Введение к работе
Актуальность темы. Обработка аэрокосмических изображений (АКИ) – одно из приоритетных направлений приложения теории обработки изображений. Она базируется в первую очередь на общих теоретических положениях, однако требует и конкретизации в виде проблемно ориентированных методов, алгоритмов и информационных технологий. Конечной целью информационных технологий обработки АКИ является получение тематической информации из цифровых данных, формируемых с помощью различных приборов, характеризующихся избирательной чувствительностью в определенных зонах спектра и обладающих различной пространственной разрешающей способностью. Результаты такой обработки находят применение во многих отраслях человеческой деятельности: в сельском хозяйстве, геологических и гидрологических исследованиях, лесоводстве, охране окружающей среды, планировки территорий, в образовательных, разведывательных и военных целях. На спутниках, атмосферных летательных аппаратах или наземных наблюдательных станциях устанавливаются различные по принципу действия видеодатчики, осуществляющие наблюдение в видимой, инфракрасной и радиолокационной областях спектра. Видеоинформация, полученная таким образом, передается на пункты ее обработки, где она может накапливаться в цифровом виде и может быть зарегистрирована как набор панхроматических материалов безотносительно к спектральному диапазону их съемки. Именно такие материалы и подвергаются обработке с целью улучшения их геометрических. радиометрических и дешифровочных свойств. Получение цветных или псевдоцветных материалов по результатам мультиспектральной съемки представляет собой самостоятельную задачу со своими закономерностями и проблемами.
Как правило, цифровые изображения непосредственно после съемки оказываются непригодными для использования по назначению в соответствующей отрасли, поскольку в процессе их формирования или передачи могут возникать разнообразные искажения, существенно влияющие на качество получаемой видеопродукции. В соответствии с устоявшейся концепцией использования АКИ комплексную их обработку принято проводить в два этапа. На первом этапе производится межотраслевая нормализация изображений, устраняющая присущие им искажения, а на втором – выполняется тематическая (целевая) обработка в интересах решения задач конкретной отрасли, региона или органа управления.
В настоящее время известно достаточно большое количество методов и алгоритмов межотраслевой нормализации, базирующихся на непосредственной обработке АКИ в пространственной области. В литературе описывается и спектрально-пространственный подход, в традиционном понимании, предполагающий использование преобразование Фурье и, соответственно, унаследовавший методы классического гармонического анализа. Однако следует иметь в виду, что гармонический анализ создавался на основе понятия «синусоидальная функция», подразумевающего временные сигналы. Изображение же по своей природе представляет собой сигнал, изменяющийся в пространстве. Требование инвариантности во времени для гармонического анализа представляется мало реальным при переходе к пространственным сигналам. Кроме того при ближайшем рассмотрении становиться очевидным, что проблема сходимости ряда Фурье или интеграла Фурье, известного как явление Гиббса, приобретает существенное значение при анализе изображений, для которых характерны скачкообразные изменения значений в пространстве. Таким образом, ряд Фурье сходится всюду, кроме точек, где эта сходимость больше всего необходима.
Актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью применения спектральных методов цифровой обработки изображений, альтернативных методам классического гармонического анализа и ориентированных на применение в цифровых вычислительных устройствах. Исследование подобных методов закладывает теоретическую основу для разработки эффективных алгоритмов обработки видеоинформации.
Большой вклад в решение проблем разработки методов и технологий обработки и анализа изображений внесли работы У. Прэтта, Р. Гонзалеса, Р. П. Ярославского, В. А. Сойфера, В. К. Злобина, В. В. Еремеева, Ю.В. Визильтера.
Представление секвентного анализа возникли в 60—70-х годах 20-го столетия, как альтернатива гармонического анализа. В основе секвентного анализа лежит понятие секвенты, которая определяется как число изменений знака несинусоидальных функций за единицу времени (или пространства). Типичным представителем несинусоидальных функций являются функции Уолша.
Основоположниками идеи применения методов секвентного анализа являются отечественные и зарубежные ученые Б.И. Голубов, Л.А. Залманзан, А.М. Трахтман, Х. Хармут. Дж.Л. Уолш, Н. Ахмед, Р. Брэйсуэлл.
Не смотря на их эффективность с точки зрения сокращения объема вычислений и устранения недостатков, связанных с ограничениями присущими преобразованию Фурье и традиционное упоминание в обзорах учебников и диссертаций, унитарные преобразования, основанные на нетригонометрических ортогональных системах базисных функций, в современных разработках фирм-лидеров рынка программных продуктов для ГИС, таких как ESRI и Leica Geosisystems, не применяются. Это обусловлено, прежде всего, тем, что в настоящее время отсутствует понимание сущности секвентного анализа и его возможностей в построении эффективных алгоритмов обработки, а успехи классического гармонического анализа в области обработки АКИ весьма скромны.
Под методологией применения будем понимать совокупность концепций, методов и приемов, основанных на секвентном анализе, направленных на получение практического эффекта.
Целью диссертационной работы является создание теоретической и методологической основы для построения секвентных алгоритмов обработки АКИ, отличающихся простой структурной организацией и малым объемом, затрачиваемых вычислительных операций при реализации их на современных вычислительных средствах.
Основными задачами диссертационной работы являются:
-
Проведение анализа и классификации средств формирования АКИ.
-
Определение математической модели цифрового изображения, отвечающей требованиям применения методов секвентного анализа.
-
Выявление особенностей изображений, создаваемых системами формирования АКИ, для определения областей применения методов секвентного анализа.
-
Определение роли и места методов секвентного анализа в обработке АКИ
-
Разработка теоретических и методологических основ для построения секвентных алгоритмов фильтрации помех, возникающих в процессе формирования АКИ.
-
Разработка теоретических и методологических основ применения методов секвентного анализа для нахождения одноименных сюжетов на АКИ.
-
Исследование возможностей использования методов секвентного оценивания в решении задач тематической обработки АКИ.
-
Апробирование разработанных методов и алгоритмов путем внедрения их для решения вычислительных задач в системах использующих аэрокосмическую информацию.
Научная новизна. Результаты работы создают теоретическую и методологическую базу применения секвентного анализа, позволяющую предложить ряд методов и алгоритмов обработки АКИ, отличающихся простотой построения и малыми затратами вычислительных ресурсов. Решение указанной проблемы имеет важное значение для вычислительной техники, систем управления, радиолокации и других смежных областей.
На защиту выносятся следующие новые результаты:
-
Математическая модель процесса пространственного преобразования изображений в системах формирования АКИ, позволяющая учитывать не только геометрические параметры и частоту следования отсчетов, но и их пространственную протяженность, зависящую от параметра пространственной переходной характеристики.
-
Формальные модели характерных типов искажений, возникающих в процессе формирования АКИ, позволяющие классифицировать их в виде трех групп и исследовать особенности их секвентных спектров.
-
Результаты исследования секвентных спектров изображений, искаженных в процессе их формирования, и созданные на этой основе новые алгоритмы их фильтрации, позволяющие в два раза и более улучшить показатели качества при снижении вычислительной сложности до двух раз.
-
Введенный термин «вещественно-диадная свертка» (ВДС). Применение ВДС в отличие от традиционного построения алгоритмов на основе теоремы о свертке, позволяет решать задачи фильтрации и корреляционного анализа на основе методов секвентного анализа.
-
Предложен и теоретически обоснован новый метод квазидвумерных секвентных спектров, основанный на представлении одномерных спектров строк изображений в виде двумерной матрицы и использованный для построения алгоритмов квазидвумерной фильтрации и квазидвумерной корреляции изображений, обладающих в два раза меньшей вычислительной сложностью, чем алгоритмы построенные на двумерном спектральном представлении.
-
Предложен и теоретически обоснован новый метод преобразования с прореженными базисными функциями, который позволяет удалять информационную избыточность изображений в процессе получения секвентных спектров, а не в виде последовательно выполняемых этапов традиционных алгоритмов.
-
Результаты исследования метода оценивания спектральной плотности секвентного спектра, позволяющего проводить кластеризацию фрагментов изображений для их тематической обработки.
Практическая и теоретическая значимость результатов. Теоретическая значимость работы заключается в разработке теоретической и методологической базы применения методов секвентного анализа для создания эффективных алгоритмов обработки аэрокосмических изображений, которые могут представлять общенаучный интерес для решений широкого круга задач в области обработки пространственно-временных и пространственных сигналов.
Практическая значимость работы заключается в реализации методов и алгоритмов фильтрации, корреляционного совмещения и кластеризации изображений в виде модулей, включенных в состав действующих систем, использующих аэрокосмическую информацию.
Диссертация выполнена в Рязанском государственном радиотехническом университете на кафедре электронных вычислительных машин. Теоретические и практические результаты работы были использованы при реализации 8 научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых в Рязанском государственном радиотехническом университете.
Результаты диссертационной работы внедрены: в Научном центре оперативного мониторинга Земли ОАО «Российские космические системы», в Управлении по делам гражднаской обороны и чрезвычайным ситуациям Рязанской области, в ОАО «Муромский завод радиоизмерительных приборов», в ФГУП «Рязанский приборный завод», в ООО «Мещерский научно-технический центр», в ООО «Рязаньприбор».
Теоретические и практические результаты работы используются в учебном процессе Рязанского государственного радиотехнического университета при проведении занятий со студентами направления 010500 «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем», направления 230100 «Информатика и вычислительная техника» в курсах «Основы цифровой передачи и кодирования информации», «Основы сетевых технологий», «Основы теории вычислительных систем» и специальности 090102 «Компьютерная безопасность» в курсах «Системы и сети передачи информации» и «Теория информации», а так же в учебном процессе Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых в виде программного комплекса «ИмКор» (Свидетельство о регистрации электронного ресурса ОЭФРНиО № 16977) и учебного пособия «Основы цифровой передачи и кодирования информации».
Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертации соответствует п.5 «Разработка и исследование моделей и алгоритмов анализа данных, обнаружения закономерностей в данных и их извлечениях, разработка и исследование методов и алгоритмов анализа текста, устной речи и изображений» и п.7 «Разработка методов распознавания образов, фильтрации, распознавания и синтеза изображений, решающих правил» паспорта специальности 05.13.17 – Теоретические основы информатики.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- 14-й международней научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2005);
- 3-ей межвузовской научно-технической конференции «Новые технологии в учебном процессе и производстве» (Рязань. 2005);
- Всероссийской заочной электронной конференции «Новые информационные технологии и системы», , 2006;
- Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании» (Рязань, 2007);
- 5-ой международной научно-технической конференции K.Э. Циолковский – 150 лет со дня рождения. Космонавтика. Радиоэлектроника, Геоинформатика (Рязань, 2007);
- Всероссийской научно-технической конференции «Интеллектуальные информационные системы» - Интеллект – 2007 (Тула, 2007);
- 15-ой международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2008);
- 33-ей всероссийской научно-технической конференции «Сети, системы связи и телекоммуникации» (Рязань, 2008);
- 2-ой всероссийской научно-практической конференции «Радиолокационная техника: устройства, станции, системы» РЛС – 2010, (Муром, 2010);
- 16-ой международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2010), 2 доклада.
Публикации. Автором опубликовано 76 научных (в том числе 4 авторских свидетельства СССР) и 22 учебно-методических (в том числе 5 с грифом УМО) печатных работ, из них 63 работы при подготовке данной диссертации, в том числе 18 статей в журналах рекомендованных ВАК и 12 тезисов докладов на международных и всероссийских научных конференциях, получено свидетельство о регистрации электронного ресурса ОЭФРНиО № 16977 на программный комплекс «ИмКор».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 193 наименований и приложения. Она изложена на 312 страницах основного текста, содержит 24 таблицы и 148 рисунков.
