Введение к работе
Актуальность. Одной из основных характеристик оптико-электронных тепловизионных систем наблюдения (ТПВ СН), определяющих эффективность решения целевых задач оператором, является качество сформированного изображения. При этом качество изображения в значительной мере связно с его разрешением, а также точностью отображения границ (краев) объектов интереса. В последние годы применение «смотрящих» фокально - плоскостных двумерных многоэлементных матриц фотоприемников позволило существенно увеличить качество изображений ТВП СН. Несмотря на это, разрешение таких приемников значительно ниже аналогичных по классу телевизионных приемников. В большей степени это обусловлено современными технологиями производства. Кроме этого, на тепловизионные приемники высокого разрешения накладываются жесткие таможенные ограничения, а приемники с разрешением выше 1280x768 серийно не выпускаются.
Увеличение разрешения тепловизионных систем наблюдения
возможно осуществлять аппаратными, программными и аппаратно-программными методами. Развитие современной микроэлектроники позволяет успешно применять программные методы увеличения разрешения. Среди программных методов можно выделить методы, использующие один кадр, и методы, использующие последовательность кадров. В литературе методы, использующие последовательность кадров часто называются методами суперразрешения. Методы суперразрешения используют серию кадров низкого разрешения для получения кадра (кадров) высокого разрешения. Увеличенное таким методом изображение содержит в себе больше деталей, и обладает большей информативностью, чем каждый кадр по отдельности. В то же время, при увеличении разрешения тепловизионных изображений возможно усиление краевого эффекта - размывания границ наблюдаемых объектов, в частности искусственных (зданий, сооружений). Для уменьшения влияния краевого эффекта предлагается обрабатывать эти границы специальным фильтром. При этом обрабатываемые области предварительно локализуются с помощью анализа наблюдаемой ситуации, реализуемого вычислителем системы наблюдения.
Цифровой обработке изображений в отечественной и зарубежной литературе посвящено большое число работ. Тем не менее, в настоящее время в тепловизионных системах наблюдения для улучшения качества не применяются методы увеличения разрешения, основанные на методах суперразрешения и анализе наблюдаемой ситуации. Восстановление этих границ на основе традиционного использования, например, высокочастотных фильтров, не всегда позволяет получать желаемые результаты, либо вообще может привести к искажению формы полученных линий по отношению к истинным (идеальным) границам изображений объектов. В связи с этим исследование и разработка методов улучшения качества тепловизионных
изображений на основе суперразрешения и анализа ситуаций является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является улучшение качества предъявляемых оператору тепловизионных изображений за счет повышения разрешения методами суперразрешения и точности отображения краев искусственных объектов на основе использования методов анализа ситуаций.
Для достижения сформулированной цели необходимо решить следующие основные задачи:
исследовать влияние разрешения приемника ТПВ на вероятности обнаружения/распознавания целей в зависимости от их дальности;
провести анализ известных алгоритмов увеличения разрешения изображений и выделить наиболее эффективные из них;
реализовать методы быстрого суперразрешения и определить особенности применения методов суперразрешения к тепловизионным изображениям;
разработать метод компенсации краевых эффектов на тепловизионных изображениях высокого разрешения на основе анализа ситуации;
разработать комплексный алгоритм улучшения качества тепловизионных изображений;
провести исследование разработанного комплексного алгоритма и предложить критерий оценки качества восстановленного изображения;
провести исследования, подтверждающие работоспособность и эффективность предлагаемых решений;
Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, цифровой обработки сигналов, теории вероятностей, математической статистики, компьютерного зрения. Моделирование проводилось в среде Microsoft Visual Studio, Matlab, Borland Delphi. Для реализации алгоритмов использовались языки С и C++ в среде программирования Texas Instruments Code Composer Studio для DSP-процессоров серии TMS320C64xx.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Определены особенности применения методов суперразрешения при обработке тепловизионных изображений. Показана зависимость эффективности методов суперразрешения от числа используемых кадров в серии и величины фактора заполнения матрицы приемника.
-
Предложен критерий оценки качества изображения, основанный на использовании среднеквадратического отклонения производной яркости.
-
Разработан метод обнаружения краев сегментируемых областей на тепловизионном изображении искусственных сооружений, основанный на анализе ситуаций, в том числе с использованием цифровых карт местности.
-
Разработана методика улучшения качества тепловизионных изображений, содержащих искусственные сооружения.
-
Предложен и реализован комплексный алгоритм улучшения качества тепловизионных изображений.
Практическая ценность работы заключается в том, что
разработанный и реализованный алгоритм позволяет программными средствами существенно (до 4-х раз) увеличивать разрешение и до 10 раз уменьшать СКО координаты максимума производной яркости вдоль границы искусственных сооружений. Это повышает эффективность работы оператора-наблюдателя системы наблюдения в задачах обнаружения, распознавания, слежения и т.п. Также возможно использование результатов работы при модернизации серийно выпускаемых тепловизионных систем наблюдения, в том числе, в многоканальных системах с комплексированием изображений.
Достоверность результатов полученных в работе, подтвердилась результатами математического моделирования, а также в процессе проводимых исследований и испытаний в ЗАО «ТПК «Линкос» в рамках НИР «Интриган», ОКР: «Интриган-Д2», «Тайфун-М-ОЭС», что подтверждается соответствующими актами о внедрении результатов диссертационной работы.
Апробация работы. Основные положения докладывались на 18-ом международном научно-техническом семинаре «Алушта-2009», на VIII всероссийской юбилейной научно-технической конференции «Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов», 9-ой Международной конференции «Авиация и космонавтика-2010», научно-технической конференции «Техническое зрение в системах управления - 2011».
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 4 работы, в том числе 2 научно-технических статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 111 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 7 таблиц и 63 наименования литературных источников.
Во введении дано краткое обоснование актуальности работы, сформулированы цель работы, задачи исследования, практическая ценность, приведены основные положения, выносимые на защиту. В первой главе исследуется влияние разрешения приемника на характеристики системы наблюдения в задачах обнаружения и распознавания характерных объектов, проводится обзор алгоритмов увеличения разрешения изображений, и рассматриваются особенности увеличения разрешения тепловизионных изображений. Вторая глава диссертации посвящена методам быстрого суперразрешения, разработке метода оценивания межкадровых движений, экспериментальному определению зависимости качества методов суперразрешения от количества кадров в серии и фактора заполнения матрицы приемника. В третьей главе предлагается метод компенсации краевых эффектов, основанный на поиске границ изображений искусственных зданий и сооружений с помощью анализа ситуаций. Четвертая глава работы содержит результаты экспериментальных исследований комплексного алгоритма улучшения качества тепловизионных изображений.
