LABORATORIO DE GEOTECNIA Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
Area Sensores Remotos
La incorporación de datos analógicos al formato digital (v.1) Ernesto Guillermo Abril GeoLab, Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales CREAN – Facultad de Ciencias Agropecuarias Universidad Nacional de Córdoba - CONICET
Apuntes Activos 1 Versión 1, junio de 2010
Escaneado (scanning) Una forma de generar una imagen digital a partir de una imagen impresa es la del escaneado. Se trata de un método sencillo que es actualmente accesible a través del cual se logra, desde una imagen analógica, una imagen numérica. El proceso es semejante al de las tomas directas a través de cámaras digitales. En los modelos estereoscópicos obtenidos con fotografías aéreas se obtienen precisiones del orden de las 15 µ, por lo cual, si lo que se pretende escanear es una aerofotografía, la resolución óptica del escáner debe ser la adecuada para no desperdiciar datos de la imagen original.
¿Qué es un escáner? Un escáner o escáner de computadora (de inglés: scanner, barredor) es un aparato electrónico periférico (externo a la PC) que se utiliza para convertir imágenes analógicas en imágenes digitales. Estas imágenes dibujos o textos.
pueden
ser
fotografías,
El proceso lo realiza a partir del barrido (recorrido) de un haz de luz sobre la imagen original y de la captación del resultado de tal incidencia del haz de luz en la imagen, grabando el resultado de la misma.
Esta grabación de los niveles de energía resultante se traduce numéricamente y los datos pueden ser entonces estudiados a partir del análisis numérico. 1
Notas técnicas electrónicas en revisión continua.
Tan avanzado se encuentra este tipo de proceso que los escáners vienen hoy acompañados de un software de reconocimiento de caracteres y pueden entonces “leer” dibujos, reconocer letras y pasarlas a un formato legible para un procesador de textos. Hay una variada gama de escaners: de rodillo, de mano, planos (los más difundidos), cenitales (para el escaneo de documentación muy frágil), de tambor (lentos, de precisión), para microfilms, negativos, etc. Los escáners planos presentan una superficie plana de vidrio sobre la que se coloca el documento a escanear. Un brazo con una fuente de luz y un foto sensor (CCD, generalmente) se desplaza hasta abarcar el área de cobertura.
A medida que se va desplazando el brazo, la fuente lumínica ilumina la superficie del documento mientras el sensor CCD2 va recogiendo los rayos reflejados. Estos rayos son almacenados y enviados a un programa (software de conversión analógico/digital) para su transformación en una serie de datos ubicados en un sistema de referencia x-y. La decodificación de estos niveles de energía a niveles de gris/color permite la generación de una imagen en formato de mapa de bits (bitmap, BMP). Esta secuencia es aplicada a cara unidad relevada, que es llamada pixel (de: picture element). La mayoría de los escáners puede trabajar en escala de grises (256 tonos de gris) y en colores (24 y 32 bits)3. Por lo general tienen resoluciones reales de entre 300 y 2400 ppp (dpi). 2 Los CCD son el elemento principal de las cámaras fotográficas digitales. Son sensores con diminutas células fotoeléctricas (unidades fotovoltaicas o sensibles a la luz). La capacidad de resolución o de detalle de la imagen lograda depende del número de células fotoeléctricas que posea el CCD y se expresa en pixeles. Cuanto mayor es el número de píxeles, mayor es la resolución. Los pixeles del CCD registran gradaciones en las tres sub regiones del visible, los colores básicos azul, verde y rojo. Un conjunto de tres pixeles, uno sensible a cada color, conforma la llamada célula fotoeléctrica. 3 El término bit es un acrónimo de Binary digit (dígito binario). Un bit es un dígito de un sistema de numeración llamado binario. En el sistema binario se emplean solamente dos dígitos: el cero y el uno. Un bit representa a uno u otro. En las viejas memorias de computadora (en los años ´80) se podían ver a simple vista y físicamente los bits. Un conjunto de unos 4x4 cm correspondía a 512 bytes. El bit es la unidad mínima de información empleada en informática. Con él se pueden representar dos valores cualquiera a la manera verdadero o falso, o abierto o cerrado, blanco o negro, norte o sur, rojo o azul, etc. A tales efectos, basta con asignar uno de esos valores a cada uno de los dos estados. Ocho bites forman un byte. La palabra byte (Buchholz, 1957) es una secuencia de 8 bits contiguos, y se usa como unidad básica de almacenamiento de información. Deriva de un submúltiplo del tamaño de palabra de un ordenador. La explosión de las PC se debió a la creación de los micro procesadores. Estos tenían 8 bits (en los ´80).
Los prefijos usados para medidas de byte normalmente son los mismos que los prefijos del SI utilizados para otras medidas, pero tienen valores ligeramente distintos. Se basan en potencias de 1024 (210), un número binario conveniente, mientras que los prefijos del SI se basan en potencias de 1000 (103), un número decimal conveniente. La tabla ilustra estas diferencias.
Aspectos relacionados con la resolución De acuerdo con lo expuesto por Ihrig (1996), existen diferentes tipos de resolución, según la etapa de producción en que la imagen se encuentre, aunque se hace referencia habitualmente a la cantidad o densidad de información digital que se maneja. Resolución de entrada o resolución de escaneado Es la cantidad de información que la imagen tendrá al realizarse el escaneado. Está limitada por la capacidad del escáner utilizado (no puede ser superior) y puede ser variada en cada escaneado mediante la selección que hace el operador, de acuerdo con sus requerimientos. Resolución óptica Es la máxima cantidad de información que un escáner o cámara digital pueden muestrear. La información se expresa en los escáners en puntos por pulgada (ppp) (o dpi, en inglés) o en una cantidad fija, en el caso de las cámaras digitales. Resolución interpolada Es la máxima resolución obtenida a partir de software. Los programas de computación logran, mediante métodos de interpolación entre los pixeles originales de la imagen, nuevos pixeles “artificiales”. Esta intervención de procedimientos estadísticos parta obtener nuevos valores en función del entorno no pueden sino considerarse, objetivamente hablando, de una perturbación del dato original. Este tipo de resolución se emplea principalmente para el proceso de impresión, cuando se considera necesario aumentar la calidad visual del producto. Es un recurso más bien de carácter estético. Este método no se usa en análisis o en procesamiento digital de imágenes, ya que altera la integridad de los datos originales, tanto geométrica como (y
principalmente) radiométrica. La pureza de los datos originales es un requerimiento básico en investigación científica Resolución del monitor Esta resolución se refiere desplegarse a la vez en la resolución está relacionada modifica los datos originales, inalterable.
a la cantidad de información que puede pantalla o el monitor de visualización. Esta con los requerimientos del operador. No o sea que la calidad de la imagen se mantiene
Resolución de salida Esta resolución está referida al número de puntos por pulgada que contiene el archivo digital final a imprimir a posteriori. El método de reproducción de la impresión y la resolución del dispositivo de salida usado son los que determinan la resolución de salida de la imagen. Resolución de impresora Se refiere al número de puntos por pulgada (horizontales y verticales) que un dispositivo de salida puede generar. Se refiere directamente a la calidad de impresión en cuanto a la fidelidad del producto de salida.
La digitalización La digitalización es un proceso mediante el cual se transforma una señal analógica (variable continua), en una señal digital (variable discreta). La señal es digitalizada para poder ser usada en computadoras. Las computadoras utilizan el código binario, con n números de bits por byte, por lo cual la digitalización se hace en potencias de 2. A grandes rasgos, para llevar a cabo una digitalización, el rango de voltaje de entrada de la señal analógica se divide por el valor 2n, donde n es el número de bits que posee el conversor. El resultado de esta división es el intervalo dentro del cual la señal analógica tendrá el mismo valor para el digitalizador. De esta manera, los valores digitales se irán registrando según el valor de la señal analógica en dichos intervalos. Por ejemplo: si la señal va a ser digitalizada por un conversor 23, la señal analógica será dividida en 2×2× 2 = 8 intervalos. Todo voltaje que esté comprendido dentro de un determinado intervalo será digitalizado entonces según su correspondiente valor digital
Algunos experimentos Estamos acostumbrados a percibir la información de ciertas formas tradicionales, muchas veces tan estructuradas que no nos permitimos “explorar” otras alternativas. Algunos experimentos interesantes consisten en sacar a nuestro “cerebro” de sus cánones tradicionales, lo cual motiva inmediatamente a nuevas preguntas. Las preguntas son propias de la ciencia, especialmente las preguntas no respondidas, si están bien formuladas. Esto que hemos dicho se puede entender fácilmente al analizar la historia reciente de la fotografía… y por qué no la historia presente. Vemos una fotografía blanco y negro sin siquiera preguntarnos por el color de las cosas. La fotografía artística, inclusive, sigue prefiriendo la modalidad de escala de grises.
Inmediatamente el cerebro localiza las cosas, las identifica y les asigna su identidad correspondiente, simplemente por familiarización, porque estamos acostumbrados a ver las cosas también así, en blanco y negro. La exploración de los códigos de colores ya aceptados se encuentra en el ámbito de la percepción remota. Los falso colores compuestos tradicionales son una documentación aceptada, a pesar de que se trata de colores “falsos”. Algo semejante ocurre con el NDVI. Vemos entonces que no se trata sino de “códigos”, de ver las cosas de otra manera. Decíamos que esto hace ingresar al cerebro a nuevos desafíos. Veamos si no cuánto cuesta acostumbrarse a ver en falso color compuesto o en NDVI, cuando uno es recién ingresado a esta disciplina de los sensores remotos. Ya en el pasado hemos experimentado, a fuerza de carencias, los resultados sorprendentes de nuevas formas de analizar una información. Hemos incursionado en este tema por allá por los albores del PDI en nuestro país, aplicando técnicas no tradicionales de procesamiento y de análisis de información.
En esas oportunidades recurrimos a técnicas no convencionales de saturación, visión lateral simulada multi-direccional, variación del ángulo lateral de estudio y cambio de escala por distancia de observación (Abril, 1989). Para el ambiente duro de nuestro país, en ese entonces, era casi un juego sin valor. Sin embargo, ante los que hacía ya tiempo tenían la oportunidad de utilizar las nuevas tecnologías digitales, aparecía como un interesante rescate de aquello que no se usaba allí pero que daba excelentes resultados. No habíamos hecho otra cosa que re-descubrir la pólvora, pero nos permitía trabajar, y trabajar bien. Una experiencia interesante, dentro de nuestro tema original, que es la incorporación de la documentación analógica al formato digital, consiste en escanear en formato color la información en blanco y negro (aerofotografías, en nuestro caso). Sabida es la limitación analítica de la visión humana que, si bien nos permite ver en colores (ámbito del visible), no nos permite separar la información según su longitud de onda de cada rango de color. Vemos en colores, pero en todos los colores juntos. Sabemos sin embargo que hay mucha información que se destaca en cada uno de estos rangos del visible. Esa propiedad, en panoramas complejos, nos permitiría diferenciarla. No obstante, dado que vemos en todos los colores, nos es más dificultoso localizarla, distinguirla y extraerla. Hemos aplicado con singular éxito, decíamos, el escaneo color de aerofotografías pancromáticas. Esto nos permitió dividir el conjunto de datos de la escena en tres canales. La originalidad no fue que cada canal fuese un color, cosa imposible, sino que a cada canal pudiésemos asignarle un color y, a partir de ello, generar un color compuesto no tradicional. En nuestro caso, esto nos permitió analizar texturas en paleocostas (playas arenosas y salinas de la Salina de Ambargasta) y tipos de vegetación en montes de islas en ambiente de esa salina de la provincia de Córdoba. Tan solo la generación de nuevos patrones color o la separación de patrones texturales merced la diferenciación que permitió el color se tradujo en una importante ayuda en el proceso de un cartografiado objetivo de límites de zonas.
Aplicaciones del escaneo de información analógica Nuestra mente funciona mejor cuanto más cerca se encuentra una evidencia de otra. Así, si por algún método, pudiésemos hacer que las evidencias se encuentren, por ejemplo, que se solapen, que esté, en la misma posición
geográfica, su confrontación nos permitirá analizar más objetivamente su congruencia, su concordancia o no. Desde allí surgirán nuevas preguntas a responder, nuevas oportunidad de encontrarnos con la verdad, en la medida que podamos responderlas y en la medida en que todo cierre. Cuando los datos son muchos, o cuando el panorama es complejo, conviene a veces digitalizar la información analógica disponible y geo referenciarla en un sistema único para poder solaparla, comparar y extraer conclusiones. No es nada nuevo. Se trata de aplicar exactamente el mismo principio de composición de bandas que nos permite llegar a un falso color compuesto y, a partir de allí, estudiar mejor las cosas. Habitualmente disponemos de información de un mismo lugar, proveniente de diferentes fuentes: una carta topográfica oficial, aerofotografías pancromáticas, y de distintas fechas y en diferentes escalas, mapas, una hoja geomorfológica o geológica, incluso viejos mapas y esquemas históricos… en fin, todo lo resultante de la tradicional recopilación de información previa a un trabajo de estudio temático. Si bien a veces es bastante complicado encontrar puntos en común para poder geo referenciar esta documentación, si bien tampoco es fácil escanear grandes mapas en partes y luego unirlas digitalmente, los beneficios de poder analizar los datos temáticos punto a punto son, en ocasiones, fantásticos. Es importante recalcar aquí que es el propio analista el que debe juzgar previamente cuán rendidor y efectivo puede resultar este proceso para recién embarcarse en él, porque es una tarea laboriosa y, en ocasiones, monumental. De todas formas, y siempre pensando en el futuro y en facilitar las cosas a la posteridad, un buen legado a los profesionales que nos siguen es dejar esta documentación en un formato compatible y fácilmente disponible. Es encomiable entonces la labor de los departamentos técnicos oficiales que encargan a su personal esta paciente y minuciosa labor para luego hacerla pública en la WEB. Debemos valorar especialmente esta tarea y a quienes la realizan, ya que, además, están permitiendo re-leer a los viejos artífices de nuestra documentación científica gráfica, muchas veces pioneros que desarrollaron su trabajo en ambientes inhóspitos, con mínimos recursos, muchas veces en soledad y en minuciosa e inteligente y perseverancia labor.