Развитие методов контрастной коррекции цифровых телевизионных изображений, искаженных влиянием метеофакторов Начаров Денис Владимирович

Введение к работе

Актуальность работы

Сложные метеоусловия, такие как туман и дымка, оказывают существенное влияние на результаты визуального наблюдения удаленных объектов, снижая дальность их видимости и ухудшая их различимость. В связи с ростом угрозы возникновения чрезвычайных происшествий, связанных с ухудшением видимости, во многих областях промышленности и транспорта вынуждены прибегать к повышенным мерам безопасности, таким как, уменьшение интенсивности или приостановка производства, привлечение дополнительного персонала и технических средств, зачастую снижающим производительность и эффективность рассмотренных областей деятельности. Таким образом, решение задачи улучшения видимости объектов в сложных метеоусловиях является актуальным и имеет большое практическое значение.

Среди существующих подходов к решению задачи улучшения различимости объектов на изображениях, полученных в сложных метеоусловиях, наибольший практический интерес представляют методы, предполагающие улучшение различимости объектов средствами обработки телевизионных (ТВ) изображений. Перспективность применения этих методов обусловлена ростом доступности универсальных средств цифровой обработки сигналов и изображений, а также возможностью реализации на основе этих методов относительно недорогих специализированных ТВ систем.

Актуальность задачи улучшения различимости объектов в сложных метеоусловиях подтверждается рядом исследований, проведенных в последние десятилетия, среди которых можно упомянуть работы Окли и Сазерли (J. P. Oakley, B. L. Satherley), предложивших способ коррекции контраста аэрофотоснимков, предполагающий построение аппроксимации карты глубины сцены на основе лучевых представлений и численной оптимизации, а также метод коррекции так называемого «простого» ухудшения контраста; Нарасимхана (S. G. Narasimhan), разработавшего ряд методик оценки неизвестных параметров искажений по двум изображениям, полученным в различных метеоусловиях; Шехнера (Y. Y. Schechner), предложившего применение поляризационных фильтров для оценки параметров искажений; Отьера и Тареля (N. Hautire, J.-P. Tarel), разрабатывающих алгоритмы улучшения изображений, предназначенные для применения в современных системах содействия водителю (Advanced Driver Assistance Systems) автомобильного транспорта; Хе, Сана и Танга (K. He, J. Sun, X. Tang), предложивших подход к построению карты глубины сцены, предполагающий построение так называемого «темного» канала (Dark Channel Prior — DCP); авторского коллектива А. А. Потапова, Ю. В. Гуляева, С. А. Никитова, А. А. Пахомова, В. А. Германа, предложивших применение методов спектральной и фрактальной фильтрации при обработке малоконтрастных изображений; а также ряд других исследований.

Большая часть методов решения задачи улучшения различимости объектов на изображениях, полученных в сложных метеоусловиях, предполагает рассмотрение фи-

зических процессов распространения света в атмосфере и разработку математических моделей, применяемых при построении приближенных оценок яркостей изображения в отсутствии ухудшающих различимость факторов. Реализация таких методов ограничивается вычислительной сложностью моделирования состояния атмосферы, а также требует наличия ряда априорных данных об условиях регистрации изображений.

Недостаточное внимание исследователей уделяется методам, предполагающим улучшение различимости объектов на изображениях средствами контрастной коррекции с учетом характеристик зрительной системы человека. Методы контрастной коррекции не требуют априорных данных об условиях регистрации изображений и в ряде случаев обладают большей эффективностью по улучшению различимости объектов. Именно развитию методов контрастной коррекции изображений, полученных в сложных метеоусловиях, и посвящена диссертационная работа.

Объектом исследования являются контрастная коррекция цифровых телевизионных изображений, искаженных влиянием метеофакторов.

Предметом исследования являются цифровые телевизионные изображения, полученные в сложных метеоусловиях.

Целью диссертационной работы является развитие методов контрастной коррекции цифровых телевизионных изображений, искаженных воздействием метеофакторов.

Основными задачами, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, являются:

1. Обзор и анализ существующих методов обработки цифровых телевизионных изображений, полученных в сложных метеоусловиях;

2. Развитие методов коррекции цифровых телевизионных изображений, полученных в сложных метеоусловиях;

3. Анализ эффективности разработанных методов контрастной коррекции цифровых телевизионных изображений, полученных в сложных метеоусловиях;

4. Разработка методики оценки дальности видимости по цифровому телевизионному изображению.

В работе получены следующие новые научные результаты:

5. Получил дальнейшее развитие метод адаптивной гистограммной эквализации. Предложена реализация метода, применяемая для коррекции цифровых ТВ изображений, полученных в сложных метеоусловиях, отличающаяся разделением обрабатываемого изображения на подизображения и последующей адаптивной гистограммной эква-лизацией подизображений с окрестностями произвольного размера.

6. Получил дальнейшее развитие метод преобразования динамического диапазона изображений, полученных в сложных метеоусловиях, предполагающий раздельную обработку изображений ряда сцен с различной удаленностью от регистрирующего устройства и последующее их объединение за счет суммирования с весовыми коэффициентами.

3. Впервые предложена методика оценки локального контраста изображений, позволяющая определять количественные параметры области изображения, объекты в которой неразличимы.

4. Разработана методика оценки дальности видимости по цифровому телевизионному изображению, основанная на регистрации яркостей объекта сцены с известными яркостями, расположенного на известном расстоянии от регистрирующего устройства, при изменении метеоусловий; получены соотношения для определения границ диапазона оценки дальности видимости, в котором относительная погрешность не превышает заданного значения.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Применение предложенных реализаций методов коррекции изображений, полученных в сложных метеоусловиях, и разработанной методики оценки дальности видимости по цифровому телевизионному изображению позволяет повысить эффективность и безопасность использования технических средств в таких областях промышленности как воздушный, водный и автомобильный транспорт, видеонаблюдение и видеоаналитика, телевизионная техника;

2. Разработано программное обеспечение, реализующее методы контрастной коррекции искаженных метеофакторами цифровых телевизионных изображений, предполагающие обработку одного изображения без использования дополнительной информации об искажениях и основывающиеся на учете неравномерности ухудшения локального контраста; выполненная оценка сложности алгоритмов позволяют сделать вывод о применимости предложенной реализации метода преобразования динамического диапазона в реальном масштабе времени;

3. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение, реализующие методику
оценки дневной оптической дальности видимости, предполагающую проведение калиб
ровки, выбор маркеров в поле зрения регистрирующего устройства, определение границ
диапазона оценки дальности видимости исходя из заданной погрешности, расчет и ин
дикацию дневной оптической дальности видимости по цифровым телевизионным изоб
ражениям.

Личный вклад автора. Основные научные результаты, аналитические выражения для описания методов контрастной коррекции, методик оценки дальности видимости и количественной оценки различимости объектов на изображениях, результаты вычислительных и натурных экспериментов, приведенные в диссертации, получены автором лично, либо при его непосредственном участии, либо при его руководстве.

Методы исследования основаны на математическом моделировании эффектов атмосферной оптики, статистической обработке результатов эксперимента, методах цифровой обработки изображений и методах технического зрения. Моделирование производилось как с помощью готовых математических программных библиотек и пакетов обработки цифровых изображений, так и с помощью разработанных автором алгоритмов и программ.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

21-й, 22-й, 23-й, 24-й и 25-й Международных научно-технических конференциях «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, 2011 г., 2012 г., 2013 г., 2014 г., 2015 г.;

7-й, 8-й и 11-й Международных научно-технических конференциях «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций», Севастополь, 2011 г., 2012 г., 2015 г.;

— 3-й Всеукраинской научно-практической конференции «Эффективная и без
опасная эксплуатация морских судов и сооружений», Севастополь, 2011 г.;

4-м Международном радиоэлектронном форуме «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития (МРФ – 2011)», Харьков, 2011 г.;

11-й Международной конференции молодых ученых «Радиофизика, Электроника, Фотоника и Биофизика», Харьков, 2011 г.;

11-й и 13-й Международных научно-технических конференциях «Современные проблемы радиоэлектроники, телекоммуникаций и компьютерной инженерии», Львов — Славское, 2012 г., 2014 г.;

6-й и 7-й Международных научно-технических конференциях «Проблемы телекоммуникаций», Киев, 2012 г., 2013 г.;

18-м Международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке», Харьков, 2014 г.;

10-й Международной конференции «Телевидение: передача и обработка изображений», Санкт-Петербург, 2013 г.;

— 25-й Международной конференции GraphiCon2015 АНО научного общества
«Графикон» и Института физико-технической информатики, Протвино, Московская
обл., 2015 г.;

— 12-й Международной научно-технической конференции «Современные пробле
мы радиоэлектроники и телекоммуникаций», Севастополь, 2016 г.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях ООО «Научно-технологическое предприятие «Оберег» и ООО «Уранис» г. Севастополя, а также в учебном процессе кафедры «Радиоэлектроника и телекоммуникации» Института радиоэлектроники и информационной безопасности ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, в том числе 6 статей в журналах и изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ и приравненных к ним (п.10 Постановления Правительства РФ №723 от 30.07.2014г.), 18 работ в материалах Международных конференций, 5 из которых индексируются в SCOPUS, и 1 работа в материалах Всеукраинской конференции.

Основные положения, выносимые на защиту:

3. Разделение обрабатываемого изображения на подизображения и их последующая обработка по методу адаптивной гистограммной эквализации с окрестностями произвольного размера улучшают различимость объектов на цифровых ТВ изображениях, полученных в сложных метеоусловиях;

4. Раздельная обработка изображений ряда сцен с различной удаленностью от регистрирующего устройства по методу линейного контрастирования с последующим их объединением за счет суммирования с весовыми коэффициентами позволяет повысить эффективность улучшения различимости объектов на цифровых ТВ изображениях, полученных в сложных метеоусловиях;

5. Предложенная методика оценки локального контраста изображений, основанная на разделении изображения на подобласти, расчете локального контраста и последующем анализе параметров диаграмм и гистограмм контрастов, позволяет определять количественные параметры области изображения, объекты в которой неразличимы;

6. Предложенная методика оценки дальности видимости по цифровому телевизионному изображению, основанная на регистрации яркостей объекта сцены с известными яркостями, расположенного на известном расстоянии от регистрирующего устройства, позволяет оценивать дальность видимости в пределах диапазона дальностей, в котором относительная погрешность не превышает заданного значения.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем диссертации — 191 страница, из них 164 основного текста, включая 72 иллюстраций и 8 таблиц. Библиографический список содержит 87 наименований.