آموزش قدم به قدم ایجاد ترکیب رنگی در لندست با نرم افزار فتوشاپ

هدف از این آموزش: آشنایی با یکی از کاربردهای نرم افزار فتوشاپ در کار با تصاویر ماهواره ای و ایجاد یک ترکیب رنگی طبیعی از تصویر لندست ۸ است.

تهیه مطلب توسط: هادی امامی (کارشناس سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی)

از زمان راه ­اندازی لندست ۸ در فوریه ۲۰۱۳، لندست ۸ حدود ۴۰۰ تصویر از سطح زمین را در هر روز جمع آوری کرده است. هر کدام از این سین­ ها حدود ۱۸۵ تا ۱۸۵ کیلومتر (۱۱۵ تا ۱۱۵ مایل) می­ باشند که مساحتی بالغ بر۳۴۲۰۰ کیلومتر مربع (۱۳۲۰۰ مایل مربع) را شامل می ­شود. در مجموع ۱۳،۶۹۰،۰۰۰ کیلومتر مربع (۵٫۲۹۰٫۰۰۰ مایل مربع) در هر روز تصویربرداری می­ کند.

در زیر یکی از تصاویری که لندست ۸ اخذ کرده است را مشاهده می­ کنیم.

عموما کاربران تمامی داده ­ها را به صورت خودکار پردازش می ­کنند، اما بهتر است هر یک از باندها را به طور جداگانه پردازش کنیم تا جزئیات را در یک منطقه بهتر مشخص کنیم. برای اینکه با استفاده از رنگ­ها عوارض را مشخص ­تر و جزئیات را بارزتر کنیم هیچ ابزاری بهتر از فتوشاپ را نخواهیم یافت.

به همین منظور ما در ابتدا باید تصاویر مد نظر خود را دریافت کنیم که میتوان به آرشیو داده های لندست در سایت USGS مراجعه کنیم(آموزش موجود در سایت). بعد از دریافت این تصاویر در قالب یک فایل فشرده در صورت خارج کردن آن­ها از فایل فشرده ۱۱ باند و یا به عبارت ساده ­تر ۱۱ تصویر جداگانه را مشاهده خواهیم کرد که این ۱۱ تصویر همراه با یک فایل با پسوند BSQ برای ارزیابی کیفیت و یک فایل با پسوند تکست که دربردارنده اطلاعات تصاویر می ­باشد است. پس از استخراج از فایل­های فشرده، تصاویر دارای نام معقولی همانند LC80450292013225LGN00 می­باشند که هرکدام از این اعداد و حروف نمایش دهنده یک نوع اطلاعات از تصویر می ­باشند(همانند شکل زیر).

همان­طور که در شکل بالا مشاهده می­ شود هرکدام از باندها دارای یک نوع نام با پسوند tiff هستند.

برای ایجاد یک ترکیب رنگ واقعی ما به این باندها نیاز داریم:

۱- باندهای مورد نیاز ما باند۲(۰٫۴۵–۰٫۵۱ µm) در محدوده آبی،

۲- باند۳(۰٫۵۳–۰٫۵۹ µm) در محدوده سبز

۳- و باند آخر باند شماره ۴(۰٫۶۴–۰٫۶۷ µm) در محدوده قرمز می ­باشد که از ترکیب این سه رنگ در فتوشاپ می توان یک ترکیب رنگ واقعی همانند رنگ­ هایی که چشم انسان مشاهده می­ کند ایجاد کرد. درختان به رنگ سبز. آب به رنگ آبی و … .

همچنین باید خاطرنشان کرد که سایت USGS تصاویر با ترکیب باندهای مادون قرمز نزدیک، قرمز و سبز را نیز ترکیب رنگ واقعی(شبه واقعی) نامیده است. در حالی که به عقیده­ ی عده­ ای این لفظ نامناسب می ­باشد زیر آب در آن به صورت تقریبا سیاه و یا درختان با پوشش قرمز مشاهده می­ شوند که غیرطبیعی است. حتی عکس­های با رنگ طبیعی نیز برای کسانی که مبتدی هستند می­تواند فریبکارانه و ناآشنا باشد به ­طوری که Eduard Imhof کارتوگرافر معروف سوئیسی در این باره میگوید:

عکس­های هوایی که از ارتفاعات بالا اخذ می ­شوند به دلیل موزائیکی که پوشش گیاهی دارد و همچنین پستی و بلندی­ های واقع در آن متفاوت­ تر از آن چیزی که ما به چشم خود می ­بینیم مشاهده می­ شود و می­تواند بسیار فریبکارانه باشد.

در زیر تصویری را که از ایستگاه فضایی اخذ شده است را مشاهده می­ کنیم که قالب یکدست و یکنواخت سطح زمین با پوشش­های ابر و برف را نمایش می ­دهد. در این تصویر در دید اولیه هیچ گونه پستی و بلندی دیده نمی­ شود . سطح زمین به صورت صاف و هموار مشاهده می­ شود.

با توجه به دلایل بالا، باید تمامی تصاویر ماهواره ­ای با دقت پردازش شوند در این آموزش سعی خواهیم کرد دقیقا آن چیزی را ایجاد کنیم که به چشم نیز مشاهده می­ شود تا به صورت کامل مغز و چشم با تصویر پیوند بخورد. برای انجام این کار، ابتدا سه فایل یا سه باند را به صورت جداگانه در فتوشاب باز می­ کنیم.

روش کار با نرم افزار فتوشاپ

کاری که ما در این قسمت باید انجام دهیم این است که این سه باند را که به صورت سیاه­ و سفید است، با هم ادغام کنیم. به همین منظور از قسمت Channels  بر روی آیتم Windows کلیک کرده و گزینه Merge Channels را انتخاب می­ کنیم(بر روی مثلث کوچک بالای سمت راست پنجره کلیک می­ کنیم).

بعد از انجام مرحله بالا در پنجره باز شده، حالت را از Multichannel به RGB تغییر می­ دهیم و باندها را با صورت RGB فراخوانی می ­کنیم.

نتیجه تصویری بسیار تاریک خواهد شد شبیه شکل زیر (چرا؟):

نه تنها تصویر به صورت تاریک ظاهر می­ شود همچنین اعداد و مقادیر نیز به این صورت مقادیرشان تغییر یافته و به ۰ نزدیک­تر می ­شوند. همچنین همان­طور که تصویر تاریک می ­شود مقادیر نیز از بازه یک تصویر ۱۶ بیتی پایین­تر می ­اید. در نتیجه تصویر بسیار تاریک ظاهر شده و تنها درخشان­ترین مناطق در تصویر دیده می­ شوند(همانند ابرها و برف ها).

به همین منظور باید سطح و کنتراست تصاویر را افزایش دهیم تا پدیده ­ها به صورت واضح تری قابل درک و نمایش باشند. پس در فتوشاب از ابزارهای تعدیل کننده (adjustment layers) استفاده می ­کنیم. از مزایای فتوشاب در این بخش می توان به ابزارهای قوی و انعطاف ­پذیر در زمینه کشش و بسط تصاویر و همچنین تعدیل و تصحیح کنتراست­ ها اشاره کرد. پس در اولین مرحله بعد از ساخت تصویر RGB باید به اصلاح کنتراست تصویر بپردازیم. به همین منظور مسیر زیر را طی می کنیم.

Layer > New Adjustment Layer > Levels…

Layer > New Adjustment Layer > Curves…

این قسمت با استفاده از روش ­های مختلف کنتراست­ دهی، به بهبود کیفیت نمایش تصویر و همچنین افزایش کنتراست کمک می­ کند.

من از هردو ابزار استفاده می ­کنم به این دلیل که تلفیق این دو ابزار باهم انعطاف­ پذیری بیشتری را فراهم آورده و به بهبود کنتراست بیشتر کمک می­ کند. قسمت اول(levels) کشش ­های مضاعف را فراهم می­ کند تا با استفاده از این کشش­ ها ما به طیف وسیعی از مقادیر دست یابیم. به عبارت ساده­ تر ما در این قسمت دامنه، مقادیر خود را افزایش می ­دهیم. سپس در بخش دوم(Curves)  منحنی­ ها را برای تنظیم دقیق تصویر با استفاده از ابزارهای غیر خطی می­ سنجیم.

همانطور که در عکس فوق مشاهده می شود از قسمت های مختلفی تشکیل یافته است که به شرح زیر است.

adjustment menu:   اجازه ذخیره و بارگذاری فایل ها را می ­دهد.

channel menu: اجازه انتخاب و نمایش باندها مثل آبی و قرمز و سبز را می ­دهد.

histogram : توزیع نسبی پیکسل­ها را در درجات مختلف روشنایی نمایش می­ دهد. قسمتی که هیستوگرام بارزتر است قسمت­ هائی است که مقادیر ببییشتر توزیع شده ­اند.

Eyedropper: نقطه سفید کانال­ های سبز و قرمز و آبی را به مقادیر یک پیکسل انتخابی تنظیم می­ کند.

black point and white point: تنظیمات کنتراست تصویر را انجام می ­دهند. اگر نوار لغزنده سفید به راست حرکت داده شود تصویر تیره تر و به چپ حرکت داده شود تصویر روشن تر خواهد شد.

برای اینکه ما بتوانیم مقادیر روشنایی را به همه قسمت­ های یک تصویر گسترش دهیم باید با استفاده ابزارهای موجود در این دو ابزار مقادیر روشنای را در تصویر گسترش دهیم. به این عمل کشش هیستوگرام یا بسط کنتراست می­ گویند. به همین منظور در یک تصویر لندست ۸ ابتدا باید ابزار Eyedropper را انتخاب کنیم و با استفاده از آن یک قسمت روشن در تصویر را پیدا کرده و نشانگر را بر روی آن قرار دهیم. مناطقی مثل ابری یا برفی مناسب هستند. و این کار به سادگی در هر تصویری می­ تواند صورت بگیرد زیرا تصاویر لندست ۸ در ساعت ۱۰:۳۰ صبح تصویر­برداری می­ کنند و به همین دلیل در اغلب تصاویر پوشش ابری موجود است. در صورتی که مناطق برفی یا ابری نباشند شوره ­زار­ها یا هر قسمتی که روشن­ تر است مناسب است.

همانطور که مشاهده می­ کنید ما نقاطی را با ابزار ای دراپر انتخاب کردیم و اما ابزار بعدی ابزار withe point می­ باشد.

این ابزار دو کار انجام می­دهد. چشم انسان به طور معمول تفاوت رنگ­ ها را برای ما آشکار می­ کند و به عبارت ساده­ تر نقاط روشن بارز­تر از بقیه نقاط در ذهن ما ایجاد می شوند. در تصویر فوق نیز درخشان­ترین و روشن­ ترین مناطق به صورت کامل روشن واضح نیستند و نسبت به نقاط تیره ­تر واضح هستند. اولین کار این ابزار واضح ­تر کردن این نقاط است. همانطور که در تصویر سمت چپ مشاهده می شود نقاط روشن به صورت روشنی کامل نیستند یعنی ابرها سفید نیستند. اما در تصویر سمت راست با استفاده از این ابزار می­ توانیم ابرها را به صورت واضح روشن کنیم. همچنین امکان تنظیم تعادل نقاط سفید رنگ نیز وجود دارد زیرا فتوشاپ دارای ابزارهای زیادی در این مورد است.

بهتر است در تصویر خود یک منطقه را پیدا کرده و این تنظیم کنتراست را بر آن منطقه پیاده کنید. ما در این بخش بر روی یک کوه در تصویر آن را انجام می­ دهیم و همانطور که در شکل زیر مشاهده می­ شود بعد از تنظیم کنتراست، هیستوگرام هریک از باندها به صورت زیر می ­شود. همچنین هیستوگرام ترکیبی هرکدام از کانال ها باعث شده که تفاوت بین باندها اشکارتر شود.

همچنان هیستوگرام نشان می­دهد که بیشتر نقاط تصویر ما به صورت تاریک هستند و مقادیر بسیار کمی روشنایی همچنان وجود دارد که بیشتر در مناطق جنگلی و آبشارها مشهود است. پس ما باید یک نوع تصویری ایجاد کنیم که روشن باشد و روشنایی آن در حد قابل قبول باشد.

به همین منظور در لایه تنظیم منحنی­ ها، نزدیک مرکز خط که در زاویه ۴۵ درجه از پایین به چپ به سمت راست حرکت می­ کند، کلیک می­ کنیم.

به صورت ساده ما منحنی اصلی را با کلیک­ کردن و نگه داشتن آن گرفته و آن را کمی به سمت بالا سمت چپ می­ کشیم. این قسمت منحنی را تغییر می­ دهد و باعث می­ شود که کنتراست نیز همزمان با ان تغییر کند. یعنی هنگامی که به سمت بالا کشیده شود روشن­ تر و هنگامی که به پایین کشیده شود تاریک تر خواهد شد. کشیدن منحنی به سمت پایین سمت چپ باعث می شود که مناطق تیره بسیار روشن ­تر شوند پس بهتر است که تعادل رعایت شود. با این عمل ابرها نیز به طور کامل به رنگ سفید در می آیند.

باید توجه داشته باشیم که در یک تصویر لندست ۱۶ بیتی به هیچ عنوان مقادیر ۰ وجود ندارد یا اینکه بسیار اندک است.

این کار به سه دلیل بسیار نادر است:

اولا این که تصاویر لندست بصورت OFFSET هستند.

دوما اگر هرپیکسل با بازتاب ۰ باشد آن جسم واقعا یک شی سیاه خواهد بود.

سوما حتی اگر این عمل هم وجود داشته باشد در صورت بازتاب با اتمسفر ترکیب شده و مقادیر بالاتر از ۰ را خواهد گرفت. به همین دلیل همیشه تاریک­ترین قسمت­ های تصویر نیز به صورت سیاه مطلق نیستند. طول موج­ های آبی نیز بیشتر از طول موج­های قرمز پراکنده شده و نقش بیشتری در اثرات جوی دارند.

همان طور که در شکل بالا مشخص است می توان با استفاده از ابزار کشوئی که وجود دارد هیستوگرام هر یک از کانال ها را به صورت جداگانه مشاهده نمود. برای اینکه تصویر روشن­ تر به نظر برسد با انتخاب منحنی موجود در هر یک از کانال­ ها و کشیدن انها مقداری به سمت چپ میتوان پیکسل ­ها را از هیستوگرام بسط داد. این باعث می­شود که تصویر از سایه­ های موجود و حتی تاریک بودن، مقداری روشن تر شود. زیرا به اصطلاح سنجش از دو­ر، ما هیستوگرام را بسط میدهیم. مثل شکل زیر:

با نگاه کردن به تصویر می ­بینیم که تصویر به صورت متعادل روشن است و ابرها نیز به صورت کامل مشاهده می­ شوند اما هنوز تصویر به صورت تاریک است و نیاز داریم تا دوباره عملیاتی انجام دهیم تا بهتر و روشن­ تر  گردد. دوباره می­ توانیم منحنی­ ها را بچرخانیم و یا تنظیم کنیم تا تصویر روشن تر شود.

خب در نهایت برای اینکه تصویر ما به صورت کاملا واضح درآید و ما بتوانیم پدیده­ ها را به صورت بصری بهتر مشاهده کنیم کار نهائی این است که هیستوگرام­ های خود را به صورت قوسی شکل در بیاوریم. منظور از این کار اینست که دامنه مقادیر خود را بسط دهیم و به فرض مثال اگر دامنه مقادیر ما از ۱۰۰ تا ۲۰۰ می­ باشد با بسط این مقادیر انها را به ۵ تا ۲۵۰ برسانیم تا به این ترتیب بهتر تصویر را مشاهده کنیم. با این کار تاریکی و سایه­ ها از تصویر کمتر شده و دامنه مقادیر روشن افزایش می ­یابد و جزئیات بهتر اشکار شده و ابرها نیز به صورت کامل سفید می شوند.

اگر به عکس بالا نگاه کنیم مشاهده می­ کنیم که تمامی هیستوگرام­ ها دارای دو قوس هستند. این به این معناست که در تصویر تفاوت­ ها زیاد است و به صورت ساده اگر بیان کنیم مثلا وجود دو پدیده. در نهایت تصویر نهائی به صورت زیر ایجاد می شود.