กล้องถ่ายภาพที่ติดตั้งบนดาวเทียมหรือยานอวกาศเป็นอุปกรณ์สำคัญสำหรับการสำรวจและตรวจสอบพื้นผิวโลก การติดตามการเปลี่ยนแปลงของภูมิประเทศ การตรวจจับวัตถุในอวกาศ ตลอดจนการเฝ้าระวังและติดตามวัตถุอวกาศ อย่างไรก็ตาม ภาพที่ได้จากกล้องอาจมีความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิต (Geometric Distortion) ซึ่งเกิดจากคุณสมบัติของระบบเลนส์ การออกแบบอุปกรณ์ถ่ายภาพ สภาพแวดล้อมในอวกาศ และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
การวัดค่าความเพี้ยนของกล้องจึงเป็นกระบวนการสำคัญในการประเมินประสิทธิภาพของระบบถ่ายภาพ เพื่อให้สามารถแก้ไขความคลาดเคลื่อนของภาพและเพิ่มความถูกต้องในการระบุตำแหน่ง ขนาด รูปร่าง และระยะห่างของวัตถุที่ปรากฏในภาพถ่ายจากอวกาศ
ความหมายของค่าความคลาดเคลื่อนของกล้อง
ค่าความคลาดเคลื่อนของกล้อง (Camera Distortion) หมายถึง ความคลาดเคลื่อนของตำแหน่งภาพที่เกิดจากระบบเลนส์และอุปกรณ์ถ่ายภาพ เมื่อเปรียบเทียบกับตำแหน่งภาพที่ควรปรากฏตามหลักการฉายภาพทางเรขาคณิต โดยทั่วไปสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลัก ได้แก่
-Radial Distortion (ความเพี้ยนเชิงรัศมี) เป็นความคลาดเคลื่อนที่เกิดขึ้นตามแนวรัศมีจากจุดศูนย์กลางภาพ โดยแบ่งเป็น Barrel Distortion ซึ่งทำให้เส้นตรงบริเวณขอบภาพโค้งออก และ Pincushion Distortion ซึ่งทำให้เส้นตรงโค้งเข้าหาศูนย์กลางภาพ
-Tangential Distortion (ความเพี้ยนเชิงสัมผัส) เป็นความคลาดเคลื่อนที่เกิดจากการจัดวางชิ้นเลนส์หรือเซนเซอร์ไม่ตรงแนวแกน ส่งผลให้ตำแหน่งภาพเกิดการเลื่อนหรือบิดเบี้ยวในทิศทางที่ไม่สมมาตร
หลักการวัดค่าความคลาดเคลื่อนของกล้องในอวกาศ
การตรวจวัดค่าความคลาดเคลื่อนของกล้องสามารถดำเนินการได้ทั้งก่อนการส่งดาวเทียมขึ้นสู่อวกาศ (Pre-launch Calibration) และภายหลังจากดาวเทียมเข้าสู่วงโคจรแล้ว (On-orbit Calibration) โดยมีวิธีการสำคัญดังนี้
-การสอบเทียบด้วยจุดอ้างอิง (Reference Point Calibration)
เป็นการถ่ายภาพวัตถุหรือจุดอ้างอิงที่ทราบตำแหน่งและระยะห่างอย่างแม่นยำ จากนั้นนำตำแหน่งที่ปรากฏในภาพมาเปรียบเทียบกับตำแหน่งจริง เพื่อคำนวณหาค่าความคลาดเคลื่อนของพิกัดภาพ วิธีนี้สามารถใช้จุดควบคุมภาคพื้นดิน (Ground Control Points: GCPs) หรือพื้นที่สอบเทียบที่มีข้อมูลพิกัดอ้างอิงความแม่นยำสูง
-การสอบเทียบด้วยดาวฤกษ์ (Star-based Calibration)
ใช้ดาวฤกษ์ที่มีตำแหน่งปรากฏบนทรงกลมฟ้าที่สามารถคำนวณหรืออ้างอิงได้เป็นจุดควบคุม โดยนำตำแหน่งดาวที่ตรวจจับได้จากภาพถ่ายมาเปรียบเทียบกับตำแหน่งอ้างอิง เพื่อประเมินความคลาดเคลื่อนของระบบเลนส์และพิกัดภาพ วิธีนี้เหมาะสำหรับกล้องที่ใช้สังเกตการณ์วัตถุในอวกาศ
-การสอบเทียบขณะปฏิบัติงานในวงโคจร (On-orbit Calibration)
เป็นการตรวจสอบและปรับปรุงค่าพารามิเตอร์ของกล้องภายหลังจากดาวเทียมเข้าสู่วงโคจร โดยใช้ข้อมูลภาพที่ดาวเทียมถ่ายได้จริงร่วมกับข้อมูลวงโคจรและทิศทางการหันของดาวเทียม เพื่อประเมินความคลาดเคลื่อนที่เกิดขึ้นจากการติดตั้ง การสั่นสะเทือน และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในอวกาศ
ตัวอย่างงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง
มีงานวิจัยที่น่าสนใจเกี่ยวกับการตรวจวัดและแก้ไขค่าความเพี้ยนของกล้องบนดาวเทียม ได้แก่
-On-orbit Calibration of Space Camera Lens Distortion Using a Single Image (2024)
เป็นงานวิจัยที่นำเสนอวิธีการสอบเทียบความเพี้ยนของเลนส์กล้องบนดาวเทียมโดยใช้ภาพเพียงภาพเดียว อาศัยจุดรวมของเส้นขนาน (Vanishing Points) ที่ตรวจพบจากภาพแผงเซลล์แสงอาทิตย์ของดาวเทียม เพื่อคำนวณและปรับแก้ค่าความเพี้ยนของเลนส์ โดยไม่จำเป็นต้องใช้วัตถุสอบเทียบเฉพาะทางบนพื้นโลก
-Geometric Calibration of the ESA Mars Express Orbiter High Resolution Stereo Camera (2023)
เป็นงานวิจัยเกี่ยวกับการสอบเทียบเชิงเรขาคณิตของกล้องความละเอียดสูงบนยาน Mars Express ขององค์การอวกาศยุโรป (ESA) โดยใช้ข้อมูลภูมิประเทศของดาวอังคารเป็นข้อมูลอ้างอิง ผลการศึกษาสามารถลดความคลาดเคลื่อนของภาพจากประมาณ 12 พิกเซล ให้เหลือน้อยกว่า 1 พิกเซลหลังการสอบเทียบ
- Pre-Flight and In-Flight Calibration and Performance of the Terminal Tracking Cameras on the NASA Lucy Mission (2024)
เป็นงานวิจัยเกี่ยวกับการสอบเทียบกล้องติดตามวัตถุของภารกิจ Lucy โดยใช้ตำแหน่งดาวฤกษ์จำนวนหลายพันดวงในการวิเคราะห์ความเพี้ยนทางเรขาคณิตของกล้อง และประเมินความแม่นยำของตำแหน่งจุดศูนย์กลางดาวที่ปรากฏในภาพ
ประโยชน์และการประยุกต์ใช้งาน
การตรวจวัดค่าความเพี้ยนของกล้องในอวกาศมีความสำคัญต่อภารกิจด้านอวกาศหลายประการ ได้แก่ เพิ่มความถูกต้องในการระบุตำแหน่งของวัตถุจากภาพถ่ายดาวเทียม เพิ่มประสิทธิภาพในการตรวจจับและติดตามวัตถุอวกาศ (Space Object Tracking) สนับสนุนการสร้างภาพสามมิติและการสำรวจภูมิประเทศจากดาวเทียม เพิ่มความแม่นยำในการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของพื้นผิวโลก สนับสนุนการตรวจสอบประสิทธิภาพของระบบกล้องและเซนเซอร์บนดาวเทียมตลอดอายุการใช้งาน
สรุป
การวัดค่าความเพี้ยนของกล้องในอวกาศเป็นกระบวนการสำคัญในการรักษาความถูกต้องและความน่าเชื่อถือของข้อมูลภาพจากดาวเทียม เนื่องจากสภาพแวดล้อมในอวกาศมีปัจจัยที่อาจส่งผลต่อคุณสมบัติทางแสงและความแม่นยำเชิงเรขาคณิตของระบบกล้อง เช่น การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ การสั่นสะเทือน และการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างอุปกรณ์ ดังนั้น การสอบเทียบกล้องทั้งก่อนส่งขึ้นสู่อวกาศและระหว่างปฏิบัติงานในวงโคจรจึงเป็นสิ่งจำเป็น เพื่อให้ข้อมูลภาพที่ได้รับมีความถูกต้อง สามารถนำไปใช้สนับสนุนภารกิจสำรวจโลก การตรวจจับวัตถุอวกาศ และการพัฒนาขีดความสามารถด้านเทคโนโลยีอวกาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ
แหล่งอ้างอิง
On-orbit calibration of space camera lens distortion using a single image (2024)
Geometric Calibration of the ESA Mars Express Orbiter High Resolution Stereo Camera (2023)
On-Orbit Geometric Calibration Model and Its Applications (2014)
NASA Lucy Mission Camera Calibration (2024)
บทความโดย
ร.ต.ศิริพัฒน์ มีแทน