Ünite 3: Fotogrametrinin Optik ve Fotoğrafik Temelleri

Fotogrametrinin Optik Temelleri

Metrik kameralar: Ölçü kamerası, metrik kamera adı da verilen fotogrametrik kameralar genel olarak bir fotoğraf makinasıdır. Diğer fotoğraf makinalarından farkı geometrik bakımdan merkezsel izdüşüme teorik olarak sadık olmasıdır. Metrik kameraların en önemli özelliği iç yöneltme elemanları ve kamera distorsiyon hatalarının bilinmesidir.

Fotoğraf düzlemi: Objektiften a uzaklığında bulunan bir nesnenin net görüntüsü, yine objektiften itibaren c uzaklığında olan bir düzlemde oluşur. Burada f objektifin (mercek sisteminin) odak uzaklığıdır. Özellikle hava fotogrametrisi uygulamalarında nesnenin objektife olan a uzaklığı, f odak uzaklığına göre çok büyüktür. Bu nedenle a = ? alınabilir. Uzaydaki bir noktanın görüntüsü, aslında bir odak yüzeyi adı verilen bir yüzey üzerinde oluşur. Fotogrametrik kameralarda bu yüzey tam bir düzlemdir. Bunun için özel vakum veya askı düzenekleri ile pozlanmada filmin tam bir düzlem olması sağlanır.

Fotogrametrik kameralarda kullanılan mercek sistemleri çok sayıda merceğin bir araya getirilmesi ile oluşturulmuş sistemlerdir. Geometrik olarak bir nokta şeklinde düşünülen izdüşüm merkezi yerine, biri nesne, diğeri fotoğraf uzayında olmak üzere iki izdüşüm merkezi vardır. Bu iki noktanın tek bir izdüşüm merkezi olarak alınmasında, ışının optik eksenle yaptığı açının çıktıktan sonrada aynı kalması koşulu ile hiçbir sakınca yoktur.

Fotogrametride kullanılan mercek sistemlerinin dayandığı temel ilke merkezi izdüşümdür. Merkezi izdüşüm, cisim noktalarından yayılan ışın destesi bir izdüşüm merkezinde toplanarak fotoğraf düzlemi üzerine izdüşürülmesidir. Mercek sistemi tarafından kırılan ışın görüntüde çeşitli kusurlara neden olur. Bu kusurlar aberasyon olarak adlandırılır. Aberasyon, optik sistemdeki bazı kusurlardan dolayı, nesnelerin görüntülerinde oluşan bozulmalara denir. Aberasyonun bilinen 5 yaygın tipi, monokromatik aberasyon olarak da ifade edilen Seidel’in beş aberasyonudur.

1. Küresel aberasyon
2. Koma
3. Astigmatizm
4. Görüntü alanının eğriliği
5. Distorsiyon

Bu kusurların tamamen ortadan kaldırılması mümkün değildir. Fakat mercek tasarımı esnasında kontrol edilebilir ve mercek için en uygun koşullar sağlanabilir.

Kromatik Aberasyon : monokromatik ışığın sebep olduğu Seidel’in beş aberasyonundan farklıdır. Farklı dalga boyuna sahip ışınların optik izdüşüm sonunda farklı yerlerde oluşmaları sonucu, şekillerin keskinliği kaybolur ve renkler yayılır. Hatanın etkisini kaldırmak için belirli dalga boyuna sahip ışınları yutan filtreler kullanılır.

Küresel Aberasyon : Küresel yüzeye sahip merceklerde, optik eksene paralel gelen ışınlar odak düzleminde tek bir noktada odaklanmaz. Bazıları odağın gerisinde, bazıları da odağın ilerisinde kesişir. Optik eksene yakın gelen ışınlar uzakta kesişirler. Bu kusur küresel aberasyon olarak adlandırılır. Keskinlik kaybolur, bulanıklaşır ve hale şeklinde görüntü oluşur. Bu kusur, merceklerin uygun kombinasyonları ile azaltılabilir.

Koma: Optik eksenin dışındaki noktalardan gelen ışınların neden olduğu aberasyona koma adı verilir. Nokta olarak görünmesi gereken ışınlar kuyruk şeklinde bir izle görünürler. Yani kuyruklu yıldız gibi, ismini de bu görünümünden almıştır. Diyaframın kısılmasıyla etkisi azaltılabilir.

Astigmatizm: Optik eksenin dışındaki noktadan gelen ışının etkilendiği diğer bir aberasyon ise astigmatizmdir. Dar açı oluşturacak şekilde gelen ışınlar iki ayrı yüzeyde görüntü oluştururlar. Astigmatizm keskinliğin azalmasına ve bulanık noktalara neden olur. Astigmatizm azaltılabilir fakat diyaframın kısılmasıyla ortadan kaldırılamaz.

Görüntü Alanının Eğriliği: Görüntü alanın eğriliği, küresel aberasyon, koma ve astigmatizme benzemez, noktalar nokta olarak görünür fakat odak noktası karşı tarafta görüntü merkezine karşılık gelmez ve görüntü düzlemindeki kenar üzerindedir. Görüntü kenarlarına doğru şekil gittikçe eğilmektedir.

Distorsiyon: Optik eksene eğik gelen ışınların farklı kırılma indisli yüzeylere gelip farklı biçimde kırılmalarıdır. Bir P noktasından gelen ışın kamera ekseni ile t açısı yaparken kamera objektif sistemindeki kusurlardan dolayı fotoğraf uzayında t ' açısı yaparak çıkacaktır. Sonuç olarak P noktasının görüntüsü (P') noktası yerine olması gerekenden Ä r kadar farklı bir konumda P' noktasında oluşacaktır. Bu farka kamera distorsiyon hatası denir. Distorsiyon diğer aberasyonlardan farklıdır. Distorsiyon, görüntü geometrisini etkileyen bir hatadır. Fotoğraf üzerinde nesnenin konumunun değişimine sebep olur. Bu nedenle herhangi bir geometrik distorsiyonun varlığı, fotogrametride çok önemlidir ve fotoğraf üzerinden herhangi bir metrik ölçüm yapılacağı zaman dikkate alınmalı ve kameranın geometrik kalibrasyonu ile ortadan kaldırılmalıdır.

Fotogrametrik kameraların teknik özelliklerini ve gerekli parametreleri içeren raporlara kalibrasyon raporları denir. Bu raporlar kamera üreten firma tarafından, ilk üretim sırasında hazırlanır ve kullanıcıya verilir. Kullanıcı, iki-üç yılda bir kamerayı test etmek suretiyle bu raporun yenilenmesini isteyebilir. Kalibrasyon raporlarında, iç yöneltme elemanları, distorsiyon hatası değerleri ve objektifin ayırma gücü değerleri bulunur. İç Yöneltme Elemanları: Kalibrasyon raporlarında asal uzaklık değeri (c) ve asal noktanın konumu (x0, y0) verilir. Asal noktanın konumu ile birlikte, ya da bunun yerine, fotoğraf koordinat sisteminde çerçeve işaretlerinin koordinatları verilir. Objektifin Ayırma Gücü (Çözünürlüğü): Kalibrasyon raporlarında kamera objektifinin ayırma gücü değerleri de yer alır. Bir mercek sisteminin ayırma gücü mm’deki ayırt edilebilen çizgi sayısı ile belirtilir. Bu değerler de laboratuvar testleri ile saptanır. Bunun için özel hedef levhaları kullanılır.

Kalibrasyon raporlarında distorsiyon hataları dört yarı köşegen için verilir. Üretim esnasında çok dikkatli tasarlanmasına rağmen, teğetsel mercek distorsiyonundan kaçınılamaz. Ancak etkileri çok düşük miktarlara indirilebilir. Çapsal distorsiyon değeri noktanın distorsiyonlu konumuyla distorsiyonsuz konumu arasındaki çapsal uzaklıktır. Eski kalibrasyon raporlarından enterpolasyon ile çapsal mercek distorsiyonu belirlenir. Bunun için çapsal uzaklıklara karşı gelen değişim miktarlarına göre polinomsal eğri çizilir.

Fotogrametrinin Fotoğrafik Temelleri

Genel anlamda fotoğraf, nesnelerden yansıyan ışığın, ışığa duyarlı bir katman veya elektronik sensörlerin üzerine düşürülmesi sonucunda kamera yardımıyla kaydedilmiş bir görüntüdür. Bu kayıt kimyasal veya elektronik olarak yapılabileceği gibi kayıt sisteminin özelliklerine bağlı olarak siyah-beyaz, doğal renkli ve yapay renkli olabilir.

Fotoğrafın çekilebilmesi için ışık şarttır. Işık herhangi bir kaynaktan cisme gelir. Cisimden yansıyan ışık bir algılayıcıya yani göze ya da filme ya da sensöre geldiği zaman görünür olur ve renkleri konusunda bilgi verir. Işığın kimyasal olarak kayıt edilmesi, emülsiyon adı verilen ışığa duyarlı bir tabaka yardımıyla gerçekleştirilir. Işığa duyarlı madde, film, kart ve cam gibi fotoğraf altlıklarının üzerine yayılmıştır. Bu madde üzerine düşen ışık miktarına bağlı olarak etkilenir. Işığın geldiği noktalarda farklı kararma dereceleri ile kayıt yapılmış olur. Bu şekilde elde edilen fotoğrafa analog fotoğraf ya da film tabanlı fotoğraf denilmektedir. İlk olarak ışığa duyarlı emülsiyonlar yardımıyla başlayan ışığın kaydedilme süreci gelişen teknoloji ile değişmiştir. Daha sonra ışığın sayısal olarak kaydedilmesine imkân veren sensörlerin kullanılmasıyla fotoğrafın kullanımı daha yaygın hale gelmiştir. Günümüzde artık yaygın olarak kullanılan sayısal fotoğraflar analog görüntülerin yerini almıştır.

Elektromanyetik enerji, dalga hareketi ile yayılır. Elektromanyetik spektrum (tayf) gama ışınlarından radyo dalgalarına kadar bilinen tüm elektromanyetik dalgaları içeren dizilimdir. Diğer bir ifade ile dalga boyu nanometrelerden kilometrelere kadar uzanan sürekli enerji ortamıdır.

Siyah/Beyaz fotoğrafın kayıt ortamında emülsiyon, fotoğraf film ve kâğıtlarında, görüntünün oluşturulabilmesi için kullanılan ve gümüş tuzlarından oluşan ışığa karşı duyarlı maddelerin oluşturduğu bir katmandır. Fotoğraf kamerası önündeki perde kısa bir süre açılınca mercek sisteminden geçen ışınlar emülsiyonu etkiler. Işığın fazla geldiği noktalarda etkilenme daha fazla, az geldiği noktalarda ise etkilenme daha az olur. Böylece, önce gözle görülmeyen gizli görüntü oluşur. Daha sonra kimyasal işlemler yapılarak bu gizli görüntü görünür ve kalıcı bir duruma getirilir.

Renkli emülsiyonlar, spektrumun belirli bölgelerine duyarlı katmanlardan oluşur. Örneğin mavi-yeşil-kırmızı renklere duyarlı üç katman ile doğal görüntüde bir fotoğraf oluşur. Renkli filmlerdeki üç emülsiyon tabakasının en üstündeki emülsiyon tabakası mavi ışığa karşı duyarlıdır. Bunun altındaki emülsiyon tabakası ise ortokromatiktir, yani mavi ve yeşil ışıklara karşı duyarlıdır. Film üzerine düşen mavi ışıkların büyük bir kısmı birinci emülsiyon tabakası tarafından emilirse de ikinci tabakaya, yani yeşil ışıklara karşı duyarlı olan emülsiyon tabakasına sızan mavi ışınlar bu tabakayı etkileyecek kadar kuvvetlidir. Bu nedenle ikinci emülsiyon tabakası üzerine hiçbir mavi ışığın sızmaması için birinci ve ikinci emülsiyon tabakaları arasında sarı boyalı bir jelatin tabaka bulunur. Bu sarı jelatin tabaka mavi ışınları emer ve ikinci emülsiyon tabakası üzerine yalnızca kırmızı ve yeşil ışınların düşmesini sağlar. İkinci emülsiyon tabakası ise üzerine düşen bu kırmızı ve yeşil ışınlardan yalnızca yeşil ışığı saptar. En altta ise kırmızı ışığa karşı duyarlı olan üçüncü emülsiyon tabakası bulunur. Bu tabakanın yeşil ışığa karşı duyarlılığı o kadar azdır ki, ikinci emülsiyon tabakasından geçip de kırmızı ışığa duyarlı üçüncü emülsiyon tabakası üzerine düşen yeşil ışığı süzmek için bir filtre gerekmez. Böylece bir görüntüyü oluşturan üç ana renk üç ayrı emülsiyon tabakasında saptanmış olur.

Pozlanmış emülsiyonda oluşan gizli görüntü banyo işlemleri sonunda kalıcı bir görüntü biçimine dönüşür. Siyah/Beyaz fotoğraf malzemelerinin banyo işlemleri aşağıdaki adımlardan oluşur:

1. Geliştirme Banyosu: Bu banyo ile gizli görüntü görünür duruma gelir. Banyo sıvısı olan kimyasal eriyik ışık almış gümüş taneciklerini, ışık almamış taneciklerinden daha hızlı bir biçimde karartır. Banyo sıvısının kimyasal bileşimi filmin hızına, karakteristik eğrinin biçimine ve taneciklerin büyüklüğüne uygun olarak hazırlanır.
2. Durdurma Banyosu: Geliştirme banyosunda gereği kadar kaldıktan sonra fotoğraf malzemesi çıkarılır ve durdurma banyosuna sokulur. Bu banyonun görevi emülsiyonda bundan sonra olabilecek olan kimyasal reaksiyonları durdurmaktır.
3. Saptama Banyosu: Saptama banyosunun amacı, ışık almamış tanecikleri, suda eriyebilen bir bileşiğe dönüştürerek bu banyo sırasında veya daha sonraki yıkama sırasında, bunların emülsiyondan uzaklaşmasını sağlamaktır. Böylece emülsiyonun ışığa karşı duyarlılığı giderilmiş ve görüntüye kalıcılık sağlanmış olur.
4. Yıkama ve Kurutma

Fotoğraf emülsiyonları cam, film ve kâğıt üzerine sürülür. Fotogrametride emülsiyon taşıyıcısının boyut değiştirmesinin çok küçük olması gerekir. Bu koşulu en iyi cam sağlar. Yersel fotogrametri kameralarında bu nedenle cam kullanılır. Hava fotogrametrisinde ise çok fazla yer tuttuğu ve kırılma tehlikesi olduğu için cam yerine film kullanılır.

Fotoğraf malzemesinin üzerine düşen ışınım enerjisine reaksiyon gösterebilme yeteneğine duyarlık denir. Farklı dalga boyları için duyarlığın da farklı olması doğaldır. Bu özellik spektral duyarlık olarak anılır. Gümüş tanecikleri daha çok mavi ve morötesi yakınındaki dalgalara duyarlıdır. Kimi organik boyalar eklenerek daha uzun dalga boylu enerjilere de duyarlı hale getirilir. Optik duyarlayıcı adı verilen bu boyalar uzun dalga boylu enerjileri yutarlar ve bu enerjiyi gümüş taneciklerine aktarırlar.

Geçirgenlik, birim zamanda emülsiyona gelen toplam ışık enerjisine göre geçen ışık miktarıdır. Bu oran T ile gösterilir. Geçirgenliğin tersine matlık ya da opasite denir ve O ile gösterilir. Pozlanma bir fotoğraf malzemesinin (film, cam, kağıt) geliştirme banyosundan sonraki kararma derecesini belirlemek için, D ile gösterilen ve yoğunluk veya kararma adı verilen bir ölçüt kullanılır. Bu ölçüt 10 tabanına göre, matlığın ya da saydamlığın tersinin logaritmasıdır. Işığa duyarlı malzeme tarafından toplanan enerji miktarına pozlanma denir ve E ile gösterilir. I lüks biriminde ışıklandırma ya da aydınlatma, t saniye biriminde poz süresidir. Aydınlatma ile birlikte yoğunluğun artması durumunda fotoğraf malzemesine negatif denir. Bu durumda parlak objeler siyah veya koyu gri olarak kaydedilir. Pozlanma ile birlikte yoğunluk azalıyorsa bu malzemeye de pozitif ya da “reverse” malzeme denir. Karakteristik eğrinin BC bölgesi bir doğru parçasıdır. Bu doğrunun eğimi gamma olarak tanımlanır. Gamma, bir emülsiyonun ne kadar yumuşak, ya da ne kadar sert çalıştığını gösteren bir ölçüttür. Bu nedenle sertlik derecesi ya da gradasyon adı da verilir. a = 45° olan filmler normal filmlerdir. Sert çalışan filmlerde bu açı daha büyük, yani eğri daha dik, yumuşak çalışan filmlerde ise bu açı daha küçük ve eğri daha yatıktır. Gamma yerine kontrast sözcüğü de kullanılır. Kontrast, en koyu siyahlık ile en açık beyazlık arasındaki farkı tanımlamak için kullanılan subjektif bir ölçüttür. Oysa gamma objektif bir ölçüttür. Fotoğrafik malzemeler için kullanılan kontrast nitelemesi, g değerinin artması anlamına gelir. Gren emülsiyondaki gümüş tuzu taneciklerinin her birine verilen addır. Gümüş tuzu tanecikleri ışıklandırılıp geliştirildikten sonra siyah metalik gümüş zerreciklere dönüşerek görüntüyü oluştururlar. Gren büyüklüklerinin gözlemcide bıraktıkları izlenimlere göre, fotoğraf emülsiyonları, ince, orta ve iri taneli ya da grenli olarak sınıflandırılır.

Gözün, objektiflerin ayırma güçleri olduğu gibi, fotoğrafik malzemelerin de ayırma güçlerinden söz edilir. Ayırma gücü 1 mm’de ayırt edilebilen maksimum çizgi sayısı ile ölçülür. Her filmin ayırma gücü değişiktir. İnce grenli filmlerin ayırma güçleri daha yüksektir. Ayırma gücü, objektifin ayırma gücü ile poz süresi, objektifin netlik ayarı, filmin banyo koşulları, fotoğrafı çekilen objenin veya hedefin kontrastlık derecesi ile çok yakından ilgilidir. Ayrıca hava fotogrametrisinde görüntü yürümesi de ayırma gücünü olumsuz etkiler.

Fotoğrafın oluşabilmesi için emülsiyona bir miktar ışığın etki yapması gerekir. Işıklandırmış emülsiyonda gizli bir görüntü oluşur. Geliştirme banyosu ile bu gizli görüntü belirgin duruma gelir. Gereğinden fazla ışık verilmişse negatif fotoğraf çok siyah, az ışık verilmişse çok beyaz olur. İyi bir fotoğraf elde edebilmek için emülsiyona düşen ışık miktarının uygun olması gerekir. Emülsiyonlara bağlı olarak da her filme verilmesi gereken ışık miktarı değişir. Kimi filmler az, kimileri fazla ışıklandırma ister. Fotoğrafik malzemenin bu özelliğine genel duyarlık ya da hız denir. Duyarlığı yüksek filmlere hızlı çalışan filmler veya hızlı filmler denir.

Kamera objektiflerinde ışığın istenen miktarda geçip geçmemesini sağlayacak, ayarlanabilir, daire biçiminde bir delik bulunur. Buna diyafram denir. Objektiflerin bağıl açıklığı D/f ile tanımlanır. D, diyafram çapı, f ise objektifin odak uzaklığıdır. D/f yerine tersi olan f/D = N de kullanılır. Bu f /D oranı, ya da f/. sayısı belirli bir ışık şiddeti altında birim zamanda objektiften geçen ışık miktarını tanımlar. Diyafram açıklığı sadece film düzlemi üzerine düşecek ışık miktarını belirlemekle kalmayıp aynı zamanda çekilen konunun önünde ve arkasında ne kadar net alan derinliğinin kalacağını da belirler. Alan derinliği, netliğin ayarlanmış olduğu noktanın önünde ve arkasında uzanan netlik bölgesidir.

Filtreler, film düzlemine düşürülecek ışığın niteliğini kontrol etmek amacıyla objektifin önüne takılan cam, plastik veya jelatinden yapılmış nesnelerdir. Fotoğrafçılıkta filtreler, sis ve pusun neden olduğu saçılmanın etkisini azaltmak, parıldamayı önlemek vb. amaçlar için kullanılır. Kısa dalga boylu ışınlar, uzun olanlardan daha fazla saçılmaya uğrarlar. Fotoğrafçılıkta ve özellikle hava fotogrametrisinde mavi rengi daha az geçiren ve bu yüzden eksi mavi adı da verilen sarı filtreler kullanılır.

Hava fotogrametrisinde foto yorumlama amaçlı çalışmalarda kızılötesi filmler kullanılır. Bunlar diğer renklerle birlikte kızılötesi ışınlara karşı da duyarlıdırlar. Yalnız kızılötesi ışınların kaydı isteniyorsa kızılötesi filtreler kullanılır. Bu filtreler yalnız kızılötesi ışınları geçirir. Kızılötesi ışınlar sis tabakalarını normal ışınlara göre daha iyi geçtikleri için çok uzak yerlerin fotoğraflarının çekiminde bu filmler ile daha iyi sonuçlar alınabilmektedir. Bu nedenle bu filmlerde çok uzak yerler çok net görünür. Ancak kızılötesi ışınlar gözle görülemedikleri için bu fotoğraflar alışılmadık etki yaparlar. Söz gelişi gök ve su yüzeyleri siyah, buna karşılık, klorofil kızılötesi ışınları iyi yansıttığı için, ağaçlar ve yeşil bitki örtüsü beyaz görünür. Kızılötesi filmler için poz sürelerini ayarlamak oldukça güçtür. Deneyerek uygun poz süresi bulunabilir.