DR WINKLER GUSZTÁV
Az előző dolgozatban meghatároztuk azokat a feltételeket, amelyek eldöntik a bio-térinformatikai rendszer felépítését, lehetséges funkcióit, feladatait, valamint a hiánytalan, folyamatos adatfeltöltés és adatkarbantartás módszereit. Jelenleg arról az abban taglalt vizsgálati lehetőségről írunk, amely szerint a rendszer alapja a 3D valós (konkrét) emberi test felülete, illetve minden vizsgálati személy számára konkrét, különálló modell megalkotása szükséges (a morfológiai, antropológiai adatnyerés szempontjai miatt). Ezek szerint a legfontosabb feladat az első szakaszban annak az adatgyűjtési eljárásnak a kidolgozása, amely segítségével gyorsan, a vizsgálat menetét nem zavarva (automatikusan) létrehozható ez a személyre szabott modell.
Mindezeket a feltételeket figyelembe véve gyakorlatilag egyetlen, noha szerteágazó és komplex módszer alkalmazható, a távérzékelés. A továbbiakban röviden megvizsgáljuk ennek a lehetőségeit. Ez azért is indokolt, mert maga a szomatoinfra eljárás is az infravörös elektromágneses tartományban végzett távérzékelésen alapul.
A TÁVÉRZÉKELÉSRŐL ÁLTALÁBAN
A gyakorlatban távérzékelésen a különböző célú adatfeldolgozások számára a vizsgált objektumról nem közvetlen kapcsolat alapján történő olyan információszerzést értünk, amely alkalmas a vizsgált objektumok geometriai paramétereinek, fizikai tulajdonságainak, tartalmának stb. közvetett úton való meghatározására. Mindezt pedig az elektromágneses (EM)-spektrum által közvetített adatokkal szolgáltatja, tehát a távérzékelés információ-közvetítő közegei az elektromágneses hullámok. Mint tudjuk, minden tárgy és jelenség (ami fizikai elemekből épül fel), illetve ezek környezetben való megjelenése, tulajdonsága szoros összefüggésben van az egész elektromágneses (EM) spektrummal. Ez az összefüggés általában az egész EM spektrumra vonatkoztatva folyamatos, és a fizikai építőelemek állapotától, tulajdonságaitól szét nem választható (jelen tudásunk szerint). Tehát ezek az összefüggések az EM sugárzással (amit a környezetünk minden objektuma kibocsát) a térben "továbbterjednek", így távolabb is észlelhetővé válnak. Ebből következik, hogy a távérzékelési eljárások ennek az EM sugárzásnak, illetve egyes részeinek észlelésén alapulnak.
AZ ELEKTROMÁGNESES SPEKTRUM TULAJDONSÁGAI
Először tekintsük át röviden az EM spektrum tulajdonságait, mivel a szomatoinfra eljárásban döntő szerepet játszik az, hogy az adatgyűjtés melyik hullámhosszon történik. Elektromágneses sugárzást minden, az abszolút 0 fok feletti objektum, jelenség kibocsát magából. Ennek oka gyakorlatilag a belső hőmozgásban keresendő. Hőmozgást produkál az objektum molekuláris vibrációja (főként a hosszabb hullámoknál), illetve az elektronburok vibrációja (főként rövidebb hullámoknál) is okoz elektromágneses kisugárzást. Tehát kimondhatjuk, hogy (a műszaki megközelítésben) az EM sugárzás a hőmozgás hatására alakul ki, és gyakorlatilag egynemű. Ennek a sugárzásnak, mint ismeretes kettős tulajdonsága van. Részben hullámjellegű, azaz két egymásra merőleges síkban létező, úgynevezett mágneses és elektromos hullám eredője. Mindkettő rezgésiránya merőleges a hullám terjedési irányára. Ezek az ismérvek azonban a távérzékelés módszereinek, lehetőségeinek megértését számunkra a műszaki életben és főként a geometriai adatgyűjtés folyamatában nem támasztják alá. Ezért az EM sugárzás másik tulajdonságát, a részecske tulajdonságot használjuk a folyamatok megértéséhez. Ez azt jelenti, hogy az elektromágneses sugárzás anyagi természetű is. Tehát a sugárzás egységnyi mennyiségekben egyenes irányban terjed egészen addig, míg ezt a mozgást külső körülmények nem befolyásolják. Így megmagyarázhatjuk azokat a fontos jelenségeket, mint például vetítősugarak, törés, energiaszint, stb.
A távérzékelésben fontos hullámjellemző a hullámhossz, ami az egyik rezgésmaximumtól a másikig való távolságot jelenti. A frekvencia (rezgésszám), ami adott idő alatti, adott ponton megjelenő rezgésmaximumok száma (esetünkben a hullámhossz reciproka). Lényeges lehet még a hullámsebesség, a maximumok terjedési sebessége. Számunkra legelőnyösebb az EM spektrum rendszerezése a hullámhossz szerint, mivel a vizsgált jelenségek jórészt hullámhossz függőek, illetve a távérzékelés műszereinek felépítése, alkalmazási lehetőségeik szintén erősen függenek tőle.
Elektromágneses sugárzást, mint már említettük minden objektum, jelenség kibocsát magából. Azonban ez a sugárzás energiájában, amplitúdójában változó az objektumok belső hőmozgásának függvényében. Gyakorlatilag ez az összefüggés erősen befolyásolja lehetőségeinket a távérzékelés területén. Emiatt röviden át kell tekinteni azokat a törvényszerűségeket, amelyek megvilágítják e összefüggések lényegét.
Alapként a Planck-féle összefüggés adódik, amely kimondja, hogy az energiakisugárzás csak meghatározott kvantumokban lehetséges. Tehát E = h x f, ahol a h a Planck-féle állandó. A sugárzási törvények talán legfontosabb alapösszefüggése a Stefan-Boltzmann törvény. Ez egyenes arányú összefüggést határoz meg az objektumok belső hőmérséklete és a kisugárzott energia nagysága között. A törvényből az is következik, hogy a kibocsátott energia igen gyorsan növekszik a hőmérséklet emelkedésével. A Stefan-Boltzmann törvényen alapszik az a törvény, amelyik magyarázza és meghatározza a távérzékelés lehetséges fő irányait. Ez a Wien-féle eltolódási törvény. Ez kimondja, hogy a kisugárzott energia és a maximális sugárzás hullámhossza fordította arányos egymással (1. ábra). Tehát ha nő az energia, ennek maximális kisugárzási hullámhossza csökken. A Wien-féle törvénnyel kapcsolatos az a megállapítás is, hogy egy részecske energiája fordítottan arányos a hullámhosszával. Ez számunkra azért lesz jelentős, mert környezetünk objektumai az alacsony energiaszint miatt hosszabb hullámhosszon sugároznak, így érzékelésük bonyolult technológiát kíván.
Az ábra alapján az objektumok EM-sugárzásának legfontosabb tulajdonsága, hogy környezetünk átlagos hőmérsékletű objektumai kb. a 10 m hullámhossz körzetében adják le maximális sugárzásukat, míg a Nap a látható (sárga) EM tartományban sugároz legintenzívebben. Belátható, hogy ez a két tartomány lesz a két kiemelten fontos terület számunkra. Ehhez járulhat majd még a mikrohullámú sugárzás, de az már az ember által gerjesztett hullámok területe, illetve a röntgensugárzás, ha elegendő nagy az energiája a légkörön való áthatoláshoz.
Meg kell még említeni a fényelektromos hatást, mivel ez teszi lehetővé az egyértelmű sugárzás-detektálást gyakorlatilag minden távérzékelő eszközben. Ez kimondja, hogy a fémből kilépő elektronok energiája a fény frekvenciájától függ, tehát csak az elektronok száma nő meg, energiája nem. Fontos lehet még a későbbiekben a fluoreszcencia jelensége is. Ez azt jelenti, hogy bizonyos anyagok, noha elnyelnek bizonyos hullámhosszú fényt, ezt változtatás nélkül más hullámhosszon ki is sugározzák.
A fentiekből következik, hogy amennyiben a bio-térinformatikai rendszerünket adatokkal kívánjuk feltölteni, akkor két fő távérzékelési területet alkalmazhatunk. Az első az emberi szem számára is látható tartomány (0,25 µm-0,75 µm), esetleg az e melletti, úgynevezett közeli infrával (0,75 µm-0,85 µm) együtt. Ekkor a Nap rövidhullámú sugárzását, vagy valamilyen, ebben a tartományban sugárzó mesterséges sugárforrást használunk fel. Ez a tartomány, más néven optikai tartomány alkalmas a páciensek geometriai jellemzőinek gyors (és pontos) meghatározására. A másik „használható” területe az EM-spektrumnak a környezetünk objektumainak sugárzási tere (mint láttuk), részben a 2 – 5 µm közötti tartomány, de legfőképpen, a legmagasabb energiaszinten működő 8 – 12 µm közötti sáv. Emiatt itt működik leghatásosabban a szomatoinfra rendszer.
ALKALMAZHATÓ PASSZÍV TÁVÉRZÉKELÉSI ESZKÖZÖK ÉS FELADATOK
AZ OPTIKAI TARTOMÁNYBAN
Az alábbiakban áttekintjük a céljainknak megfelelő, ezekben az EM-tartományokban működtethető távérzékelő eszközöket. Az optikai-fotó egyidejű képalkotású (ez fontos) távérzékelő eszközök kifejlődése időben jóval megelőzte az egyéb (pl. infravörös radiométer, radar) távérzékelő berendezéseket. A fényérzékeny lemezen való képrögzítés már több, mint száz éve ismert. A fényképezés fő előnye az, hogy egy időben, nagyobb területekről egységes geometriával lehet információt szerezni, mégpedig homogén területi fedéssel. A fényképezés kiterjesztése az infravörös tartományra pedig még szélesebb alapokra helyezte környezetünk objektumainak felismerését, értékelését. Az ezekből levezetetett, úgynevezett fotogrammetriai mérőkamarák legfőbb tulajdonsága pedig az, hogy optikájuk gyakorlatilag elrajzolásmentes (a belépő fénysugarak egyenesen, törés nélkül haladnak át rajta), és pontosan ismert az optika főpontjának és a kép síkjának a távolsága. Így a leképezés eredményeként előálló képek minden egyes pontja speciális felvételi elrendezés esetén 3D-ben nagy pontossággal (közeli leképezéskor néhány mm) kiértékelhető, és segítségükkel valós 3D modellek létrehozhatók (2. ábra). Azért az megjegyzendő, hogy az infravörös filmek érzékenyítése az IR tartományokra csak kb. a 0,9 m-es határig lehetséges, ami a Nap infravörös sugárzási tartományába esik, tehát ezek sem alkalmasak pl. az emberek saját Em-sugárzásának mérésére.
A filmkészítési technológia ismeretében belátható, hogy a filmanyagok az EM spektrum egy-egy meglehetősen széles tartományára érzékenyek (és gyakorlatilag átfedik egymást). Ez még színes filmeknél is így van. Ezek alapján közelítőleg mondhatjuk, hogy az emulziós rétegek egymás után a kék, a zöld és a vörös (illetve közeli IR) tartomány átlagos visszaverődési értékeit rögzítik saját sávjukban. Továbbá amennyiben megnézzük a 3. ábrát, be kell látnunk, hogy környezetünk objektumainak valóságos visszaverődési görbéit teljes valóságukban leképezni (modellezni) e filmekkel nem lehetséges. Ez amiatt probléma, mert gyakran előfordul olyan feladat (pl. homogén emberi bőrfelület esetében is), hogy hullámhossz szerint nagyon közel elhelyezkedő két jelenség egyáltalán nem különíthető el egymástól. Az ilyen problémakör megoldását segíti az úgynevezett multispektrális (MS) eljárás.
A multispektrális (MS) fényképezés lényege a következő: Több, estleg 4-6 fotóberendezést szigorúan párhuzamos optikai tengellyel alkalmaznak egyidejű felvétel-készítésre, egymáshoz rögzített és szabályozott formában. Ekkor a 4. ábra szerint a felvételek azonos helyzetben (azonos külső tájékozási elemekkel) közel azonos területet rögzítenek. Amennyiben megfelelő távolságból készülnek a képek, a csökkenő terepi felbontóképesség miatt a felvételek egybevágónak tekinthetők. A különböző fotoberendezésekbe fekete-fehér (pánkromatikus) filmek kerülnek, ami nagyon jó felbontóképességet jelent. A felvételek közben az optikák elé más-más, a feladatoknak megfelelő keskenysávú szűrőket helyeznek. Így létrejön egy adott területről teljesen szabad spektrális választékban egy képsorozat, amit általában (külön-külön színezve a képeket) együttesen értékelnek ki. A folyamat eredményeként a terepi sugárzási különbségek felerősített hatása észlelhető.
Napjainkban az egyébként a legnagyobb felbontással rendelkező filmek alkalmazása mellett (főként a közel-fotogrammetriában) elterjedtek a kisebb felbontást igénylő, de egyszerűbben használható (radiométerek családjába tartozó) CCD-mátrix felvevőrendszerek. Miután sikerült soronként összeszabályozni több ezer detektort, lehetőség nyílt teljes mátrix szerkezetű digitális felvevőberendezések kialakítására (5. ábra). Amennyiben a berendezés rendelkezik a korábban leírt feltételekkel, akkor kaphatunk egy olyan képmátrixot, amelyik geometriailag korrekt adatokat szolgáltat. Azonban itt több nehézség is felmerülhet. A kép felbontóképességét a diódák száma határozza meg. A tömbök mérete azonban a kiolvasás körülményei miatt nagyságában korlátozottak, ugyanúgy, mint a diódák méretei ellenkező irányban. Ugyanis a méretet nem lehet bizonyos határ alá csökkenteni, a diódák között fellépő elektron-áramlási problémák miatt. Ezért a CCD-kamarák érzékelő felületeit a képsíkban meg kell osztani, és a végleges képet külön eljárással, számítógép segítségével előállítani. Ez igen magas költségeket eredményez, és még így is a felbontóképesség nagyságrendileg alatta marad a fotófelvételekének.
ALKALMAZHATÓ AKTÍV TÁVÉRZÉKELÉSI ESZKÖZÖK ÉS FELADATOK
AZ OPTIKAI TARTOMÁNYBAN
A főleg az optikai és a közeli infra tartományban hatásos aktív lézer szkennerek alapötlete szintén régebbi keletű, de a nagypontosságú (a fejlődésnek lökést adó légi változatú) alkalmazását csak az újabb helymeghatározó technológiák (GPS) bevezetése után valósíthatták meg. A módszer alapötlete a geodéziában ismert poláris helymeghatározáson alapszik. Ha ugyanis egy pontból meg tudjuk mérni valamely tereppont távolságát és nadírszögét (vagy hajlásszögét egy síkhoz), akkor hozzá képest egyértelmű koordináta-meghatározás lehetséges a rendszer aktuális működési síkjában. A letapogatási síkok egy prizmarendszer segítségével változtathatók. A műszernek természetesen aktív (lézer) elvűnek kell lenni, hogy a kibocsátott jelek futási idejét mérhessük. Ezek alapján a felépítése a következő (6. ábra): Egy valamilyen hullámhosszúságú lézersugár zárszerkezeten keresztül egy, a pásztázó rendszerekhez hasonló módon működő tükörre jut, amelyik segítségével letapogatja keresztirányban a felszínt. A vizsgált felszínről visszavert sugárzás egy detektorba jut, majd egy adatképző műszerbe. Itt megtörténik a távolságok számítása, valamint az amplitúdó (feketedés) rögzítése. Ez utóbbi a szomatoinfra eljárások támogatására alapvető fontosságú. Ilyen módon végül is létrejön az objektum 3D-s modellje, vagy (és) a megfelelő hullámhosszon a transzformált képe (ún. kvázi ortofotó). Legnagyobb probléma a leképezéseknél a különböző takarásokkal van. Ezt sztereo jellegű felvételekkel küszöbölhetik ki, természetesen a geometriai pontosság bizonyos csökkenésével. Az előzőekből kitűnik, hogy a lézer szkenner legfőképpen az objektumok (vizsgálati személyek) geometriai adatainak meghatározására alkalmasak 3D-ben.
A geodéziai pontosságú és teljesítményű aktív szkennerek ára nagyon borsos, és adatfeldolgozásuk mindenképpen jelentős munkát igényel. Ezért kisebb kiterjedésű objektumok esetén, pl. a szomatoinfra vizsgálatoknál elegendőnek bizonyulhat az úgynevezett mélységkamerák alkalmazása. Ebben az esetben általában a kimenő fénysugár modulálására vetítőt, illetve ezzel párhuzamosan működő kamerát használnak. A modellalkotáshoz szükséges távolságok számításhoz vagy a fénysugár visszatéréséhez szükséges időt, vagy a fotogrammetriához hasonló információkat használják. Az adatok feldolgozása on-line lehet, tehát a vizsgálatokkal egy időben létrejöhet a vizsgált személy valódi 3D modellje és e modellen a látható tartományban érzékelhető felszíne.
Említést érdemelnek még a már kevésbé használt vidikon televíziós rendszerek, mivel a képrögzítő vidikon-lemez érzékeny nem csak a látható hullámsávokra, hanem a közeli infravörös tartományra is, körülbelül 1 m-ig. A vidikon-lemeznek azt a tulajdonságát használják ki e mellett, hogy a fajlagos ellenállása nagy, tehát „van idő” a lemez elektronsugárral való letapogatására (7 ábra). Hogy ezt a lehetőséget kihasználják, általában beépített infra-vetőt használnak. Amennyiben kevés a beeső látható fény, vagy ezeket kiszűrjük, akkor rögzíthető a reflektálódó infravörös fény. Mégpedig amennyiben behatol az objektumba, akár nagyobb mélységből is (emberi test esetén talán néhány mm-ről). Ezzel a módszerrel a látható EM-tartomány információi jól kiegészíthetők.
Az előzőkben áttekintettük azokat a távérzékelő eljárásokat, amelyek közeli felvételezéssel alkalmasak pl. az emberi testről információkat gyűjteni a távérzékelés eszközeivel. Kiemelhető, hogy a tárgyalt optikai tartományban a felületi tulajdonság-adatok mellett főként a geometriai információk hasznosak, hiszen segítségükkel létrehozható többek között egy személy 3D geometriai modellje, esetleg on-line módon más képszerű információk integrálásával.
A távoli infravörös EM-tartományban alkalmazott távérzékelő eszközökről, pl. az úgynevezett „hőkamerákról” a későbbiekben szólunk.