РАЗРАБОТКА И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ КОМПЕНСАЦИИ АППАРАТУРНЫХ ИСКАЖЕНИЙ НА АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЯХ НА ОСНОВЕ ЧАСТОТНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

В работе рассматриваются задачи компенсации аппаратурных искажений на аэрокосмических изображениях на основе частотных представлений. Анализ этой задачи с научной точки зрения является крайне актуальным, поскольку современные программные средства не позволяют эффективно устранять помехи на космофотоснимках и при обработке сильно искажают само изображение. Кроме того, в работе решалась одна из важнейших задач обработки аэрокосмических изображений – автоматизированное дешифрирование снимков (обнаружение, выделение и непосредственное распознавание объектов на снимке). Преимущество предложенного автором метода дешифрирования состоит в том, что алгоритм содержит гораздо меньше ошибок распознавания объектов, чем в современных программных системах обработки космических снимков.Работа имеет сущес ...

ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ КОМПЕНСАЦИЙ АППАРАТУРНЫХ ИСКАЖЕНИЙ НА АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЯХ ПРИ ИХ ДЕШИФРИРОВАНИИ 5
1.1 Аппаратурные искажения космофотоснимков и методы их компенсации 5
1.2. Основные методы автоматизированного дешифрирования космофотоснимков 13
1.3. Частотные представления как основа фильтрации изображений 19
ГЛАВА 2. МОДЕЛИ АППАРАТУРНЫХ ИСКАЖЕНИЙ НА АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЯХ 22
2.1 Физическая модель возникновения импульсных шумов и полос 22
2.2 Компьютерное моделирование импульсного шума 24
2.3 Компьютерное моделирование помех в виде полос. 26
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА НА ОСНОВЕ ЧАСТОТНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ АЛГОРИТМОВ КОМПЕНСАЦИИ АППАРАТУРНЫХ ИСКАЖЕНИЙ ПРИ ДЕШИФРИРОВАНИИ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ ЧАСТОТНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ 28
3.1 Разработка алгоритма устранения помех на изображении на основе частотных представлений 28
3.2_Разработка алгоритма автоматизированного дешифрирования аэрокосмических изображений на основе частотных представлений 34
3.3 Вычислительные эксперименты по оцениванию работоспособности разработанных алгоритмов 36
ГЛАВА 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ НА ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ 42
4.1 Архитектура вычислительной системы 42
4.2 Программная реализация алгоритмов фильтрации космофотоснимков при их дешифрировании 54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 60
Литература 62
Приложение №1. Описание алгоритма компенсации аппаратурных искажений 64
Приложение №2. Награды 6

ВВЕДЕНИЕ

Большинство знаний о мире получается из эмпирических данных. Значительная часть задач обработки информации и анализа данных связана с изображениями. Примерами могут служить обработка и анализ данных дистанционного зондирования Земли со спутников, объемные изображения объектов, полученные с помощью голографических устройств, результаты применения методов неразрушающих исследований и контроля в промышленности, разработка “органов зрения” роботов и современных медицинских систем диагностики (рентгенография, машинная томография, эндоскопия и т.д.).
Важнейшими проблемами, решаемыми при исследовании поверхности Земли, являются: мониторинг влияния изменения климата, оценка загрязнения атмосферы, моделирование наводнений и оползней, картографирование, лесовосстановление, определение стр уктуры земного покрова и землепользования, а также поддержка мероприятий по обороне и безопасности. В качестве инструмента исследования поверхности Земли часто применяется космофотосъемка. При этом, информация извлекается на основе анализа полученных со спутников космофотоизображений.
При получении космических снимков часто встречаются изображения, искаженные помехами, появляющимся на этапах формирования или передачи. Причинами возникновения шума на изображении могут быть сбои в работе канала связи, несовершенством аппаратуры и др. В конечном результате это приводит к ухудшению качества визуального восприятия и снижению достоверности решений, которые будут приниматься на основе анализа таких изображений. Ослабление действия помех достигается фильтрацией. Под фильтрацией изображений понимают операцию, имеющую своим результатом изображение того же размера, полученное из исходного по некоторым правилам.
Основными видами помех на аэрокосмических снимках являются импульсный шум и полосы. Импульсные помехи представляют собой значительные по величине одиночные изолированные выбросы (изолированные контрастные точки) [6]. Полосы проявляются в виде квазипериодических изменений интенсивности пикселов только вдоль одной оси координат.
Современные интерактивные программные средства ScanViewer и ENVI вместе с тем не позволяют эффективно устранять помехи вида импульсный шум и полосы и при фильтрации существенно искажают само изображение. Поэтому задача разработки алгоритмов устранения указанных помех является актуальной.
Компенсация вышеописанных аппаратурных искажений производится на этапе предварительной обработки космофотоизображений и необходима для проведения процесса дешифрирования при изучении и исследовании объектов, явлений и процессов на земной поверхности. Под дешифрированием снимка понимается процесс обнаружения, выделения и распознавания на нем изображений различных объектов природного и антропогенного происхождения. Основными этапами дешифрирования являются предварительная обработка фотоизображений, обнаружение и выделение на них объектов, определение их количественных и качественных характеристик, а также их непосредственное распознавание. Для увеличения производительности труда и улучшения условий выполнения работ при обработке изображений процесс дешифрирования необходимо автоматизировать.
На сегодняшний день для автоматизированного дешифрирования аэрокосмических снимков в современных программных средствах используются следующие три группы признаков распознавания: геометрические (форма, размер); яркостные (уровень яркости, цвет); структурные (текстура, структура). Недостатками таких подходов являются:
Cложность распознавания в условиях сильных помех на изображении;
Необоснованное отнесение объектов снимка в один и тот же класс;
Слабая адаптация существующих методов автоматизированного дешифрирования к изменяющимся условиям съемки и обработки изображений;
Длительность процесса подготовки высокопрофессиональных операторов-дешифровщиков для выполнения работ на комплексах автоматизированного дешифрирования (5-7 лет).
Одной из перспективных возможностей изменения ситуации в области автоматизированного дешифрирования являются разработка и внедрение программно-технологических средств, которые используют новые методы обработки космофотоснимков на основе частотных представлений.
Новизна идеи состоит в использовании: 1) нового метода фильтрации аэрокосмических изображений, который является оптимальным в том смысле, что спектр получаемого в результате фильтрации изображения имеет наименьшее среднеквадратическое отклонение от спектра фильтруемого изображения в заданном двумерном частотном интервале, а вне этого интервала имеет наименьшее отклонение от нуля; 2) нового метода обнаружения и выделения объектов, где в качестве группы признаков распознавания берутся энергетические характеристики изображения (доли энергии распознавамых объектов).
Основная цель работы состоит в разработке, исследовании и программной реализации алгоритмов компенсации аппаратурных искажений на аэрокосмических изображениях на основе частотных представлений.
Поставленная цель достигается решением следующих конкретных задач:
1. Обзор основных существующих методов компенсаций аппаратурных искажений на аэрокосмических изображениях;
2. Разработка алгоритмов компенсаций аппаратурных искажений на аэрокосмических изображениях на основе частотных представлений;
3. Разработка алгоритма выделения и идентификации объектов на космических снимках, группами признаков распознавания для которого являются доли энергии каждого объекта изображения;
4. Программная реализация разработанных алгоритмов;
5. Оценивание работоспособности разработанных алгоритмов на основе вычислительных экспериментов с реальными изображениями

e