cámara: Elios 1 & Elios 2

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23/12/2019

 

Resolución de la cámara de los drones: tres medidas que debe conocer

La resolución de imagen puede tener varios significados. Es una pregunta central para muchas tareas que requieren una alta calidad de los datos. Pero, ¿cuál es una buena resolución? ¿Cómo cuantificarlo? ¿Es solo una cuestión de cámara, o también está relacionado con las habilidades del piloto y el uso del dron de la manera correcta?

En este artículo, presentamos tres medidas importantes para describir la resolución de una cámara de dron. Para ilustrar estos conceptos, nos referiremos a los las cámaras de los drones: Elios 1 y Elios 2.

 

Resolución de píxeles

La resolución de píxeles de una imagen es el número de píxeles que componen la imagen. Se expresa por el número de columnas y filas, como 1920 x 1080, o directamente por el número total de píxeles, como 2.1 MP (1920 x 1080 = 2.073.600).

 

Elios 1 resolución pixel
Vídeo FHD 1.920 x 1.080 2.1 MP
Elios 2 resolución pixel
Vídeo FHD 1.920 x 1.080 2.1 MP
Vídeo 4K 3.840 x 2.160 8.3 MP
Fotografía 4.000 x 3.000 12 MP

 

La resolución de la imagen indica el tamaño de la imagen, pero esta variable considerada individualmente no dice mucho acerca del tamaño al que aparece un objeto en la imagen, o cuál es el nivel de detalle que se puede observar en la imagen. Para responder a estas preguntas, tenemos otras variables, como la distancia de muestreo del terreno y la resolución espacial.

Medida Aplicación
Resolución pixel Intercambio y almacenamiento de datos, visualización de imágenes y zoom digital.
Distancia de muestreo en tierra (GSD, mm / px) Mediciones, Fotogrametría
Resolución espacial (lp / mm) Objeto detectable más pequeño, caracterización

 

Distancia de muestreo de tierra

La distancia de muestreo del terreno (GSD), en mm / px, es la distancia entre los centros de dos píxeles adyacentes, medida sobre el objeto observado. Un GSD de 1 mm / px significa que un píxel en la imagen representa 1 mm en el mundo real. Un GSD más pequeño significa que el objeto aparecerá más grande y que los detalles más pequeños serán visibles en la imagen.

A diferencia de la resolución de píxeles, el GSD depende de la distancia entre la cámara y el sujeto: el GSD mejora (valores más pequeños) cuando la cámara se acerca a los objetos. Con una lente ojo de pez, el GSD también depende de la posición del objeto dentro de la imagen. Los objetos en el centro de la imagen tienen un GSD más pequeño (parecen más grandes) y los objetos en las esquinas tienen un GSD más alto (parecen más pequeños).

 

Esta figura muestra cómo el GSD varía en la imagen, cuando el Elios 2 se enfrenta a una pared vertical plana. Se obtuvo midiendo automáticamente el tamaño, en la imagen de un patrón de cuadrícula regular en la pared.

 

La distancia de muestreo del terreno es una métrica importante a tener en cuenta para la fotogrametría y las mediciones en las imágenes. Sin embargo, no describe completamente la capacidad de detectar y caracterizar un objeto o defecto en una imagen.

Considere dos imágenes tomadas por la misma cámara y a la misma distancia de la escena. Ambas imágenes tienen la misma resolución de píxeles y GSD. Sin embargo, en un caso la iluminación era insuficiente y la cámara tuvo que aumentar el valor ISO o el tiempo de exposición para mantener una exposición correcta. El ISO alto produce ruido en la imagen y el tiempo de exposición prolongado produce desenfoque de movimiento cuando la cámara se mueve. Esto reduce la calidad de la imagen y, finalmente, la capacidad de distinguir pequeños detalles en la imagen.

 

Las dos imágenes en la parte superior tienen la misma resolución de píxeles y el mismo GSD: han sido tomadas por Elios 2 a la misma distancia. En las vistas de primer plano (abajo), vemos que la imagen de la derecha se ve afectada por el desenfoque de movimiento, lo que reduce el nivel de detalle en la imagen en comparación con la imagen de la izquierda, donde el dron era estable.

 

Resolución espacial

La resolución espacial, o resolución angular, describe los detalles más pequeños que son visibles en la imagen. A diferencia del GSD teórico, la resolución espacial se puede expresar en una unidad diferente que tiene en cuenta el desenfoque, el ruido de la imagen, el contraste y el procesamiento de la imagen en general: compresión, eliminación de ruido, nitidez de bordes, etc. La resolución espacial es, por lo tanto, la métrica adecuada para cuantificar la capacidad de detectar y caracterizar un objeto en la imagen.

La resolución espacial a menudo se expresa en «pares de líneas por milímetro». Esta unidad se utiliza para describir la frecuencia espacial de los patrones de líneas blancas y negras alternas.

 

Izquierda: patrón con una frecuencia de 2.5 lp / mm. Derecha: 5 lp / mm

 

Una resolución espacial de 2 lp / mm indica que se puede distinguir un patrón con dos ciclos por milímetro (dos líneas negras y dos blancas) en la imagen. Un patrón con una frecuencia más alta aparecerá gris, porque las líneas en blanco y negro se mezclarán en la imagen. En este caso decimos que el patrón no está resuelto.

 

 

Instantánea de una imagen tomada por Elios 2 (video 4K) a 300 mm de una tabla de resolución USAF 1951. El elemento resuelto más pequeño es el elemento 1, grupo 1 (indicado por la flecha verde). En el elemento 2 (justo debajo), el contraste comienza a disminuir significativamente y las líneas individuales no se pueden distinguir.

La resolución espacial suele ser mayor en el centro de la imagen que en los bordes y esquinas, donde la lente tiene una calidad inferior. Además, la resolución espacial es una característica isotrópica (direccional). Los patrones de líneas verticales y horizontales pueden no resolverse de la misma manera.

La resolución espacial también depende de la distancia de enfoque de la cámara y la profundidad de campo. En el caso de Elios 2, la resolución espacial más alta se logra cuando el objeto está a una distancia de 15 a 30 cm de la cámara. Si el objeto está más cerca, aparecerá más grande en la imagen (menor GSD) pero estará desenfocado y aparecerá borroso, lo que reduce la resolución espacial.

 

Para obtener la mejor resolución espacial y por la razón mencionada anteriormente, es muy importante conocer la distancia más corta permitida por el foco de su cámara de dron y permanecer a esta distancia durante la captura de datos. Para ayudar al piloto a volar a la distancia óptima de un objeto inspeccionado, Elios 2 presenta la función de bloqueo de distancia y Cockpit (la aplicación de la estación de control de control de Elios 2) muestra la distancia del dron al objeto y el GSD resultante (en mm / px) . La resolución espacial se indica mediante la media de un código de color, como se explica en la tabla a continuación.

 

 

Tenga en cuenta que las pantallas pequeñas reducen la percepción del desenfoque de la imagen, porque la imagen se reduce a la resolución de la pantalla. En el caso de Elios 2, puede tener la tentación de volar a 15-20 cm sin notar la imagen borrosa. Pero tenga en cuenta que su metraje 4K grabado será más nítido y más atractivo si se queda a 30 cm.

Además de una distancia adecuada, las siguientes condiciones mejoran la resolución espacial y la calidad de la imagen en general:

– Gran cantidad de luz para que la ISO de la cámara sea baja y el tiempo de exposición sea corto
– Dron estable para reducir el desenfoque de movimiento
– Limpieza de la lente de la cámara: ¡las huellas digitales en la lente también hacen que la imagen se vea borrosa y puede causar deslumbramiento!

 

Más que resolución

La resolución espacial es una métrica importante para evaluar la calidad de la imagen y la capacidad de detectar o caracterizar objetos de interés durante una inspección visual. Sin embargo, otros factores también juegan un papel importante:

– Técnica de iluminación
– Colores (contraste, balance de blancos, etc.)
– Capacidad para observar desde diferentes ángulos
– Calidad de la pantalla de visualización

Los puntos mencionados anteriormente realmente van más allá de la resolución de la cámara y deben ser abordados por el UAS (Sistema aéreo no tripulado) en su conjunto. El pequeño tamaño de Elios 2 y su tolerancia a la colisión le permiten acceder al objeto y observarlo desde varios ángulos de visión. Además, su avanzado sistema de iluminación puede mejorar la percepción de los detalles en 3D y facilitar la detección de grietas, agujeros o asperezas. Definitivamente, estas características hacen una buena parte de la capacidad de Elios 2 para detectar y caracterizar sus objetos de interés.

Con algo de práctica, mejorará sus habilidades de pilotaje y centrará su atención en la captura de datos en lugar de la navegación. Teniendo en cuenta los conceptos explicados en este artículo, mejorará en gran medida la calidad de imagen de su metraje.