Każdy, kto zagłębia się w opis zdjęcia satelitarnego, prędzej czy później natrafia na informację o rozdzielczości obrazu. Co ciekawe, nie znajdzie tam określeń w stylu high definition, full DH, 4K – tak dobrze znanych z życia codziennego. Dlaczego w satelitarnych obserwacjach Ziemi te terminy nigdy* nie występują? Co by było, gdyby jednak je zastosować?
Według Słownika Języka Polskiego PWN, rozdzielczość to „zdolność do wyraźnego przedstawiania drobnych szczegółów”. Definicja tyleż trafna, co ogólna. Stąd w różnych obszarach stosowania termin „rozdzielczość” oznacza zawszę coś innego. Gdy używamy go w kontekście obrazu generowanego na różnej maści wyświetlaczach, rozdzielczość jest synonimem albo wymiarów (rozmiaru) obrazu, albo standardu zapisu sygnału wideo. Ograniczę się tylko do obrazów nieruchomych. Wtedy pojęcie high definition (HD) oznaczało będzie obraz o wymiarach 1280 x 720 pikseli.
Przymiotnik high wskazuje, że przy HD mamy do czynienia z pewnym ulepszeniem względem wcześniejszego standardu, określonego wstecznie jako „standard definition” (cyfrowy odpowiednik analogowych standardów PAL i SECAM; obrazy o rozmiarze np. 768 x 576 pikseli, 720 x 480 pikseli). Nieco większe niż HD są obrazy zapisane jako full HD, czyli posiadające rozmiar 1920 x 1080 pikseli. Idąc dalej napotkamy na standardy ultra-high definition: 4K UHD i 8K UHD.
„4K” oznacza cztery tysiące pikseli, „8K” – osiem tysięcy pikseli, a wartości te odnoszą się do szerokości obrazu. Przybliżonej, gdyż dla 4K UHD jest to dokładnie 3840 x 2160 pikseli, a dla 8K UHD aż 7680 x 4320 pikseli. Założenie jest proste: ten sam kadr, wyświetlany na ekranach o identycznym rozmiarze (w sensie metrycznym), ale różnej „rozdzielczości”, będzie tym bardziej szczegółowy, im więcej „K” w nazwie standardu. Kto nie wierzy, niech obejrzy dowolny film z płyty blu-ray (4K) na szlachetnym telewizorze Rubin, a następnie na 65-calowym smart-tv…
Przejdźmy do satelitów. Tu też mamy obrazy, i też mówimy o ich rozdzielczości. Zazwyczaj może chodzić o rozdzielczość: spektralną, radiometryczną, czasową lub przestrzenną. Którą wybrać? Gdy interesuje nas szczegółowość obrazu satelitarnego (ilość dostrzegalnych detali), powinnyśmy skupić się na rozdzielczości przestrzennej. W odróżnieniu od świata sygnału wideo, „rozdzielczość” nie oznacza teraz wymiaru obrazu w pikselach, ale wymiar pojedynczego piksela.
Od razu precyzuję: chodzi o rozmiar, jaki miałby piksel, gdyby narysować go na powierzchni Ziemi. Jeśli dane satelitarne mają np. „rozdzielczość 10 m” oznacza to, że w jednym pikselu zapisana jest uśredniona informacja dla kwadratu o wymiarach terenowych 10 x 10 m. Co kryje się w takim kwadracie? By się tego dowiedzieć musimy sięgnąć po dane o wyższej rozdzielczości, np. 1 m. Wtedy 10-metrowy kwadrat wypełni aż sto mniejszych kwadracików. Jak to wygląda w praktyce pokazuje poniższa grafika.
Jak widać postrzeganie rozdzielczości obrazu jest zupełnie inne w kontekście oglądania zdjęć na ekranie i pozyskiwania danych satelitarnych. Właśnie dlatego pytanie „czy ten satelita dostarcza obrazów full HD czy 4K?” nie ma większego sensu. Ale… Każdy obraz satelitarny ma jednak skończony rozmiar. Składa się z iluś tam pikseli wszerz i wzdłuż. Co by było, gdyby przyłożyć do takich obrazów miarę rozdzielczości znaną ze świata TV/wideo?
Szerokość zdjęcia satelitarnego wynika z konstrukcji instrumentu rejestrującego obraz. Wartość tę znajdziemy w dokumentacji sensora. Będzie to odpowiednik szerokości obrazu „ekranowego”, a więc podstawy do stwierdzenia czy mamy do czynienia z 4K, 8K, itd.
Z drugim wymiarem jest problem. Instrumenty często projektowane są tak, by działać w sposób ciągły, skanując Ziemię non stop – dniami, tygodniami, miesiącami. Przerwy wynikają albo z awarii, albo zaplanowanych prac serwisowych lub kalibracyjnych. Jeden dzień pracy sensora MODIS w rozdzielczości 250 m/piksel dałby obraz o długości około 2 milionów pikseli. Ze względów praktycznych długi pas obrazowani tnie się na fragmenty o długości zbliżonej do szerokości pasa. Dlatego skupie się wyłącznie na tej szerokości.
Na warsztat wziąłem sześć instrumentów. Dwa pierwsze to sensory o niskiej rozdzielczości, stosowane do monitorowania całej planety, w tym szczególnie atmosfery: AVHRR i MODIS. Dwa kolejne to skanery używane przede wszystkim do monitorowania powierzchni lądu: MSI (satelity Sentinel-2) i OLI (satelita Landsat-8). Zestawienie zamyka para instrumentów bardzo wysokiej rozdzielczości, zainstalowanych na satelitach Pleiades (HiRI) i WordView-4 (SpaceView-100). Szczegóły dotyczące rozdzielczości i rozmiaru obrazów zawarłem na poniższej grafice. (Jeśli instrument oferuje dane w kilku rozdzielczościach uwzględniałem zawsze największą.)
Co z porównania wynika? Spośród uwzględnionych sensorów wszystkie mogłyby pochwalić się danymi lepszymi niż full HD. Instrumenty meteorologiczne otwierają stawkę ze zdjęciami w przedziale full HD i 4K UHD. Natomiast dla pozostałych… brakuje skali. Amerykański Landsat-8 i europejski Sentinel-2 dostarczają danych, które można śmiało scharakteryzować jako odpowiednio 13K i 27K.
Skok w rozdzielczość Pleiades i WordView-4 przenosi nas do (oczywiście fikcyjnych) standardów 30K i 44K. Jeśli telewizory obsługujące 4K UHD mają obecnie matryce o przekątnej w przedziale 40-70 cali, to wyświetlenie obrazu 30K-40K w podobnej technologii wymagałoby ekranu 300-800 calowego (800 cali to 20 metrów!). Taką „plazmą” to można sąsiadowi zaimponować.
*) We wstępie użyłem słowa „nigdy”, choć nigdy nie należy mówić nigdy. Są pewne sytuacje, gdy high definition jest jednak używane w odniesieniu do rozmiaru danych satelitarnych (rozmiaru, nie rozdzielczości). Dzieje się tak w przypadku satelitów, które przesyłają obserwacje wideo – na przykład Jilin-1 (4K UHD), UrtheCast (4K UHD), SkySat-1 (full HD). Ale to już inna historia…