Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы 14
2Л Задача стереореконструкции облачных сцен 14
2Л.1 Общая задача стереореконструкции 14
2.1.2 Область применения методов стереореконструкции 14
2Л.З Специфика методов стереореконструкции облачных сцси 15
2. і .4 Место работы в задачах стереорсконструкции облачных сцен 17
2.2 Технология стереореконструкции 17
2.2.1 Схема стереореконструкции 17
2.2.2 Предварительная обработка 1
2.23 Методы стереоотождествления 19
2.2.4 Построение и оценка точности ЦМР 21
2.3 Корреляционные методы 22
2.3 Л Окно поиска 23
2.3.2 Область поиска 25
2.3.3 Борьба с артефактами 26
2.4 Заключение 28
2.4.1 Цели и задачи исследования 28
2.4.2 Предлагаемый метод стереорсконструкции 28
2.4.3 Объекты и объем исследования 29
2.4.4 Положения, выносимые на защиту 29
ГЛАВА II. Методы исследования 30
З Л Постановка задачи ЗО
3.2 Метод решения»... ЗО
3.2.1 Корреляционный метод ЗІ
3.2.2 Эпиполярная геометрия 32
3.2.3 Окно поиска 34
3.2.4 Область поиска 35
3.2.5 Корректность отождествления 35
3.2.6 Устранение артефактов и интерполяции поверхности 36
3.2.7 Критерии качества реконструкции 36
3.3 Объект исследования 37
3.4 Алгоритм стереорекоггструкции, программная реализация 40
3.4.1 Вычисление коэффициента корреляции 41
3.4.2 Приведение к эпиполярному виду 41
3.4.3 Оценка размера окна поиска 42
3.4.4 Оценка размера области поиска... 44
3-4,5 Порог коэффициента 44
3.4.6 Двухпроходная схема стсреоотождествлення 45
3.4.7 Устранение артефактов реконструкции 46
3.4.8 Оценка ЗО-координат 47
3.4.9 Особенности программной реализации 48
3.5 Заключение 51
4 ГЛАВА III. Результаты исследования , , 52
4.1 Тестовые сцены , 54
4.1.1 Тестовые сцены POV-Ray 54
4.1.2 Тестовые сцены стенда 57
4.2 Модельное кучево-дождевое облачное поле 59
4.2.1 Параметры эксперимента 59
4.2.2 Примеры исходных данных 62
4.2.3 Примеры реконструкции 65
4.2.4 Симметричный и асимметричный варианты стереосъемки 67
4.2.5 Влияние геометрии наблюдения 73
4.2.6 Влияние спектрального диапазона и освещенности 77
4.2.7 Влияние амплитудных искажений 79
4.3 Реальные облачные сцепы 94
4.3.1 ТЦ «Эмилия» 94
4.3.2 ТЦ«Альберто» 95
4.4 Заключение 99
5 Глава IV. Обсуждение результатов 100
5-1.1 Модельные сцены облаков 100
5Л.2 Реальные сцены облачности 104
6 Заключение 105
6Л Основные результаты работы 105
6.2 Выводы 106
6.3 Дальнейшее направление исследований 106
7 Список литературы
- Общая задача стереореконструкции
- Эпиполярная геометрия
- Тестовые сцены POV-Ray
- Реальные сцены облачности
Введение к работе
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, обоснована научная новизна и практическая значимость работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы»
1,1 Актуальность проблемы
Получение надежной и оперативной информации о трехмерной структуре облачного покрова, трехмерных полях скорости п быстроразвипающихся циклонических структурах, в зонах тропических ураганов, штормов, и других атмосферных образованиях (например, вулканических шлейфах) является актуальной и практически сажной задачей, В частности, такие данные позволяют существенно улучшить прогноз крупномасштабных тропических ураганов (тайфунов), которые ежегодно приносят огромные разрушения и человеческие жертвы.
В метеорологии традиционными инструментальными методами решения задач по определению трехмерных полей скорости атмосферного ветра являются контактные (зонды, аэростаты, ракеты, авиационные измерения) методы измерений. В последние годы активно развиваются дистанционные (авиационные и космические) технологии, которые имеют несомненные преимущества по сравнению с контактными методами в части глобальности охвата территорий и оперативности получения и доставки потребителю необходимой информации.
К настоящему времени опубликовано достаточное количество работ, в которых рассматриваются различные аспекты технологии восстановления характеристик атмосферных образований с использованием данных дистанционных, в основном, космических наблюдений. При этом серьезные результаты, которые широко используются в практической метеорологии, получены в области определения общих характеристик поступательного движения облачных полей, оценки их высоты и двумерного поля скоростей.
В то же время проблема, связанная с возможностью количественных оценок трехмерной структуры облачности и восстановления трехмерных скоростных полей с использованием дистанционных средств, изучена в меньшей степени и, по существу, находится в начальной, исследовательской стадии.
Одно из перспективных направлений, которое позволит продвинуть решение подобных задач, связано с использованием технологий космической стереоскопической съемки и последующей ЗО-реконструкцией наблюдаемых сцен. В этой связи большой практический интерес представляют исследования в области применения существующих и создания перспективных космических систем наблюдения. Такие системы должны обеспечить возможность синхронной стереоскопической съемки изменчивых
объектов в атмосфере или на подстилающей поверхности с использованием многоспектральной аппаратуры.
Бортовая аппаратура современных функционирующих спутниковых систем, таких как SPOT или EOS (КА «Terra»), предусматривает возможность наблюдения объектов под разными углами за счет перенаиеливания оси визирования в достаточно близко расположенных точках орбиты спутника, либо использования двух различных камер на борту. Подобная технология обеспечивает возможность получения важной дополнительной информации по некоторым характеристикам объектов, однако, она плохо пригодна для решения указанных выше задач восстановления в реальном масштабе времени трехмерных «картин» быстро протекающих явлений в атмосфере.
Адекватная технология решения таких задач должна базироваться на возможности синхронного наблюдения объекта в течение некоторого времени идентичной аппаратурой, установленной на различных космических аппаратах.
Примером такого подхода является перспективная система синхронного стереоскопического наблюдения [1-3], основанная на концепции орбитальной группировки в составе двух спутников, запускаемых на одну и ту же орбиту и оснащенных идентичной (пассивной) аппаратурой, обеспечивающей высокоточные наблюдения объектов и быстропротекающих процессов в атмосфере в различных каналах видимого и инфракрасного диапазонов спектра.
При создании подобных систем большую роль играют, научно-
методическое обоснование тактико-технических характеристик (ТТХ)
аппаратуры наблюдения (пространственное, спектральное и
радиометрическое разрешение и др.), а также разработка адекватных
алгоритмов процедуры стереореконструкции. Оба требования должны
обеспечить надежное решение максимального числа научных задач, для
которых использование стереоскопической съемки является
принципиальным. На этапе планирования летных экспериментов важную роль приобретает задача обеспечения максимальной информативности и достоверности стереонаблюдений при решении конкретных задач.
Выбор характеристик аппаратуры и благоприятных условий стереосъемки целесообразно проводить на основе исследования влияния различных факторов и процессов на эффективность используемой технологии стереореконструкции трехмерных характеристик облачных сцен и других образований. Под эффективностью (качеством) реконструкции далее будем понимать точность и полноту стереореконструкции наблюдаемой сцены.
Важной спецификой облачных структур является сложный характер границы облачной поверхности, слабая контрастность участков внутри структуры, наряду с большими перепадами по яркости на ее границах,
наличие затенений, разрывный характер поверхности и др. Поэтому для решения задачи JD-реконструкции таких структур необходимо разрабатывать специализированные аппаратно-программные средства, учитывающие эти особенности. Ситуация в значительной степени осложняется отсутствием реперных и контрольных точек, в связи с чем при разработке технологий стереореконструкции облачности целесообразно использовать модельные облачные сцены, снабженные эталонной цифровой картой высот. Такой подход обеспечивает возможность непрерывного контроля работы всех алгоритмов л верификацию результатов на разных этапах моделирования и, в конечном счете, позволяет оценить эффективность алгоритма стереореконструкции в целом. На следующем этапе разработанный инструментарий и методические рекомендации могут использоваться при съемке и обработке реальных облачных сцен с учетом специфики конкретной облачности.
Диссертация посвящена исследованию задачи реконструкции трехмерных характеристик облачных структур по данным синхронных стереоскопических наблюдений. Разработанная математическая модель использована для обоснования возможности решения этой задачи и анализа результатов модельно-теоретического исследования в рамках работ по созданию экспериментальной космической системы синхронного стереоскопического наблюдения [1-3],
Общий подход в разработанной модели потенциально позволяет использовать его в качестве инструментария для обработки данных, получаемых также комбинированными стереопарами в составе спутник и авианоситель или двух авианосителей.
На основании изложенного, тема диссертационной работы является актуальной.
1.2 Цель работы
Цель диссертационной работы состоит в следующем:
Обоснование и разработка математической модели 3D-pe конструкції и облачных структур, ее реализация в виде алгоритмов и комплекса программ при разработке перспективной космической системы стереонаблюдения [1-3].
Исследование влияния факторов, определяющих процесс стереосъемки облачных структур, на точность и полноту реконструкции, и выработка научно-обоснованных рекомендаций по оптимизации условий стереосъемки и характеристик аппаратуры наблюдения.
1.3 Основные задачи исследования
В ходе диссертационной работы решались следующие задачи:
1. Разработка математической модели ^^-реконструкции облачных
структур, удовлетворяющих требования перспективной системы
стерео мониторинга [1-3]. Создание эффективных алгоритмов и ПО
стереореконструкции на построенной модели.
Тестирование алгоритма и ПО на тестовых сценах, модельных и реальных облачных сценах. Исследование влияние параметров алгоритма и его функциональных блоков на качество реконструкции.
Исследование влияния определяющих факторов стереосъемки на эффективность (точность и полноту) реконструкции. Рассматривались следующие факторы:
a. геометрия наблюдения (величина стерсобазы, углы визирования
сцены),
b. характеристики аппаратуры (спектральные диапазоны, шум
приемников излучения, пространственное н радиометрическое
разрешение),
c. характеристики сцены (освещенность сцены, амплитудные
искажения яркости, типы облачных сцен).
4. Выработка научно-обоснованных рекомендаций по оптимизации
условий стереонаблюдения и характеристик регистрирующей аппаратуры.
1.4 Научная новизна работы
Новыми являются установленные зависимости точности и полноты стереоре конструкцій! облачных сцен от определяющих параметров задачи (величины стереобазы, диапазона углов визирования сцены, спектральных диапазонов аппаратуры и ее характеристик, условий освещенности, амплитудных искажений яркости и пр.),
Разработана физико-математическая модель стереореконструкции облачных структур, реализованная в виде комплекса программ, применительно к технологии космической стереоскопической съемки
быстропротекающих явлений в атмосфере, планируемой к реализации на базе орбитальной группировки в составе двух спутников, запускаемых на одну и туже орбиту [1-3].
1,5 Практическая ценность
Работа їїад диссертацией проводилась в рамках технических задании комплексных модельных и натурных исследований, связанных с проектированием перспективной космической системы стереонаблюдений [1-3]:
получены научно-обоснованные рекомендации по выбору характеристик аппаратуры наблюдения, условий стереосъемки и технологии обработки изображений, обеспечивающих максимальную информативность летных экспериментов;
результаты диссертации вошли как составная часть в материалы научно-технических отчетов по следующим контрактам (между SDL/USU (Space Dynamic Laboratory / Utah State University) и OOO «Астроинформ СПЕ»):
о С932460 (от 28.04.2004) «Исследование спектральной зависимости (в видимом и средневолновом ИК- диапазонах) восстановленной высоты верхней границы облаков по синтезированным стереопарам их изображений, включающих реалистичные аппаратурные эффекты»;
о С927601 (от 01.06.2002) «Математическое моделирование стереосъемки и ЗО-реконструкции облачных сцен в интересах дистанционного космического мониторинга»;
о С925462 (от 01.08,2001) «Экспериментальное и математическое моделирование типовых облачных сцен для стереосъемки в интересах экологического мониторинга природных явлений»; о С921855 (февраль-июнь 2000) «Оптимизация алгоритмов ЗО-реконструкции реальных сцен с учетом специфики аппаратуры и синхронного наблюдения»; что подтверждается актом о внедрении результатов работы;
результаты диссертации использованы в научно-технических отчетах
ФГУП «ЦНИИ «Комета» по контракту С908256:
о «Планирование экспериментов по наблюдению тропических циклонов» (март, 2003),
о «Анализ реализуемости основных типов экспериментов» (ноябрь, 2003),
о «Проект модели для экспериментов с тропическими циклонами» (июнь, 2004),
что подтверждается актом о внедрении результатов работы;
результаты диссертационной работы рассмотрены и одобрены на научно-техническом совете ФГУП «ЦНИИ «Комета» (НТС, секция 12, 2004 г.).
1.6 Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных в диссертации результатов обеспечивается:
обоснованием и выбором моделей различных типов облачных структур, которые широко используются при решении различных прикладных задач [4, 5];
использованием при работе с модельными сценами эталонной карты верхней границы облачности, что позволило проводить непосредственную верификацию алгоритмов и результатов стереореконструкции облачных структур;
тестированием разработанного программного обеспечения, в результате которого было получено удовлетворительное совпадение результатов иосстаповленшз ЗЛ-характеристик различных эталонных и природных объектов, с характеристиками, заложенными в моделях объектов,
1.7 Апробации работы
Основные результаты работы докладывались на:
XLIV научной конференции МФТИ (ноябрь 2001),
XLV научной конференции МФТИ (ноябре 2002),
XLV1I научной конференции МФТИ (ноябре 2004),
научно-техническом семинаре молодых специалистов ЦНИИ «Комета» (май, 2003),
научно-техническом семинаре молодых специалистов ЦНИИ «Комета» (апрель, 2004)
По теме диссертации опубликовано 6 работ [6-11], из них 4 написано в соавторстве.
1.8 Публикации
1. Козуліш Ю.А., Белкин М.С. Оценка влияния отдельных параметров
съемки на точность стереореконструкции на основе модельного
облачного поля // Современные проблемы фундаментальных и
прикладных паук. Тез. докл. XLIV науч. конф. МФТИ (ноябрь 2001).-
М.-Долгопрудный, 2001. - Ч. III. -С. 68.
2, Козулгт Ю.А., Иванова Ю.А. Анализ зависимости качества
стсреореконструкции модельной облачной сцены от геометрии съемки //
Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук. Тр. XLV
науч. конф. МФТИ (ГУ) (ноябрь 2002). - М.-Долгопрудный, 2002. - Ч. III.
-С. 29,
Козулин Ю.А., Белкин М.С. Анализ качества стереореконструкции модельной облачной сцены // Электр, жури. «Исследовано в России». -2002.-№138.-С. 1556-1567. 38.pdf
Козулин ЮЛ. Исследование влияния условий стереосъемки на результаты ^-реконструкции на примере модельного кучево-дождевого облачного поля//Исслед. Земли из космоса. -2004.-№4.- С. 10-16.
Козулин Ю.А. Влияние условий стереосъемки на результаты 3D-реконструкции на примере модельных облачных сцен // Вопр. радиоэл. -2005.-Вып. 1-С, 68-72,
Козулин Ю.А., Шульц СБ. Анализ влияния амплитудных искажений на результаты ЗО-реконструкции облачных структур по данным космической стереосъемки // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук. Тр. XLVII науч. конф. МФТИ (ГУ) (ноябрь 2004). -М.-Долгопрудпый, 2004.-Ч. ПІ.-С. 160-162.
Общая задача стереореконструкции
Общая задача стереорекоиструкции (З/Э-реконструкции) — это задача восстановления трехмерного рельефа сцены (объекта) по совокупности двух или более разноракурсиых изображений. Пара таких изображений называется стереопарой. Стереореконструкция включает в себя цепочку от получения стереопар до формирования конечного продукта - цифровых моделей рельефа (ЦМР), Проведение реконструкции сцены требует решения целого ряда задач. Ключевой среди них является задача стерсоотождсствления (поиска соответствующих (сопряженных) элементов).
В основе любой системы стсреорсконструкции лежит некоторый метод установления соответствия между элементами (точками, фрагментами) двух изображений стереопары, отвечающим одним и тем же элементам сцены. Каждый элемент сцены, видимый с двух (или более) ракурсов наблюдения, попадает в поле зрения обоих наблюдателей (т.е. попадает на оба изображения стереопары). Данную пару точек называют сопряженной парой. В результате поиска соответствующих (сопряженных) элементов мы получаем так называемое поле днепаратности - смещений точек па изображениях, связанных с рельефом сцены. Поле днепаратности с учетом геометрии стереосъемки используется для восстановления трехмерного рельефа сцены. Под геометрией наблюдения понимают расположение и ориентацию камер, используемых для получения стереопары.
Область применения методов стереорекоиструкции
В метеорологии традиционными методами исследования характеристик атмосферы являются контактные методы. В последние десятилетия активно развиваются и используются дистанционные технологии, преимущества которых по сравнению с контактными методами заключается в глобальности охвата территорий и оперативности получения и доставки информации. Опубликовано большое количество работ, посвященных исследованию и реконструкции характеристик атмосферных образований с помощью дистанционного (в основном космического) зондирования [14-24]. Однако, серьезные результаты, которые широко используются в метеорологии на практике, получены в области определения общих характеристик поступательного движения облачных полей, оценки их высоты и двумерного поля скоростей. В то же время проблема, связанная с возможностью количественных оценок трехмерной структуры облачности и восстановления трехмерных скоростных полей с использованием дистанционных средств, изучена в меньшей степени и, по существу, находится в начальной, исследовательской стадии. Перспективным направлением решения данной проблемы является технология космической стереосъемки и последующей стер соре конструкцией ( -реконструкцией) наблюдаемых сцен.
В современном мире методы стереореконструкции нашли широкое применение [23-29,31-47,57-59], 3 -реконструкция на основе стереопар используется в системах машинного зрения (зрения роботов) [26-29]. Классической областью применения стсрсорсконструкции в задачах дистанционного зондирования Земли является топография земной поверхности [24, 31, 35, 36, 42-47]. Кроме систем машинного зрения и топографии стсреореконструкция применяется в таких областях как медицина, безопасность, археология, игры (моделирование реальных объектов) [57-59].
В традиционных задачах стереореконструкции, имеющих дело с восстановлением статичного рельефа местности (построение топографических карт, цифровых моделей рельефа), облачность является помехой. Однако существует ряд задач в интересах климатологии, экологии и контроля чрезвычайных ситуаций (ЧС), где объектами исследования являются облачные структуры (тропические циклоны (ТЦ), облачные фронты, шлейфы вулканических извержений, пожаров и т.д.), а целью -получение трехмерных характеристик этих структур (пространственных, скоростных и т.д.). Есть целый ряд работ, посвященных стереореконструкции облачных структур при космической стереосъемке [2, 23, 31-34, 36-41, 47]. Использование технологии стереореконструкции для восстановления трехмерных характеристик облачности является перспективным направлением в решении данного круга задач. Диссертационная работа посвящена ЗО-реконструкции облачных сцен по данным космической стереосъемки.
Эпиполярная геометрия
Приведение к эпиполярной стереопаре (принцип этой процедуры схематично приведен на Рис. 6) используется для снижения вычислительной нагрузки (увеличения быстродействия) и упрощения процедуры поиска соответствующих элементов. После предварительной обработки изображений исходная пара изображений приводятся к эгшполярной стереопаре, т.е. пересчитываготся в единую прямоугольную систему координат (эпиполярную систему координат). При этом все изображения могут приводиться к единому разрешению. Приведение осуществляется таким образом, чтобы эпиполярные линии были параллельны строкам преобразованных изображений. Поиск сопряженных точек при этом производится вдоль соответствующих эпиполярных линий и смежных с ними.
В геометрии съемки процесс взаимного положения и ориентации камер относят к задаче относительной ориентации, которая позволяет получить преобразование, связывающее два различных положения фиксированной относительно камеры системы координат сцены в различные моменты съемки. Иногда же возникает необходимость связать пространственные координаты, полученные при помощи стереопары, с координатами, измеренными в другой системе. Эту проблему относят к задаче абсолютной ориентации. Приведенный Рис. 7 иллюстрирует некоторые особенности относительной ориентации в задачах реконструкции и понятие об эпиполярных линиях.
Если нам известна относительная ориентация камер, то мы можем вычислить положение точки по ее известным координатам на левом и правом изображениях. На рисунке, приведенном ниже, точка Р является элементом исследуемой сцены, PL И PR - ее отображениями на левом и правом изображениях (изображения схематично показаны на рисунке в виде прямоугольников), SL и SR - центры линз левой и правой камер. (Прямая линия, соединяющая центры объективов, называется стереобазой). Положение правой камеры отображается в точку S. на левом изображении, а так называемая точка схода для луча от правой камеры к элементу поверхности лежит в точке CL . Точки SLS PL И С/ лежат на одной прямой, которая образуется пересечением плоскости изображения с плоскостью, содержащей точки Р, SL SR- Аналогичная прямая получается и для правого изображения. Обе эти линии называют эпиполярными линиями. Объект, изображенный на эпиполярной линии на левом снимке, на правом должен изображаться также на эшшолярной линии, если он вообще присутствует на правом снимке. В процессе стереореконструкции для эффективного восстановления применяют преобразования, приводящие стереопару к эпиполярнон. Данное преобразование модифицирует изображения стереопар таким образом, что для некоторой системы координат эпиполярные линии становятся параллельны одной из ее осей и смещение (диспаратность) проявляется только вдоль этой оси. Определение местоположения эпиполярных линий на изображениях стереопары дает нам возможность более эффективно отождествлять соответствующие элементы сцепы па стереопаре.
Таким образом, в результате приведения обрабатываемых изображений к эшшолярной стереопаре эпиполярные линии трансформированных изображений параллельны строкам преобразованных изображений и диспаратность проявляется только вдоль строк, что позволяет значительно сузить зону поиска соответствующих элементов и таким образом резко сократить время поиска сопряженных точек.
Тестовые сцены POV-Ray
В работе рассматриваются варианты стереосъемки сцен для следующей геометрии наблюдения: 1 тип орбиты; круговая; ? высота орбиты: 500-700 км (основной вариант - 500 км); ? етереоугол а: СМ)Ай (основной диапазон - 0 30й): " боковой угол 0: 0-И5.
Основігые характеристики аппаратуры- которые рассматривались при ішаличе: спіжтральпьш д ашнон, пространственное и радиометрическое разрешение приемников излучения, амплитудные искажения яркости изображений и количество уровней квантования сигнала.
Спектральные дш шпоны аппаратуры сошветегпуют заданным и проекте jI-З] п охватывают видимым и короткого лновый и ер дноиолновЕ-ли инфракрасные диапазоны, от 0.3 S до 7.2 мкм (пять спектральных диапазонов). Приемник излучения - прямоугольная (квадратная) ПЗС-матрица. Рассматриваются следующие основные варианты матрицы: 1024x1024, 512x512, 256x256 элем. Количество уровней квантовании сигнала: от 4 до 16 бит. Рассматриваются амплитудные искажения яркости изображений: аддитивный пространственно некоррелированный шум и неоднородность коэффициента усиления и темпового тока приемной матрицы. Размер ноля зрения камеры: от 1x1 до 3.5 3.5 (основной вариант: 2 х 2).
Рассматривались три варианта освещенности сцены (положения Солнца) для средних широт: утреннее, полуденное и вечернее. Далее рассматриваются результаты исследования. Тестовые сцепы
В работе было проведено тестирование разработанного программного обеспечения на тестовых сценах, в результате которого установлено удовлетворительное совпадение результатов восстановления 3D-характеристик различных эталонных объектов (с текстурой), с характеристиками, заложенными в моделях объектов. В качестве тестовых сцен использовались стереопары, полученные с помощью программы POV-Ray [109] и на специальном оптико-механическом стенде. Рассмотрим на примерах результаты реконструкции и их визуализацию этих тестовых сцен.
Тестовые сцены POV-Ray В данном параграфе приведены примеры некоторых реконструированных тестовых сцен, полученных с помощью программы POV-Ray. Рассмотрим сцены: «Прямоугольник» и «Конус». Сцена «Прямоугольник»
Одна из основных сцеп для отработки и тестирования алгоритма 3D-реконструкции -тестовая сцена «Прямоугольник». Сценарий сцены написан на языке POV-Ray. Изображения сцены для различной геометрии наблюдения (стереоугол 10-5-40, боковой угол 0-г20) получены с помощью программы POV-Ray v3.5, а эталонная цифровая карта сгенерирована с помощью программы, написанной на языке IDL v5.4 Далее была проведена реконструкция данной сцены с помощью разработанного и реализованного на языке IDL алгоритма стереоре конструкции. Было получено удовлетворительное качество реконструкции сцены: точность реконструкции а-200-300м, полпота реконструкции Р-60-70%. Рассмотрим для примера результаты реконструкции для одного из вариантов геометрии наблюдения.
Сцена состоит из 3-х прямоугольных областей, расположенных на разных высотах. Область №1 размера 7.5x7.5 км расположена на высоте 8 км, область №2 размера 16 х 16 км расположена на высоте 7 км, область №3 размера 50 к 50 км расположен на высоте 6.5 км. При этом на все 3 объекта ,Есоте 7 кч. Размер поли зрении камер наблюдателен: 2 к 2 спепы шшшшш «облачная» текстура SM- mkles с одипа&ошлмм \пр;жтері ЕС гиками. В модели предполагается, ч m съемка сцены црошшдшея камерами й&ух наблюдателей, расположенных на одіюй и той же ьру:ошй upon гс высотой 500 км. Хараклерисшк аппаратуры наблюдения идеи шчны, ошийки шшедения отсутствуют, ош очески оси камер иересскяюгея в нешре сцены на Рітшер приемной матрицы: 512 х 512 пике.
В данном примере геометрия наблюдения сцены следующая: етереоугаї а- 20; боковой угол 0 0 \ На Рис. 23 приведена стереопара УГОН сцены для данной геоме фим и олк дення: слева расположен базовый (первый, левый) снимок стероопарьь а справа - тестовый (второй, правый) ешмою
Реальные сцены облачности
Показано, что наилучший вариант стереосъемки - в плоскости орбиты, симметричный по расположению наблюдателей, относительно центра сцепы. Выявлен благоприятный диапазон углов визирования облачной сцены (стереоугла и бокового угла) по точности и полноте реконструкции сцены: стереоугол 20-30, боковой угол не более 30,
2. Выявлено, что видимый и коротковолновый ИК-диапазоны более устойчивы к амплитудным искажениям яркости изображений по сравнению со средневолновыми ИК-диапазонами с точки зрения точности и полноты 3 -реконструкции.
3. Установлен ряд количественных зависимостей эффективности стереореконструкции от амплитудных искажений яркости, таких как:
3.1. в условиях аддитивного амплитудного шума более 5% от дисперсии яркости изображений или при неоднородности коэффициента усиления более 0,5%, пропадают преимущества средневолнового ИК по точности по сравнению с видимым каналом;
3.2. при величине аддитивного шума более 15% (от дисперсии яркости изображения) и неоднородности коэффициента усиления более 1,5% полнота и точность реконструкции для изображений среднего ИК диапазона падают более чем в два раза; при аддитивном шуме более 15% целесообразно использовать спектральные каналы: видимый и коротковолновый ИК,
4. Установлено, что в случае малости амплитудных искажений использование спектральных каналов в ИК-диапазоне для задач стереореконструкции облачных структур обеспечивают более высокую точность и полноту реконструкции по сравнению с каналами видимого диапазона, что связано с искажающим влиянием солнечного освещения в видимом диапазоне, а также более высокой корреляцией изображений стереопар в средневолновом ИК-канале по сравнению с видимым диапазоном,
5. Показано, что влияние положения источника освещения существенно в видимом спектральном диапазоне. При использовании данных видимого диапазона для стереореконструкции наилучшие результаты достигаются в случае, когда Солнце находится в задней полусфере относительно каждого из двух наблюдателей, а исследуемое облачное поле - в передней полусфере.
1. Разработан и реализован алгоритм JD-реконструкции, основанный на корреляционном методе стереоотождествления, обеспечивающий эффективное решение задачи стереореконструкции облачных сцен:
1.1. алгоритм протестирован и отработан на тестовых сценах и модельных облачных сценах,
1.2. проведена успешная реконструкция реальных циклонических образований, стереопары которых получены функционирующими спутниковыми системами.
2. В результате вычислительных экспериментов получены новые зависимости эффективности стереореконструкции от существенных факторов стереонаблюдения: геометрии наблюдения, спектральных диапазонов аппаратуры и се характеристик, освещенности сцены, амплитудных искажений изображений и др.
3. На основе анализа полученных результатов и зависимостей предложены научно-методические рекомендации по выбору параметров космической стереосъемки, характеристик аппаратуры наблюдение технологии обработки изображений.
Дальнейшее направление исследований
В настоящий момент предполагается следующее направление дальнейпшх исследований в области стереореконструкции облачных структур: усовершенствование алгоритма за счет использования адаптивного окна/ поиска.
1. Т. Humpherys, К Privahky, V. Sinehhchikov, V. Abramov, К Misnik, А.Т Stair, I. Schiller. Defense and Environmental Objectives for the Russian American Observational Satellites (RAMOS) Program II 18th Annual AIAA/USU Conf. on Small Satellites. - 2004,
2. Стзіір A.T., Карпептєр Даю , Хамфрш Т., Захаренков В.Ф., Мисник В.П., Сииелыциков В.В., Хатулёв В.А. Российско-американские спутники наблюдения (RAMOS) для исследования околоземного и космического пространства с использованием стереоскопических методов наблюдения // Вопр. радиоэл. - 2003. - Вып. 1.-е. 12-27.
3. Humpherys Т., Sinehhchikov V.V., Stair А.Т., Kondranin TV. and etc. Russian American Observational Satellite (RAMOS) Program; Joint Preliminary Design Review: Space & Ground Segment. - USU/SDL, Logan, Utah, USA. June 2003.
4. DeVore J.G., Thompson J.H., Sartor K.W., Stephens TL., Thornhurg R.J.. CloudScape VR: Radiometric Visualization of Clouds for Interactive Training and Simulation II Proc. of the Cloud Impacts on DoD Operations and Systems Conference. - PLR-97-2112, Phillips Laboratory, Hanscom AFB, MA, 1997. www.visidyne.com
5. Thornhurg R.J., DeVore J.G., Thompson J.H.r Jorano R.J., Stephens T.L. Validation of CloudScape AF II Proc. of the Cloud Impacts on DoD Operations and Systems Conference. - PLR-97-2112, Phillips Laboratory, Hanscom AFB, MA, 1997, wwvv.visidyncxom
6. Козулин Ю.А,, Белкин М.С, Оценка влияния отдельных параметров съемки на точность стереореконструкции на основе модельного облачного поля // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук. Тез. докл. XLIV науч. конф. МФТИ (ноябрь 2001). - М.-Долгопрудный, 2001. -Ч. III. - С. 68.
7. Козулин Ю.А., Иванова ЮЛ. Анализ зависимости качества стереореконструкции модельной облачной сцены от геометрии съемки // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук. Тр. XLV науч. конф. МФТИ (ГУ) (ноябрь 2002). - М.-Долгопрудпый, 2002. - Ч. Ш. - С, 29.
8. Козулин ЮЛ., Белкин М.С. Анализ качества стереореконструкции модельной облачной сцены // Электр, жури, «Исследовано в России». -2002.-№ 138.-С. 1556-1567. http://zhuniaLape-rc[arn.Ri/articles/2002/l 38.pdf
9. Козулин Ю.А, Исследование влияния условий стереосъемки на результаты 3 -реконструкции на примере модельного кучево-дождевого облачного поля//Исслед. Земли из космоса. -2004. -№ 4. -С. 10-16.
