Введение к работе
Актуальность проблемы.
Современные методы и средства регистрации и обработки многоканальных двумерных сигналов (МДС) находят широкое применение во многих отраслях науки и технологий. Мульти- и гиперспектральные данные, получаемые с помощью методов дистанционного зондирования, широко применяются для решения различных задач в геологии, сельском хозяйстве, в современных наблюдательных системах и в других видах исследования удаленных объектов. Многоспектральные данные исследуются также в биологии, медицине, криминалистике и других сферах деятельности при решении различных прикладных задач.
В МДС содержится большое количество разнородной информации о свойствах исследуемых объектов. При этом возникает задача эффективного извлечения полезной информации об исследуемых объектах и ее достоверной интерпретации.
К настоящему времени разработано множество методов и алгоритмов обработки МДС. Усилия разработчиков были направлены на создание алгоритмов, основанных на сложных методах математического моделирования и искусственного интеллекта, в целях обнаружения, выделения разнотипных объектов и определения их характеристик. При этом ставилась задача автоматизации процесса обработки МДС.
В ряде случаев ввиду значительной структурной изменчивости исследуемых объектов автоматическая обработка информации является весьма сложной неоднозначной задачей, решение которой оказывается более эффективным в интерактивном режиме с привлечением опытного специалиста в заданной прикладной области, использованием опыта и дополнительной информации при дешифрировании визуализированных данных. При этом важная задача состоит в представлении МДС в виде, удобном для восприятия экспертом.
-3'- 0
Наиболее наглядного представления МДС можно достичь за счет интерактивных процедур функционирования автоматической системы, в том числе интеллектуальной, совместно с использованием преимуществ естественного интеллекта. Участие эксперта обеспечивает адекватную интерпретацию информации, важной для данной задачи.
Для ряда актуальных прикладных задач, таких, например, как распознавание очагов пожаров и других стихийных бедствий по аэрокосмическим снимкам, весьма важна оперативность обработки МДС; для этого многоспектральные данные необходимо с высоким быстродействием обработать и отобразить в удобном для восприятия виде.
Настоящая диссертационная работа посвящена созданию методов и алгоритмов преобразования, визуализации и интерпретации данных, представленных в форме МДС, в режимах интерактивной обработки информации.
Цель работы и решаемые задачи. Цель работы состоит в разработке методов и алгоритмов целевой интерактивной обработки МДС, позволяющей обеспечить оперативную визуализацию и корректную интерпретацию данных.
Для достижения поставленной цели в процессе выполнения работы были решены следующие задачи:
создание метода целевой интерактивной обработки МДС по принципу сходства с эталоном, основанного на разработанных автором критериях выбора признакового пространства, определения меры сходства, выбора эталона и методиках интерактивного управления процессом дешифрирования, и позволяющего учитывать априорные сведения, которыми обладает эксперт в предметной области, для решения конкретной задачи;
разработка новой методики представления синтезированного итогового изображения в псевдоцвете с использованием метода преобразования двумерных сигналов (ДС) по принципу сходства с несколькими эталонами, имеющими различные приоритеты;
разработка и исследование метода оценки качества синтезированного итогового изображения с учетом целевого критерия;
разработка методики сокращения объема данных, полученных с помощью многоспектральной аппаратуры, с сохранением информации, необходимой для решения конкретной задачи.
Научная новизна полученных в работе результатов состоит в создании метода представления информации, содержащейся в МДС, для оперативного интерактивного дешифрирования, основанного на преобразовании ДС по принципу сходства с эталоном в пространстве признаков и позволяющего упростить и ускорить процесс дешифрирования МДС, обеспечивая при этом высокую вероятность правильного распознавания. Метод пригоден для обработки гиперспектральных данных, получаемых при значительном числе спектральных каналов.
На основе метода преобразования ДС по принципу сходства с эталоном разработана методика сокращения объема передаваемых по информационным каналам данных, полученных с помощью многоспектральной аппаратуры, основанная на представлении преобразованных данных в псевдоцвете.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Практически значимыми являются разработанные автором методики и алгоритмы, эффект от использования которых состоит в упрощении и ускорении операций по созданию итогового изображения для его интерпретации, и преимуществами которых являются:
адаптация синтезированного изображения к интересующим наблюдателя объектам;
обеспечение более детального отображения на синтезированном изображении объектов, выбранных оператором, и более надежного их выделения.
Разработанные методы и алгоритмы являются основой для реализации более эффективных подходов к решению задач
обработки ДС, несущих разнородную информацию, в различных областях научной и народно-хозяйственной деятельности: в геоинформационных системах, медицине, биологии, материаловедении, криминалистике и др. Результаты работы использованы в:
Северо-Западном филиале АНО «Секция «Инженерные проблемы стабильности и конверсии» Российской Инженерной Академии» при выполнении ряда работ, направленных на создание алгоритмов и программ обработки многоспектральных данных дистанционного зондирования, а именно, метод интерактивного дешифрирования данных многоспектральной съемки и адаптации программы обработки к конкретной задаче наблюдения применен при проектировании программного обеспечения, предназначенного для тематической обработки информации от комплексов авиационной разноспектральной аппаратуры. Эффект от использования результатов заключается в ускорении процесса интерактивного дешифрирования данных многоспектральной съемки при одновременном обеспечении высокой вероятности правильного распознавания;
Северо-Западном центре «ЭкоЛаб» при создании «Методики учета болот на территории Санкт-Петербурга», основанной на данных многоспектральных космоснимков. С использованием этой методики проведена дешифровка мультиспектральных космоснимков территории Санкт-Петербурга, полученных аппаратурой спутника Quickbird. Разработанная соискателем методика целевой интерактивной обработки двумерных сигналов позволяет дополнять исходные данные информацией, полученной при полевых исследованиях, и значительно упростить процесс идентификации имеющихся объектов. Представление данных дистанционного зондирования в псевдоцвете с использованием метода преобразования по принципу сходства с несколькими эталонами, имеющими различные приоритеты, приводит к сокращению объема данных, предназначенных для решения конкретной задачи, в N/3 раза, где N определяет число исходных спектральных каналов.
Использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Метод целевой интерактивной обработки МДС по принципу сходства с эталоном в признаковом пространстве, позволяющий использовать в процессе обработки неформализованную априорную информацию, которой обладает эксперт в предметной области.
-
Методика целевой и нтерактивной обработки МДС и представления синтезированного итогового изображения в псевдоцвете с использованием преобразования ДС по принципу сходства с несколькими эталонами в признаковом пространстве, имеющими различные приоритеты.
-
Методика сокращения объема передаваемых по информационным каналам данных, полученных с помощью разноспектральной аппаратуры, с сохранением необходимой для данной задачи информации, основанная на формировании данных в форме изображения в псевдоцвете, синтезированного по принципу сходства с несколькими эталонами в признаковом пространстве, позволяющая сократить объем передаваемых данных в Л/УЗ раза, где N определяет число спектральных каналов исходного МДС.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах: Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация» (С.-Петербург, 2004 г.), Семинар "Display Optics 2004" (С.-Петербург, 2004), International Symposium "OPTRO 2005" (Paris, France, 2005), XXXVI научная и учебно-методическая конференция профессорско-преподавательского и научного состава (С.-Петербург, 2007 г.), V Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика — 2007» (С.-Петербург, 2007), XXXVII научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО (С.-Петербург, 2008), V Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (С.-Петербург, 2008),
Международный оптический конгресс «ОПТИКА — XXI ВЕК» (С.-Петербург, 2008).
Публикации. По основным результатам диссертационных исследований опубликовано 7 работ, в том числе 5 статей, две из которых в издании, рекомендованном Перечнем ВАК для опубликования результатов кандидатских диссертаций.
Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Лично автором выполнено следующее:
-
Разработан метод обработки МДС, основанный на отображении меры сходства с эталоном и направленный на интерактивное выделение зон интереса на синтезированном изображении, с использованием гистограммы сходства и накопленного опыта эксперта в предметной области.
-
Разработана интерактивная методика целевой обработки МДС и представления итогового изображения в псевдоцвете с использованием преобразования ДС по принципу сходства с несколькими эталонами, имеющими различные приоритеты.
-
Предложен и применен модифицированный критерий видности синтезированных изображений в задачах целевой обработки МДС, учитывающий основные характеристики итогового изображения - уровень адаптации зрительной системы человека, резкость и контраст.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения, списка публикаций по теме диссертации, библиографического списка из 74 наименований. Общий объем работы составляет 121 страница. Диссертация содержит 34 рисунка и 4 таблицы.
