Calibração da geometria interna das imagens do sensor AWFI/AMAZONIA-1. Etore Marcari Junior

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1 Calibração da geometria interna das imagens do sensor AWFI/AMAZONIA-1 Etore Marcari Junior AMS Kepler Engenharia de Sistemas Av. Armando Lombardi, 800, sala 206, Barra da Tijuca Rio de Janeiro, RJ Rua Alfredo Nogueira Ignácio Penido, 300, sala 58, São José dos Campos, SP Abstract. This article presents a methodology for guarantee the internal geometry calibration of images from the AWFI sensor, on board of the AMAZONIA-1 satellite. The main objective of this methodology is to fix the nonlinearity of the arrays from the three different optical systems. The array non-linearity is caused by the irregular construction of the optic systems in the instrument and, therefore, a line in the output image can contain data from different lines of the three arrays. In the presented methodology, this issue is addressed through matching portions of the images of the arrays using the register by correlation process, and applying a filter to refine the result. The experiments and some results are presented at the end of this text. Palavras-chave: image processing, internal geometric calibration, correlation, array registration, processamento de imagens, calibração da geometria interna, correlação, registro entre barretes, AMAZONIA-1, AWFI. 1. Introdução Baseado na Plataforma Multi Missão (PMM), o AMAZONIA-1 é um satélite de órbita polar que deverá gerar imagens da Terra a cada quatro dias. Sua especificação e tempo de revisita permitirão, entre outros aspectos, a melhora na aquisição de dados de alerta do sistema DETER e de monitoramento da Amazônia. Para isso, possuí o imageador óptico de visada larga, chamado AWFI. Devido à forma como está sendo construído com três sistemas ópticos independentes o processo de geração das imagens deste sensor pela MS 3 deve tratar, de forma especial, os problemas inerentes à montagem desses sistemas e, com isso, garantir a qualidade geométrica e radiométrica das imagens geradas. Para garantir a qualidade da geometria interna durante o processo de geração da imagem, deve-se levar em conta um dos problemas que podem ocorrer nesse tipo de construção: o não alinhamento na montagem dos barretes. Este não alinhamento faz com que uma linha da imagem de saída contenha dados oriundos de diferentes linhas dos barretes (arrays). Devido ao exposto, neste artigo é apresentada uma metodologia para a calibração da geometria interna das imagens do sensor AWFI, presente no satélite AMAZONIA O sensor AWFI O sensor AWFI (Advanced Wide Field Imaging Camera) possui quarto bandas espectrais três no visível e uma no infravermelho próximo capaz de observar uma faixa de 754 km com uma resolução de 40m. Para atingir tal faixa de observação, o sensor possuí três sistemas ópticos, dispostos de acordo com a Figura 1 (Scaduto et al., (2010)). Figura 1 Representação da disposição dos três sistemas ópticos (em azul) no sensor. 8056

2 Cada sistema óptico é formado por um barrete de 6034 detectores, sendo 34 deles utilizados como detectores de referência e 6000 na formação da imagem. Pode-se observar, através da Figura 2, que existem sobreposições entre as imagens dos sistemas contíguos. Essas sobreposições contêm informação repetida, ou seja, no espaço da sobreposição, a região imageada pelos dois sistemas é equivalente. Direção do movimento do satélite ARRAY 1 ARRAY 2 ARRAY 3 Figura 2 Representação da visada composta dos três sistemas ópticos, contendo regiões de sobreposição O problema do não casamento entre os barretes A Figura 3 apresenta a motivação para esta metodologia ser desenvolvida: o problema do não casamento entre os barretes. Este problema faz com que se não aplicada uma correção apropriada durante a fusão dos barretes para a montagem da imagem de saída, uma determinada linha seja formada contendo dados que originalmente foram imageados em regiões diferentes. Isso acontece porque os três sistemas ópticos são acionados ao mesmo tempo e, em determinado tempo t, as câmeras de cada sistema óptico observam diferentes posições no terreno (no sentido along track). Adicionalmente, o algoritmo também corrige as linhas no sentido across track, ou seja, se o número de colunas em comum dos barretes for diferente do definido pré-lançamento, ele é corrigido para condizer à situação atual. t1 L1 L2 L1 t2 L2 L3 L2 t3 L3 L4 L3 t4 L4 L5 L4 Figura 3 Representação do problema de não casamento dos barretes no sentido along track, onde para determinado tempo t, os barretes imageam regiões diferentes, causando descasamento entre as linhas. Como forma de correção deste problema, a metodologia aqui apresentada utiliza o registro dos barretes através do processo de correlação simplificada. Este processo é apresentado na Seção

3 3. Processo de geração da imagem Uma vez gravado o dado bruto contendo as informações transmitidas pelo satélite, este é dividido em cenas (path/row) de acordo com a grade de referência (a grade do AWFI está ainda em processo de validação). Essas cenas são armazenadas em arquivos denominados GRALHAs (Generic RAw Level Hierarchical Archive) que, além de armazenar os dados de imagem (pixels) em seu formato original (sem processamento algum), também guarda informações inerentes à cena, como tempo associado a cada linha, possíveis perdas de linhas completas ou parte durante a ingestão, posicionamento do satélite, posicionamento do instrumento no corpo do satélite, etc. A partir de cada GRALHA são geradas quatro imagens, uma para cada banda do instrumento, seguindo os passos a seguir: 1. leitura dos parâmetros de configuração do satélite e do instrumento e de arquivos auxiliares; 2. cálculo do retângulo envolvente (bounding box) da imagem de entrada; 3. leitura dos dados de imagem referentes aos três barretes (criação de uma matriz para cada banda (1 a 4), contendo pixels em cada linha); 4. remoção dos pixels de referência; 5. cálculo dos offsets dos barretes em relação ao barrete de referência (central); 6. correção do posicionamento dos barretes através de registro por correlação; 7. cálculo das coordenadas dos cantos da cena L2 (nível 2) a ser gerada; 8. aplicação das correções para geração da cena L2 (correção de linhas defeituosas, calibração radiométrica absoluta e relativa, etc.); 9. aplicação da LUT de conversão para 8 bits (se necessário e selecionado pelo operador); 10. geração dos arquivos de saída no formato GeoTiff. Sendo os responsáveis pela correção do problema de não casamento, os passos 5 e 6 são expandidos na próxima seção. 3.1 Correção do posicionamento dos barretes através do registro por correlação De forma resumida, o algoritmo de registro por correlação apresenta o seguinte fluxo de processamento: leitura dos parâmetros de configuração; definição do barrete de referência (barrete 2, central). Este barrete foi escolhido por, pela construção da câmera, possuir regiões comuns com aos barretes 1 e 3; para cada região de sobreposição entre os barretes (1,2) e (2,3), são definidos os tamanhos dos chunks. Os chunks são porções das regiões de sobreposição entre os barretes, utilizadas durante o processo de correlação. O tamanho dos chunks é definido de forma a otimizar o tempo de processamento, sem que a precisão do resultado seja comprometida; para cada par de barretes, é definida a região de sobreposição. Essa região é calculada tão logo o satélite é lançado; para cada barrete diferente da referência, é extraído o melhor par de offsets (nos eixos x e y / across track e along track) de cada um dos chunks. O melhor par de offsets é definido como deslocamento em x e y que apresenta a maior correlação; uma vez criada esta lista, é realizada a filtragem dos offsets selecionados, e a posterior remoção dos outliers; após a filtragem, é extraído o melhor par de offsets (x e y) para geração da imagem corrigida; 8058

4 o tempo da primeira linha do barrete 1 é utilizado como tempo de referência para o cálculo do tempo das linhas dos outros dois barretes; caso seja encontrado um deslocamento Através dos passos descritos acima, e com os valores dos offsets de cada um dos barretes em relação ao barrete de referência, a correção do posicionamento dos barretes é realizada. 4. Experimentos Para testar a metodologia criada, foram realizados diferentes testes com dados sintéticos gerados a partir de sensores com tamanho de pixel próximo ao do sensor aqui estudado. Os dados originais foram reamostrados para condizer com a especificação do sensor AWFI (tamanho de pixel de 40 metros). Nesta seção são apresentados alguns exemplos de porções dessas imagens. Do lado esquerdo as imagens geradas sem a aplicação da correção do registro dos barretes, e suas correspondentes do lado direito, geradas com a aplicação da metodologia criada. No experimento a seguir apresentado, foram utilizadas regiões de sobreposição de 127 pixels no sentido across track, com o barrete 2 (central) deslocado em 10 pixels no sentido along track, quando comparado com os barretes 1 e 3. Figura 4 exemplo de imagens geradas sem e com a aplicação da metodologia. Figura 5 exemplo de imagens geradas sem e com a aplicação da metodologia. Figura 6 exemplo de imagens geradas sem e com a aplicação da metodologia. 8059

5 5. Considerações sobre a metodologia Durante os testes, foram levantadas algumas considerações sobre a metodologia, apresentadas nessa seção. tamanho dos chunks versus desempenho do algoritmo: a escolha de um tamanho ideal para os chunks é de suma importância para o desempenho do algoritmo. Com chunks muito pequenos, o número de interações para cálculo dos offsets aumenta consideravelmente, aumentando o tempo de execução e degradando o desempenho; obrigatoriedade de sobreposição dos barretes: é primordial para o funcionamento do algoritmo de registro por correlação que existam áreas de sobreposição entre os três barretes. Caso, após a montagem do instrumento, não haja regiões de sobreposição, o algoritmo não poderá ser aplicado, resultando em uma imagem irregular (conforme a Figura 7); Figura 7 Exemplo do resultado da metodologia quando não há regiões de sobreposição (falha) e quando as regiões existem (sucesso). devido à semelhança dos instrumentos, o mesmo algoritmo pode ser aplicado para o instrumento WFI dos satélites CBERS-3/4 podendo, então, ser a metodologia testada para que, no quando do lançamento do satélite AMAZONIA-1, possa ser amplamente aplicada. 6. Trabalhos futuros Esta metodologia foi originalmente implementada na forma de um único bloco de processamento (processamento seqüencial). Por esse motivo planeja-se, em um futuro próximo, a modificação dos algoritmos utilizados com o intuito de serem executados em arquiteturas paralelas e distribuídas e, por conseguinte, promovendo a diminuição no tempo de execução e geração das imagens. Tão logo o satélite seja lançado, esta metodologia será inserida na geração das imagens no Sistema de Produção e Distribuição da MS 3, atualmente instalado no INPE de Cachoeira Paulista, na Divisão de Geração de Imagens. Conclusões Neste artigo foi apresentada uma metodologia para calibração da geometria interna das imagens do sensor AWFI a ser instalado no satélite AMAZONIA-1. Esta metodologia está baseada na correção do deslocamento dos barretes através da utilização do cálculo do registro por correlação. Ela permite corrigir o posicionamento dos barretes nos eixos x (across track) e y (along track). Para que esta metodologia possa ser aplicada é necessário que existam regiões de sobreposição entre os barretes, caso contrário imagens irregulares são geradas. 8060

6 Devido à semelhança dos instrumentos, esta metodologia pode também ser aplicada aos dados do sensor WFI dos satélites CBERS-3 e 4. Agradecimentos Este trabalho foi desenvolvido como parte da execução de um contrato entre o INPE e a AMS Kepler Engenharia de Sistemas, celebrado segundo a Lei de Inovação Tecnológica. Referências Bibliográficas AMAZONIA-1. Disponível em: < >. Acesso em: 16.nov MS 3 Sistema de Estação Multi-Satélite. Disponível em < Acesso em 16.nov Scaduto, L. C. N. et al. The advanced wide field imaging camera (AWFI) for the AMAZONIA-1 brazilian satellite. In: ICSO 2010 International Conference on Space Optics. Anais. Rhodes, Greece. Marcari Jr., E. Algoritmos para registros entre barrettes da camera AWFI. Relatório técnico gp-am1-rtec10 documento interno de contrato INPE/AMS Kepler. Não publicado Liporace, F.S.L. et al. Documento de arquitetura do projeto AMAZONIA-1. Projeto do Protótipo. gp-am1- arqt-01 documento interno de contrato INPE/AMS Kepler. Não publicado