Panchromatic Image, 전색상 이미지란? Pansharpening이란?

Panchromatic Imaging은 흑백 사진술의 한 형태로, '전색'(panchromatic) 필름 또는 센서가 가시광선 전 범위에 걸쳐 빛을 포착합니다. 이 방식은 빛의 모든 파장을 효과적으로 기록하여, 사진에 풍부한 명암과 세부적인 텍스처를 제공합니다. 전통적인 흑백 사진과 비교했을 때, Panchromatic Imaging은 보다 정밀한 이미지 디테일과 더욱 깊은 톤의 범위를 제공하는 것이 특징입니다. 이는 특히 풍경, 도시 장면, 및 야생 동물과 같은 다양한 주제를 포착하는 데 있어 선호되는 방식입니다.

 

 

가시광선은 대략 380nm에서 740nm 사이의 파장 범위를 가지며, 이 범위 안에서 우리가 볼 수 있는 모든 색상이 포함됩니다. 여기서, 빨간색(Red, R), 초록색(Green, G), 파란색(Blue, B)의 대역은 각각 다음과 같은 파장을 가집니다:
- 빨간색(R): 대략 620~750nm
- 초록색(G): 대략 495~570nm
- 파란색(B): 대략 450~495nm

각 색상 대역을 얻기 위해 특정 파장대만을 통과시키는 밴드패스 필터를 사용할 때, 해당 대역 외의 빛은 차단되어 결과적으로 에너지가 줄어들게 됩니다. 이는 색상 정보를 분리해 내는 과정에서 일부 빛의 에너지를 손실시킨다는 것을 의미합니다.

반면, 전대역의 빛을 포착하는 팬크로매틱 이미징은 가시광선의 전 범위를 사용합니다. 이는 다음과 같은 장점을 가집니다:
1. 더 높은 빛의 감도: 팬크로매틱 이미징은 더 넓은 범위의 빛을 포착하기 때문에, 이미지가 더 밝고 세부 사항이 더 잘 포착됩니다.
2. 향상된 명암과 텍스처: 전체 가시광선 범위를 사용함으로써, 이미지에 더 풍부한 명암 대비와 디테일을 제공할 수 있습니다.
3. 효율적인 데이터 사용: 단일 팬크로매틱 이미지는 색상 정보를 분리하지 않고 전체 빛의 정보를 활용하기 때문에, 데이터 처리가 더 효율적일 수 있습니다.

 

Fig. 5 . Spectral responses of QuickBird and IKONOS. Zhang, Kai, et al. "Panchromatic and multispectral image fusion for remote sensing and earth observation: Concepts, taxonomy, literature review, evaluation methodologies and challenges ahead." Information Fusion (2023).

 

그래프를 예로 들어 설명하겠습니다. 그래프에서 보이는 바와 같이 팬크로매틱(PAN) 채널은 다른 RGB나 근적외선(NIR) 채널보다 훨씬 넓은 범위의 파장에 대해 반응합니다. PAN 채널의 넓은 스펙트럴 반응은 더 많은 빛 에너지를 포착할 수 있다는 것을 의미합니다. 그래프에서 채널의 반응률은 정규화된 스펙트럴 반응으로, 이는 각 채널이 각 파장대에서 얼마나 빛을 포착하는지를 나타내는 것이며, 이는 에너지 수준과도 관련이 있습니다.

이미지 생성 모델에서 적분을 사용하여 각 채널의 에너지를 계산할 때, 넓은 스펙트럴 반응을 갖는 채널은 더 넓은 파장 범위에 대한 빛을 포착하므로, 총 에너지 수준이 높을 수 있습니다. 하지만, 이는 각 채널의 민감도와 각 파장에서의 빛의 강도에도 의존합니다. 실제 위성 이미지에서 PAN 채널은 흑백 이미지를 생성하는 데 사용되며, 이는 색상 정보는 없지만, 높은 해상도의 세부 정보를 포함하고 있습니다.

PAN 채널은 다중 분광 이미지와 결합될 때 중요한 역할을 합니다. Pansharpening 과정에서는 PAN 채널이 제공하는 고해상도의 세부 정보를 다중 분광 채널이 제공하는 색상 정보와 결합하여, 세부적이면서도 색상이 풍부한 이미지를 생성합니다. 이때 각 RGB 채널과 PAN 채널 사이의 상관관계를 분석하여, 색상 채널의 해상도를 개선하는데 PAN 채널의 정보를 활용합니다. 즉, PAN 채널의 선명한 디테일을 RGB 채널에 적용하여 전체 이미지의 선명도를 향상하는 것입니다.

이 과정에서 각 채널 간의 상관관계를 이해하고 적절히 조정하는 것은 매우 중요합니다. PAN 채널과 RGB 채널 사이에 적절한 가중치를 적용하고, 각 채널의 특성을 고려하여 최종 이미지에 적절한 색상과 세부 정보를 유지하면서 해상도를 향상시키는 것이 중요합니다.

Pansharpening 기술을 사용하면, 이러한 팬크로매틱 이미지의 고해상도 세부 정보와 다중 분광 이미지의 색상 정보를 결합하여, 더 높은 해상도와 색상 정보가 향상된 이미지를 생성할 수 있습니다. 이는 위성 이미지 분석, 지도 제작, 환경 모니터링 등 다양한 분야에서 이미지의 질을 개선하는 데 유용하게 사용됩니다.

 

 

Pansharpening은 고해상도의 팬크로매틱(흑백) 이미지와 낮은 해상도의 다중 분광(색상) 이미지를 결합하여, 고해상도의 색상 이미지를 생성하는 이미지 처리 기술입니다. 이 과정은 두 이미지의 정보를 융합하여 최종 이미지에는 팬크로매틱 이미지의 세밀한 디테일과 다중 분광 이미지의 색상 정보가 모두 포함되도록 합니다.

Pansharpening의 핵심 단계:

1. 입력: 고해상도 팬크로매틱 이미지와 해당 지역의 낮은 해상도 색상 이미지(보통 위성이나 항공 촬영으로 얻음)를 준비합니다.
2. 융합: 두 이미지의 해상도 차이를 조정한 후, 색상 정보와 세밀한 디테일을 효과적으로 결합하기 위해 다양한 알고리즘을 적용합니다.
3. 출력: 결과물은 고해상도의 색상 이미지로, 낮은 해상도의 다중 분광 이미지보다 훨씬 더 세밀한 디테일과 향상된 색상 정확도를 가집니다.

Pansharpening의 응용:

- 위성 이미지 처리: 지구 관측에서 더욱 선명하고 자세한 정보를 제공합니다.
- 지도 제작과 도시 계획: 도시 확장, 교통, 인프라 등의 세부 사항을 더 잘 파악할 수 있게 합니다.
- 환경 모니터링: 변화하는 환경 조건, 식생 상태, 자원 분포 등을 더 정밀하게 추적합니다.
- 농업: 작물의 상태, 수확 가능 영역, 농지 관리 등에 대한 정보를 향상시킵니다.

Pansharpening은 이미지의 질을 크게 향상시키며, 다양한 분야에서 보다 정밀한 분석과 의사결정을 가능하게 하는 중요한 기술입니다.

 

 

 

 

2024.01.30 - [Sensor] - 전자기스펙트럼 electromagnetic spectrum, EMS / 가시대역, 근적외선 대역 visible spectrum, near-infrared, NIR, IRCF, 적외선차단필터

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