Hidrológiai Közlöny 2008 (88. évfolyam)

5. szám - Gálai Antal: A web-kamerás folyami jégmegfigyelés alapjai

18 HIDROLÓGIAI KÖZLÖNY 2008. 88. ÉVF. 5. SZ. résben használatos lényegkiemelő algoritmusokat is, melyek a jégtábla felületek mint síkbeli idomok magját ún. kerneljét derítik fel. Az egészségügyben használatos CT szkennerekre alapozott, nagy pénzügyi forrásokkal támogatott széleskörű kutatásoknak köszönhetően bőven válogathatunk a későbbi szimulációhoz jól illeszkedő algoritmusokból. A jégtáblamozgások — benne a zajlás és a torlaszképződés - vizsgálatakor az érintkezési felületnek nagy jelentősége van a fizikai esemény lefolyására, ezért a túlzott egyszerűsítés és osztályozás helyett vagy mellett a jégtáblák határvonalainak vizsgálatára és archiválására van szükség. A most ismertetett vizsgálat szűkös keretei nem tették lehetővé a minden publikált lényeges határsimító és magfelderítő algoritmusra kiterjedő ellenőrzést, de a rendelkezésre álló eddigi limitált mennyiségű alapadat nem is indokolta a nagyobb léptékű alakzatstatisztikai feldolgozást. Eddigi munkánk célja az alapelvek tisztázása és a jövőben keletkező és archiválásra kerülő felvétel-sorozatok elő-feldolgozása mellett a későbbi feldolgozásban használatos metódusok oktatási ismertetése, valamint alkalmazhatóságának és bevezethetőségének vizsgálata volt. A színkocka A jégtábla alakzat határdetektálásakor első lépésben a víz kontra jég (szín)kontraszt beállítása volt a fontos, ennek értékét két módon vettük figyelembe. Az egyik mód a szürkeségen, a másik a színen alapult. A hétköznapi digitális képrögzítők - köztük a webkamerák - a színeket 24 bites RGB felbontásban rögzítik. Ekkor illusztrációmban minden egyes szín szemléletesen egy kocka, a „színkocka" egy pontjával jellemezhető. A színkocka élhossza az alapszinenkénti 8 bites mintavételből következően 256, egyik sarka az origó, míg a többi sarok koordinátái már 255-ös értéket is felvesznek, s az origóul választott sarokból induló élek képviselik az RGB színfelbontás egy-egy alapszíntengelyét. A színkocka egészértékű koordinátái a kép pontjai, s képen belüli gyakoriságuk ismerete hasznos a képkompresszió során, de ez nem vizsgálati célunk jelenleg. Egy képpont szürkeségét a pixel színének a képkocka fekete pontot jelentő origóját és a vele átellenes sarkon lévő fehérpontját összekötő belső átlóra vetített képének osztási aránya jellemzi. Az átló hossza 256 * köbgyök három. A vízfelület és a rajta lévő jégtáblák így képzett szürkeárnyalat szerinti elválasztása erősen befolyásolja a jégnek tekintett képelemek kiválasztását, hisz a kép a keletkező jégtábla kásás vízétől a szilárd jégig gyakran szinte a teljes színátmenetet lefedi. A szürkeségküszöböt viszont befolyásolja a képpont megfigyelési szöge, a napszak és a felhőtakarótól függő fényviszonyok is. Esetünkben a délutáni felvételeknél a nap visszatükröződhet a vízben, s ilyen esetben — ahogy azt megfigyeltük a régi analóg kameránál is - a vakító fehér vízben épp a jégtáblák a fekete foltok. Láthatjuk, hogy mind a szürkeárnyalat, mind a színek szerinti víz-jég szeparálásnál jelentős szerepet játszhat az elemzett pixel térbeli helye. A határvonalak 3 bites tárolása A jégtábla meghatározásánál a számításokat a határvonal mentén végeztük, e határvonal pixelenkénti bejárásakor az egységnyi környezet 3*3-as négyzetének külső 8 pontjából csak kettőt - egy előzőt és egy követőt - vettünk figyelembe. Ez egyben azt is jelenti, hogy a kezdőpont koordinátáit megadva a kerület bejárható a szomszédos pixelkörnyezet 8 pixelének indexét - mint 3 biten elférő számot - felsorolva, vagyis minden egyes követő pixelpont tárolható 3 biten, összefűzve őket 3 bájtonként 8 ponttal. Egy szokott képméret esetén ez a határpixelenkénti 2*2 bájtos koordinátapár 32 bitje helyett csupán 3 bitet vesz igénybe. A lánc vége lehet az első helyre való visszatérés, de az is, hogy az esetleg nem is zárt „pixel-folytonos" görbe végén egy lépésben ugyanoda lépünk vissza,ahonnan épp jöttünk, hisz a pixellánc belsejében mindig csak 7 helyre léphetünk - ahonnan jöttünk oda nem - de ezzel már bitet sajna nem spórolhatunk. A 3bites - 3bájt/8pont - takarékos tárolás hatásfoka általános tömörítő eljárással tovább már nagyon nem növelhető, de ez már mind az archiválás, mind a későbbi feldolgozás számára megfelelő, (részletes példa a Függelékben!) További optikai megfontolások A kezdetben szürkeség alapján szétválasztott képrészek színe alapján is végezhetjük a jégtáblapontok meghatározását. Ekkor az archivált képeken korábban jégnek tekintett pontok elemzésével lehet az esetleg időtől és helytől, mi több, más képrészek - lásd égbolt stb. - esetleges egyéb jellemzői függvényében egy - akár szürkeségtől, akár színtől is függő - függvényt kialakítani. A vizsgálat kezdeti szakaszában a jégnek és a víznek tekintett pixelek színének átlagolását végeztük - egyenlőre térbeli helytől függetlenül. Ekkor az így keletkezett víz- és jég-átlagszíntől való színkockabeli távolság, vagy irány alapján dönthetjük el a pont „jegességét". Meg kell jegyeznünk, hogy a reflexiót legjelentősebben befolyásoló fénytörés következtében a nézőponttól függő vízszínváltozások következtében a képen belüli pixelhelytől független színértékelés a szürkeárnyalattól esetenként rosszabb eredményeket szolgáltatott. Nyilván három átlagot kell majd a következő vizsgálatban végezni, az egyik marad a jég, míg a vízfelület átlagértékét mind a lapos beesési szögű reflexív területen, mind a fénytörésből következő beesési szöghatártól meredekebb szögben érkező tükrözésmentes területre, vagyis a kamerától induló a törésmutatóktól függő szöggel kapcsolatos palástú kúp vízsíkkal való metszetére is külön kell meghatározni. Közönséges polár-szűrő alkalmazása csökkenti az égbolt reflexióját. Természetesen az egész jégelválasztásra nincs szükség, ha a kamera kellő érzékenységű infravörös érzékelős. Megoldást jelenthet egy - sztereo képalkotásban is hasznos - kamerapár esetén, ha az egyik kamera a fagypont körüli hő-tartományra kalibrált IR előszűrővel készült felvételét összevetjük a normál felvétellel, a különbség oka a hőmérsékletben keresendő, s ezáltal ez a jégbecslésre használható. Hozzá kell tennünk, hogy az alkalmazás során a web-kamera felvételek elemzésekor a jövőben összegyűlő tapasztalat alapján a színelemzés további finomítására van szükség. Az alaposabb vizsgálat egyik kiaknázandó törvényszerűsége a web-kamera elhelyezésének a víz törésmutatója által meghatározott szöggel való viszonyában rejlik. A másik csoportba tartoznak a külső megvilágítás változásaitól, vagyis a napszaktól és az égbolt felhőborítottságától függő körülmények. A jégmegfigyelésen kívül a vízszínváltozás is lehet a webkamera adatok feldolgozási célja, ez esetben a merőlegeshez közelebbi, nagyobb beesési szögű területek a mérvadóak, de ez esetben is szükség van a kamerán elérhető égboltszelet algoritmizálandó figyelésére. Mindezek mellett a napszaktól és a meteorológiai helyezettől függő körülményeket jól jellemezheti egy 180 fokos látószögű kiegészítő kamera, mely a Nap elhelyezkedésére vagy a felhőtakaró, esetleg köd jellemzőire ad kiegészítő feldolgozási paramétereket.