Введение к работе
Диссертация посвящена разработке методов моделирования огггико-электронных систен дистанционного формирования и обработки изображений и создания на зтоа основе эффективных алгоритмов и программных комплексов обработки изобраяэниа.
Актуальность темы. Использование оптических сигналов (изображении) как носитвлэа измерительной информации нашло широкое применение в научных исследованиях, народном хозяйстве, социальной и деловой сферах. Важиеадаа из прикладных задач видеоизйерзниа является дистанционное зондирование поверхности Земли с помощью орбитальных космических аппаратов, выполняемое в целях исследования природных ресурсов, экологического мониторинга, контроля за чрезвычайными ситуациями и т.д. Используемые в этой'задача высокораз-решающда оптико-электронные системы дистанционного формирования и обработки изображений (СДЗЮй) представляят собой сложные информационные физико-технические комплексы. Они осуществляют сбор данных о земноа поверхности в специфических условиях наблюдения сигнала с многочисленными факторами искаженна, включает в себя оптическую, электронную аналоговую и цифровую аппаратуру, реализующую сложные програггаы ви-дзоизмеренна и широкий спектр алгоритшв обработки изобразэ-ниа. Создание таких систем связано с анализом большого числа их вариантов, сопровождающимся оценкой характеристик видео-информационного тракта (последовательности этапов преобразования сигнала), и поиском наиЗолее эффективных проектных решений. При этом исключительно важную роль играет моделирование видеоинформационного тракта на ЭВМ. Вычислительные эксперименты с моделью тракта позволяют резко сократить время и стоимость анализа вариантов СДЭОИ и, следовательно, полное исследовать зависимость показателей эффективности системы от параметров аппаратуры и алгоритмов, принять более обоснованные проектные решения и в конечном счете - повысить качэство получаемой видеоинформации. В то ю время необходимые для моделирования информационные технологии обработки изображений и программно-аппаратные моделирующие комплексы являются, как и сами СДОШ, сложными научно-техническими объектами, разработка которых представляет собой серьезную проблему.
Изучению различных асшктов проблемы моделирования процессов формирования и обработки изображения в технических системах посвящены труды большого числа российских ученых: А.Г.Буямова, Н.Н.Красильникова, А.Ф.Мелькайовича, М.М.Мирош-никова, Л.Ф.Порфирьева, В.А.Сойфера, Л.П.Ярославского и др., а также зарубежных: Г.Эндрюса (Н.С. Andrews), Дж.Гудмена (J.f.Goodffian), Т.Хуанга <Т.S.Huang), А.Джаана (А.К.Jain), У.Прзтта (I. К. Pratt), А.Розевфелыга (A.Ro3enield) и др. К настоящему времени предложено и исследовано болькое число математических моделей входного оптического сигнала, быстрых алгоритмов дискретных преобразований и сверток, моделирующих его линейные трансформации, алгоритмов цифровой обработки изображвниа в видеоинформационном тракте. Однако в целом проблема создания и применения методов и средств моделирования видеоинформационного тракта оптико-злектронных СДФОИ космического базирования до сих пор остается актуальной. Не разработаны вопросы обеспечения метрологии и вычислительной эффективности методов моделирования таких систем. Отсутствуют приемлемые для практического использования математические модели некоторых звеньев оптико-злэктронного тракта. Не раз-рзботаны многие необходимые при моделировании методы, алгоритмы и информационные технологии обработки данных. Не создано прикладное программное обеспечение моделирующих комплексов с достаточно полными функциональными возможностями имитации процессов преобразования изображении в тракте, исследования информационных показателей качества СДООИ.
Цель и задачи исследований. Целью диссертации является разработка методов, алгоритмов, информационных технологии и программных средств математического моделирования оптико-злектронных СДООИ космического базіфования в задачах оценки и повьшения качества получаемой кафорнацаи. Десткженкэ этой цели обеспечивается реаениэм следующих исследовательских задач:
анзлкзам катеаатических кодэлев звеньев оптико-злектрон-ного видэоиЕфоркационного тракта, разработкой и исследованием модели матричного видеодатчкка на приборах с зарядовой связью (ПЗС), функцюЕируюоэго в решаю временной задержки и накопления зарядов (ЮН);
разработкой катодов и алгоритмов моделирования видеоин-
формационного тракта СДООИ, позволяющих достичь наибольшей вычислитвльноа эффективности цифровой модели тракта при заданном уровне ее адекватности;
разработкой и исследованием эффективных методов и алгоритмов синтеза, обработки и анализа изображений в моделируших комплексах СЩЖ;
созданием эффективной информационной технологии проведения статистических экспериментов с модельв тракта;
- разработкой информационного и программного обеспечения
моделирующих комплексов,, созданием технологиа моделирования
тракта, обеспечивающих практическое решение проблемы иссле
дования оптико-электронных СДООИ."
Методы исследований, примененные в диссертации, включают, в себя методы теории вероятностей, случайных процессов и математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления, линейной алгебры, теории графов, теории непрерывных и дискретных сигналов и систем, методы оптимизации, моделирования в т.д.
Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в следующзя.
Разработан ковструктивныа метод цифрового моделирования видеоинформационного тракта оптико-злзктронноа СД50Й, заключающийся в реализации модели с максимальной вычислительной эффективностью при заданном уровне адекватности.
Предложена' модель случайных мозаичных изображений, описывающая пространственную структуру земных покровов; разработаны алгоритмы синтеза, позволяющие получать тестовае мозаики с заданной статистикой и морфологаза контуров.
Разработана "динамическая* модель матричного оптико-электронного ПЗС-датчика с ВЗН, описывающая,, в отлична от известных, пространственно-временной процесс формирования сигналов, специфичный для данного типа датчика; оценено влияние на сигнал различных искажающих факторов, выработаны рекомендации по рациональному построению модели датчика.
Выполнен сравнительный анализ адекватности цифровых моделей непрерывных линейных систем с постоянными параметрами (ЛПП-систем>, описывающих преобразования оптического сигнала в линейных звеньях видеоинформационного тракта.
Предложен кетод усечения спектра сигнала на входе коде-ли тракта, обеспечиваэошиа снкжэние вычислительвоа сложности моделирования; получены расчетные соотношения для параметров этого вида обработки б зависимости от требуемой точности моделирования, характеристик сигнала и искажающей .ДГН-системы.
Разработаны эффективные алгоритмы моделирования ЛПП-систем с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ), основанные на минимизации разкероз ДПФ при-заданных информативных фрагментах входного и выходного сигналов и размахе имлулъсноз характеристики модэлируекзг ЛПП-сисгата, а такав на оптимальном секцианироваяик быстроа свертки.
Разработан кэтод описания класса шаровых параллельно-рекурсивных фильтров с конечной импульсной характеристкко2 (КИХ-фильтров), исследованы базисы разложения импульсных характеристик, построены систеш разностных уравнений и структуры фильтров, даны оцзнзск их вычислительное сложности.
Разработана об:цзя схена расчета параллельных КИХ-фильтров и ее конкретные варианты для ваанэашх задач модзлїфаза-ния ввдэоинфорыациэняого тракта и обработки изображений.
Втрвне прокзБэдано исследование эффективности парзл-лзльно-реї;урсивяьіх КИХ-фильтров в задачах моделирования и обработки взосражэниа, показавшее возкоїаюсть суазстванного сшггзния сложности обработки.
Разработаны и исслэдовзны эффективные алгоритм сжатия данзіа, сочэтгвзче учот двумэрноста кодируемых кзобраазниг с вагляаЕость» их декодароззгкя с заданной точностью, оцзекзз-еаое по критерия раввокзрного приближения: алгоритмы, основанные на двумерном предсказании и адаптивных выборках, и алгоритш с выделением областей и кодированием контуров. Для первого класса алгоритмов предложены метода синтеза процедур предсказания, инвариантных к прямолинейным контурам. .
Разработан новьш быстрый алгоритм развертки цифрового изображения по крнвоз Гйльбэрта-Пеано; установлена связь автоковариационной функции (АКФ) двумерного стационарного случааного поля с АКФ одношрного сигнала после рззвертки Гильбертз-Пеаяо (РГП); показана возможность использования РГП для повышения качества обработки двумерных сигналов.
Получены экспериментальные оцэнки эффективности вариантов организации обменов дя*ттпп> с внешней памятью ЭШ при
выполнении геометрических преобразования изображения, установлена целесообразность формирования отсчетов преобразованного изображения с использованкзм ЕГО.
Предложен метод оценивания импульсноа характеристики искакакгоа ЛПП-системы при наблюдении сигнала на выходэ и неизвестной кусочно-постоянном входяон сигнале, основанный на применении нового рангового- алгоритма восстановления входного сигнала, используемого з процедуре оценивания.
Разработана и исследована информационная технология статистических экспериментов с моделью видеоинфоризцконного тракта, основанная на модификации известного метода значимой выборки (МЗВ) и уменьшающая число прогонов модели при оценивании малых вероятностен ошибок обнаружения объектов.
Разработаны принципы построения информационного и программного обеспечения моделирования и обработки изображений, примененные при создании модзлирупциг комплексов СДЭОИ.
Практическая ценность работы. На основе предложенных в диссертации подходов и катодов разработаны и экспериментально исследованы алгоритмы и информационные технологии моделирования процессов формирования и обработки изображений. Динамическая модель ПЗС-датчика с ВЗН открывает возможность более полного исследования перспективных оптако-электроЕЕых сдаои, базирующихся на орбитальных космических аппаратах. Предложенный ютод усечения спектра сигнала на входа модели видеоинфорнациожого тракта в 10-1 СО раз сникает вычислительную,сложность моделирования. Реализация процедур обработки изображениа в реиимв скользящего окна на базе параллельно-рекурсивных КИХ-фильтров позволяет снизить сложность обработки еще на порядок (слошость указанных фильтров не зависит от размеров окна обработки, что ооеспе-,. чивает рост их преимуществ с увеличениен окна). Разработанные алгоритмы сжатия данных дают двух-трехкратныа выигрыш в эффекте сжатия по сравнении с известными алгоритмами подобного назначения, чем обесточивает экономно запоминапцих устройств ЭВМ при архивации изображениз. Выполнение геометрических преобразования изображений с формированием выходных кадров по РГП на 25-40Ж сокращает число обменов с внешней памятью. Разработанная информационная технология проведения статистических экспериментов с моделью тракта позволяет
уменьшить число прогонов модели и получить паяную зависимость вероятности ошибок обнаружения объектов от уровня шума за единственный цикл моделирования.
Эта и другие результаты диссертации существенно ускоряет решение практических задач моделирования видеоинформационного тракта при исследовании и автоматизированном проектировании СДФОИ. повышают качество проектных решений по этим системам, а также открывают новые возможности реаения прикладных задач обработки изображений в смежных областях науки и техники: компьвтерноа оптике, автоматизации экспериментальных исследования технических объектов, медико-биологических исследования и т.д. Реализация этих возможностей обеспечена созданием в рамках диссертационноя работы соответствующих программных и программно-аппаратных комплексов.
Реализация результатов. Результаты диссертационных исследования внедрены в рамках хоздоговорных НИР в Центральном специализированном конструкторском бюро (г.Самара), где используются при моделировании перспективных оптико-злэктронЕых СДФОИ, проводимом с далью оценки качества получаемых изображения, исследования алгоритмов обработки изображениа в видэоинфораадаонном тракте.
Б Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники используются математические модели и алгоритмы синтеза случайных мозаичных изображения с управляемой статистикой и корфологиэа контуров.
Б Институте систем обработки изозрайеяка РАН на базе описанных в диссертации прогрзманых средств для ЕС и СМ ЭВЙ создано програглшоо обеспечение синтеза пространственных * фильтров для оптических систем обработки информации.
Тан же и кроае того в Центральном научно-исследовательском институте спэциального лашиностроения (г.Хотьково), в отраслевых лабораториях Самарского государственного азро-космического университета при экспериментальных исследованиях и контроле качества технических объектов применяются программно-аппаратный комплекс "АИСТ-мини" и программная система обработки изображений "PCIook".
Алгоритмы и программное обеспечение обработки изображения IPS комплекса "АИСТ-мини" внедрены в Институте леса и древесины Сибирского отделения РАН (г.Красноярск), где
используется при анализе аэрофотоснимков лесных массивов.
Базовое программное обеспечение "PCLook" дія IEM PC и некоторые разработанные алгоритмы обработки изображениз применяются при анализе биомедицинской информации в клинике Самарского государственного медицинского университета.
Результаты диссертации используются з учебном процессе Самарского государственного азрокоснического университета по специальности "Прикладная Езтзматикз" {спецхзлкззция "Математическое обеспечение систем обработки изобраязниа").
Апробация . Основные результаты диссертации докладывались на 1-а, 2-а и 3-й Всесоюзных конференциях "Автоматизированные системы обработки изображений": АСОИз-81 (Москва, 1981), АС0йз-86 (Львов, 1988), АСОИз-89 №нияград, 1989); на 3-а и 4-а Всесоюзных конференциях "Методы и средства обработки сложной графической информации (Горький (Нижний Новгород), 1988, 1991); на 9-а Всесоюзной конференции по теории кодирования и передаче информации (Одесса, 1988); на 4-а Всесоюзной конференции "Математические методы распознавания образов" (Рига, 1939); на 7-й и 10-м Всесоюзных симпозиумах по проблеме избыточности в информационных системах (Ленинград, 1977, 1989); на 1-й Международной конференции "Information Technologies lor Inage Analysis and Pattern Recognition" (Львов, 1920), на І-з Всесоюзной конференции "Распознавание образоз и анализ изображений: новые информационные технологии" (Минск, 1991) и т.д., на научио-технических семинарах кафедры "Техническая кибернетика" Самарского государственного азрожосмического университета.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений, содержит 78 рисунков, 4 таблицы, список использованных источников из 284 наименований.. Обдна объем работы без оглавления, списка использованных источников, приложений, таблиц и рисунков - 276 страниц машинописного текста.