НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

"ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"

Голотяк Тарас Степанович

УДК 621.396

ПОКРАЩАННЯ ЯКОСТІ ЗОБРАЖЕНЬ У РАДІОМЕТРИЧНИХ СИСТЕМАХ НА ПІДСТАВІ УЗГОДЖЕННЯ ЇХ ПРОСТОРОВИХ ХАРАКТЕРИСТИК

05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному університеті "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент

Прудиус Іван Никифорович,

Національний університет "Львівська політехніка",

декан радіотехнічного факультету

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент

Величко Анатолій Федорович,

Харківський технічний університет радіоелектроніки,

професор

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Воробель Роман Антонович,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України (м. Львів),

провідний науковий співробітник

Провідна установа: Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", кафедра радіотехнічних систем та пристроїв

Захист відбудеться "29" червня 2001 р. о 1400 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.10 у Національному університеті "Львівська політехніка" (вул. С. Бандери 12, 79013, м. Львів)

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (вул. Професорська , 79013, м. Львів).

Автореферат розісланий 15 травня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Романишин Ю.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний стан систем дистанційного зондування зробив можливим розв'язок широкого ряду проблем від виявлення до розпізнавання об'єктів. Останнє десятиріччя у розвитку таких систем характеризувалося зростанням інтересу до систем формування зображень, як інформаційно більш ефективних засобів відображення поточної ситуації при її візуальному сприйнятті людиною.

Серед радіотехнічних систем збору інформації важливу роль відіграють радіометричні системи формування зображень, які, використовуючи власне випромінювання тіл у радіочастотному діапазоні, забезпечують високу інформативність одержуваних зображень при здатності працювати у складних зовнішніх умовах, скритності роботи та суттєвому зменшенні споживаної системою потужності, маси та габаритів системи. Подальший розвиток таких систем вимагає нових підходів як до принципів формування, так і до методів обробки сигналів з метою покращання ряду параметрів і характеристик таких систем, а саме, просторової роздільної здатності, швидкодії, завадозахищеності, габаритів та маси антенних пристроїв, що робить актуальною розробку нових системних підходів до побудови таких систем.

Задача досліджень полягає у пошуку нових системних рішень при побудові радіометричних систем формування зображень з високою просторовою роздільною здатністю, які мають вищі, у порівнянні з відомими системами, показники технічної реалізації (менша кількість антенних елементів, вища стійкість характеристик до дії дестабілізуючих факторів та шумового впливу). Розвинуті у даній роботі нові підходи до побудови радіометричних систем формування та обробки зображень базуються на доробку багатьох вчених, зокрема, В. Абакумова, Ж. Біємонда, Г. Василенка, В. Васильєва, Р. Гонсалеса, А. Джайна, Г. Ендрюса, А. Кацаджелоса, Д.Марра, Р. Мерсеро, Т. Павлідіса, І. Пітаса, У. Претта, Є. Путятіна, А. Розенфельда, Б. Русина, А. Тихонова, Дж. Ту, Т. Хуанга, Л. Ярославського та інших.

Одним з основних параметрів, що визначають якість зображення, є просторова роздільна здатність системи формування зображення. В системах без подальшої обробки потенційна величина просторової роздільної здатності визначається відношенням робочої довжини хвилі до фізичних розмірів антени, тому її покращання шляхом збільшення фізичних розмірів антени є неможливим через конструктивні обмеження, які характерні для ряду систем, зокрема, бортових, мобільних та інших. Вирішення цієї проблеми може забезпечити перехід від неперервних апертур до розріджених антенних решіток з кількістю антенних елементів, що виступає у якості обмежуючого фактору. Одною з переваг розріджених антенних решіток є простота формування геометрії та розподілу поля у апертурі антени, що дає можливість створення адаптивних систем. Крім того, дальше покращання просторової роздільної здатності таких систем можливе завдяки використанню методів вторинної обробки інформації, узгоджених з методами формування радіометричних зображень та особливостями сприйняття візуальної інформації людиною.

В цілому, адаптивні системи формування радіометричних зображень є новим та перспективним напрямом у розвитку радіотехнічних систем відбору інформації, який вимагає проведення глибоких досліджень як принципів побудови таких систем, так і методів обробки отриманої ними інформації, що підкреслює важливість питань, розглянутих у дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною досліджень, які проводяться на кафедрі радіотехнічних пристроїв Національного університету "Львівська політехніка" в межах держбюджетних НДР "Розробка засобів комп'ютерного моделювання систем формування високоякісних радіозображень об'єктів на основі методів вторинної обробки сигналів" (номер держреєстрації 0198U002396 (1998-1999 рр.)) та "Моделювання процесів отримання зображень та розробка методів і алгоритмів високоефективної обробки" (номер держреєстрації 0100U000485 (2000-2001 рр.)), що входять до координаційного плану Міністерства освіти і науки України "Методи обробки та технології інтерпретації зображень різної фізичної природи".

Мета і задачі досліджень. Мета роботи полягає в розробці та теоретичному дослідженні методів підвищення якості формування та обробки радіометричних зображень у системах з адаптивними антенними решітками, які базуються на теорії спектрального аналізу просторових характеристик зображень та радіометричних систем.

Об'єктом дослідження даної дисертації є радіометричні системи формування зображень на основі антенних решіток, а предметом досліджень – методи підвищення якості формування та обробки зображень у таких системах. Для розв'язку поставлених задач у дисертації використовувалися методи цифрової обробки багатомірних сигналів, лінійної алгебри, теорії інтегральних рівнянь, функціонального аналізу, варіаційного числення та розв'язку некоректних обернених задач.

Для досягнення мети у дисертаційній роботі розв'язані такі основні задачі:

- аналіз відомих критеріїв якості, методів формування та відновлення зображень щодо їх придатності для розв'язання задач покращання якості зображень у радіометричних системах з адаптивними антенними решітками;

- вибір і обгрування критерію якості формування/відновлення зображень на основі побудови карт важливості зображень, який узгоджується з особливостями сприйняття візуальної інформації людиною;

- аналіз просторових характеристик розріджених антенних решіток з метою дослідження взаємозв'язку між геометрією апертур антенних решіток та структурою їх просторового спектру;

- розробка адаптивного методу формування зображень у радіометричних системах з адаптивними антенними решітками, що забезпечує кращу, у порівнянні з відомими методами, якість зображень на етапі їх формування;

- розробка нелінійного методу відновлення радіометричних зображень, який забезпечує меншу, у порівнянні з іншими методами даного класу, похибку відновлення зображень у радіометричних системах з розрідженими антенними решітками;

- розробка принципу побудови радіометричних систем формування зображень з адаптивними антенними решітками, який використовує переваги нелінійного методу відновлення зображень, узгодженого з адаптивним формуванням апертури.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше у задачах обробки радіометричних зображень запропоновано метод оцінки якості зображень, який базується на визначенні карт важливості зображення та дозволяє відобразити особливості сприйняття візуальної інформації людиною.

2. На основі аналізу співвідношень між просторовими характеристиками (розподілом поля в апертурі та просторовим спектром) антен радіометричних систем формування зображень показано вплив розрідженості антенних решіток та геометрії розташування елементів в них на їх просторові характеристики в задачах формування радіометричних зображень, що дає можливість створення антен із заданою структурою просторового спектру.

3. З використанням узгодження просторових характеристик (а саме, просторових спектрів) антенної системи та зображення, вперше запропоновано адаптивний метод формування радіометричних зображень, який дозволяє поліпшити якість отриманих зображень на етапі їх формування.

4. Подальший розвиток дістало дослідження впливу обмежень на розв'язок при вирішенні задачі відновлення радіометричних зображень, що показало придатність методів з обмеженнями на розв'язок до розв'язання задач екстраполяції просторового спектру зображення.

5. Удосконалено нелінійний адаптивний метод відновлення зображень у радіометричних системах з адаптивними антенними решітками, що полягає у введенні в ітераційну схему вагової матриці сприйнятності зображення та застосуванні запропонованих обмежень на розв'язок.

6. Розроблено новий принцип побудови радіометричних систем формування зображень з розрідженими антенними решітками на основі нелінійного методу відновлення, узгодженого з адаптивним формуванням апертури.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Запропонований критерій якості зображень на основі карт важливості дозволяє проводити оцінку якості зображень з врахуванням особливостей сприйняття різних ділянок, що краще відповідає сприйняттю візуальної інформації людиною.

2. Запропонований адаптивний метод формування радіометричних зображень на основі узгодження просторових характеристик антенної системи та зображення дозволяє у 1,5-2 рази зменшити похибку формування радіометричних зображень, чим значно спрощує їх подальшу обробку.

3. Проведені дослідження впливу обмежень на розв'язок дозволили виробити рекомендації щодо використання стаціонарних і нестаціонарних ітераційних методів у задачах відновлення радіометричних зображень.

4. Використання запропонованого нелінійного адаптивного методу відновлення зображень у радіометричних системах з розрідженими антенними решітками дозволило отримати зображення такої ж якості, як у радіометричних системах з заповненою апертурою без обробки, при 20-кратному виграші у кількості антенних елементів.

5. Запропонований принцип побудови радіометричних систем формування зображень з розрідженими антенними решітками на основі нелінійного методу відновлення, узгодженого з адаптивним формуванням апертури, дозволив, у порівнянні з існуючими системами, на 8-10% зменшити середньоквадратичну похибку формування радіометричних зображень.

Наукові та практичні результати, отримані в дисертаційній роботі, впроваджено у Львівському науково-дослідному радіотехнічному інституті при виконанні науково-дослідної і дослідно-конструкторської роботи "Грань-Д". Крім того, отримані результати використані у навчальному процесі підготовки фахівців з напряму "Радіотехніка" у Національному університеті "Львівська політехніка".

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно отримав основні результати, викладені в дисертації. При цьому в роботах, написаних у співавторстві, здобувачу належить: розробка суб'єктивного критерію оцінки якості зображень [5]; у роботах [6,7] - розробка узагальненої математичної моделі радіотехнічних систем формування зображень; у роботах [8,9] - результати моделювання просторових характеристик лінійних та плоских антенних решіток; у роботах [2,10,11] - обгрунтування та розробка адаптивного методу формування зображень на основі узгодження просторових спектрів антенної системи та зображення; у роботі [13] - комп'ютерне моделювання залежності стійкості розв'язку системи лінійних рівнянь від її числа обумовленості; у роботах [4,14] - постановка задачі стосовно усунення впливу фазових спотворень на основі вторинної обробки зображень; у роботі [15] - аналіз сучасних нелінійних методів обробки сигналів; у роботі [3,17] - постановка задачі та комп'ютерне моделювання відновлення зображень на основі методів простої ітерації та спряжених градієнтів; у роботах [18-20] - розробка нелінійного методу відновлення зображень у радіометричних системах з розрідженими антенними решітками.

Апробація результатів роботи. Результати роботи доповідались і обговорювалися на: 4-й Міжнародній конференції “Досвід та застосування САПР в мікроелектроніці” (Львів, 1997); 2-й і 3-й Міжнародних конференціях “Теорія і техніка антен” (Київ, 1997; Севастополь, 1999); 3-й і 4-й Міжнародних конференціях “Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Services” TELSIKS'97 (Ніш, Югославія, 1997) і TELSIKS'99 (Ніш, Югославія, 1999); міжнародних конференціях з сучасних проблем телекомунікацій, комп'ютерної інженерії та підготовки спеціалістів, TCSET'98 (Львів, 1998) і TCSET'2000 (Львів, 2000); 12-й Міжнародній конференції “MIKON'98” (Краків, Польща, 1998); 9-й Європейській конференції “EUSIPCO'98” (Родос, Греція, 1998); 3-му Міжнародному симпозіумі “Фізика та техніка міліметрових і субміліметрових хвиль” (Харків, 1998); 2-й Міжнародній конференції “The detection of abandoned land mines” (Едінбург, Велика Британія, 1998); 3-му Міжнародному семінарі "Direct and Inverse Problems in Theory of Electromagnetic and Acoustic Waves", DIPED'98 (Тбілісі, Грузія, 1998).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 20 роботах, з них 4 статті у фахових виданнях з переліку, затвердженого ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, який складається з 256 найменувань та додатку. Повний обсяг дисертації становить 140 с., з них 120 с. основного тексту, дисертація містить 43 рисунки, які займають 7 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність проблеми підвищення якості формування і обробки зображень у радіометричних системах з адаптивними антенними решітками, сформульовані мета та задачі досліджень, коротко наведені відомості про наукову новизну, практичну цінність та апробацію отриманих результатів, публікацію матеріалів дисертації та їх впровадження.

Перший розділ присвячений аналізу сучасного стану техніки радіометрії і тих проблем, які виникли у даному напрямку, в результаті чого визнана необхідність у розв'язанні оберненої задачі як засобу покращання якості зображень у радіометричних системах. Досліджено критерії оцінки якості зображень та показано необхідність використання таких методів, які враховують особливості подальшого сприйняття зображень. Сформульовано загальні вимоги до систем формування зображень та досліджено сучасні методи синтезу антенних решіток із заданими просторовими характеристиками. Розглянуто методи відновлення зображень та обгрунтовано вибір групи методів для розв'язання задач відновлення зображень у радіометричних системах формування зображень з розрідженими антенними решітками.

На основі розглянутого обгрунтовано актуальність розробки нових методів формування/відновлення зображень у радіометричних системах з адаптивними антенними решітками.

Другий розділ присвячено аналізу та обгрунтуванню моделі зорової системи людини і розробці на її основі методу оцінки якості зображень, який дозволяє врахувати особливості сприйняття візуальної інформації людиною. У ньому проведено порівняльний аналіз одноканальних та багатоканальних моделей зорової системи людини, визначено особливості первинної обробки візуальної інформації та функції вищої нервової системи. На основі врахування таких факторів об'єктів як контраст, розмір, форма, розташування, співвідношення передній/задній план, розроблений метод дає можливість отримати узагальнену карту важливості зображення (рис. 1, 2).

Рис. 1. Тестові зображення.

Рис. 2. Узагальнені карти важливості тестових зображень.

У третьому розділі розглянуто питання побудови радіометричних систем, що забезпечують високу якість зображень на етапі їх формування. З цією метою пропонується узагальнений підхід до визначення їх просторових характеристик (рис. 3).

Рис. 3. Узагальнений підхід до задачі визначення просторових характеристик систем формування зображень.

У дисертації здійснено аналіз розріджених лінійних та плоских антенних решіток у радіометричних системах формування зображень; проведено дослідження впливу розрідженості антенних елементів та геометрії їх розташування на характеристики спрямованості плоских антенних решіток: діаграму спрямованості та просторовий спектр.

Аналіз просторових спектрів радіометричних зображень (див. наприклад, рис. 4,а) показав, що їх гармоніки мають специфічне розташування (рис. 4,б), тобто вони розташовані вздовж осей, зсунутих на певний кут відносно координатних осей у площині просторових частот.

Рис. 4. Радіометричне зображення (а) та його просторовий спектр (б).

Звідси випливає, що узгодження характеристик антенної системи і зображення полягає у знаходженні такої геометрії антенної системи, яка б мала таку ж структуру просторового спектру, як і зображення. В ідеальному випадку антена має забезпечувати оцінку всіх гармонік у просторовому спектрі зображення. Однак на практиці це вимагає створення антен з великим розміром апертури, що не завжди вдається реалізувати через наявні конструкційні обмеження. Тому, з урахуванням цих обмежень, пропонується система, яка забезпечує прийом найбільш інформативних гармонік просторового спектру зображення. Виходячи з цього, запропоновано адаптивний метод формування радіометричних зображень на основі узгодження просторових характеристик антенної системи та зображення. Дію методу пояснює наступний приклад. Аналіз просторового спектра тестового зображення (рис. 5) показав, що, беручи до уваги взаємозв'язок між розташуванням антенних елементів та гармоніками у просторовому спектрі, в узгодженій антенній решітці елементи мають бути розташовані вздовж осі, зсунутої на кут , визначений з просторового спектра зображення.

Рис. 5. Тестове зображення (a) та його просторовий спектр (б).

Геометрія антенної решітки з узгодженими просторовими характеристиками представлена на рис. 6,а, а функція спрямованості та просторовий спектр на рис. 6,б та рис. 6,в, відповідно.

Рис. 6. Геометрія апертури антенної решітки з узгодженими просторовими характеристиками (а), її функція спрямованості (б), та просторовий спектр (в).

Отримані результати показали, що запропонований адаптивний підхід дозволив у 1,3 і 2,8 (для тестового зображення) та 1,1 та 1,7 (для реального зображення) рази зменшити похибку формування зображення у - та - нормах відповідно у порівнянні з радіометричною системою формування на основі квадратної апертури при умові, що в обох випадках використано однакову кількість антенних елементів.

У четвертому розділі запропоновано принцип побудови радіометричних систем формування зображень з розрідженими антенними решітками на основі нелінійного методу відновлення, узгодженого з адаптивним формуванням апертури. Для цього проведено аналіз запропонованого нелінійного методу відновлення зображень у радіометричних системах з розрідженими антенними решітками, розробленого на основі методу простої ітерації

(1)

де - оцінка шуканого зображення на ітерації; - оцінка шуканого зображення на ітерації; - параметр регуляризації, - параметр релаксації, - стабілізуючий високочастотний фільтр; - узагальнений низькочастотний фільтр, який забезпечує гладкість зображення, .

Проведено дослідження обмежень на розв'язок у координатній площині (обмеження на невід'ємність, обмеження на максимальне значення, обмеження на область допустимих значень, обмеження на локальний діапазон зміни інтенсивності зображення) та площині просторових частот (обмеження на основі монотонності просторових спектрів, обмеження на основі анізотропії просторових спектрів).

Введення у (1) вагової матриці , що визначається на основі карти важливості зображення та здійснює узгодження методу відновлення з особливостями сприйняття зображення людиною, і оператора обмежень на розв'язок (1) дозволило записати загальний вигляд методу відновлення зображень у радіометричних системах як

(2)

Рис. 7. Залежність похибки відновлення спотвореного зображення VCI та CG методами від кількості ітерацій для різних типів (І-ІІІ) використаних обмежень на розв'язок.

На основі порівняльного аналізу збіжності ітераційних алгоритмів, які базуються на методах простої ітерації (VCI) та спряжених градієнтів (CG) (рис. 7), обгрунтовано вибір ітераційної схеми нелінійного методу відновлення радіометричних зображень. У початковій області (область І), яка для розглянутого прикладу охоплює перші 5 ітерацій, відновлення на основі методу спряжених градієнтів забезпечило меншу середньоквадратичну похибку, тобто дана група методів забезпечує у початковій області кращу збіжність. В області ІІ меншу похибку відновлення забезпечують методи на основі простої ітерації, через що саме ця ітераційна схема була вибрана як базова при побудові нелінійного ітераційного методу відновлення радіометричних зображень.

З метою проведення порівняльного аналізу властивостей розробленого методу здійснено відновлення сформованого зображення (рис. 8,а) нелінійним методом на основі регуляризації Тихонова і обмеження на невід'ємність (рис. 8,б) та розробленого методу (рис. 8,в). При цьому середньоквадратична похибка відновлення після 10 ітерацій становила і відповідно, що вказує на перевагу запропонованого методу.

Рис. 8. Результати відновлення сформованого радіометричного зображення () (а) відомим (регуляризація Тихонова і обмеження на невід'ємність - ) (б) та розробленим () (в) методами.

Досліджено можливості використання запропонованого нелінійного методу до задач відновлення зображень у радіометричних системах з розрідженими антенними решітками, для чого було використано радіометр з неперервною апертурою (рис. 9,а) та радіометр з розрідженою антенною решіткою (рис. 9,б), причому у другому випадку було використано у 20 разів менше антенних елементів.

Рис. 9. Апертури неперервної (а) та розрідженої (б) антенних систем радіометрів формування зображень.

Похибка формування зображень для системи з неперервною апертурою є меншою, ніж для системи з розрідженою антенною решіткою, однак порівняння зображення, отриманого з допомогою прямого спостереження заповненою апертурою та зображення, отриманого після прийому розрідженою антенною решіткою та відновлення, дозволяє зробити висновок про приблизно однакову якість зображень при 20-кратному виграші у кількості антенних елементів (рис. 10).

Рис. 10. Результати прямого спостереження: (а) неперервною апертурою ; (б) розрідженою апертурою з геометрією типу хрест Мілса та їх відновлення: (в) - ; (г) - , відповідно.

Очевидним є той факт, що найкраща якість зображень у радіометричних системах буде забезпечуватися у випадку, коли метод формування буде узгоджуватися із методом відновлення зображень. З цією метою пропонується метод, що утворює узгоджену пару “метод формування—метод відновлення” та об'єднує в собі переваги адаптивного формування зображень на основі узгодження просторових спектрів антенної системи і зображення та нелінійного ітераційного методу відновлення зображень з обмеженням на розв'язок .

Загальна підхід ілюструється рис. 11 і містить 3 основні етапи:

1) квадратною антенною решіткою малого розміру проводимо оцінку просторового спектр зображення для визначення кутів розташування основних інформативних гармонік просторового спектру зображення (ця антена не може забезпечити високу якість отриманого зображення через низькочастотну структуру її просторового спектру, однак, вона дозволяє однозначно визначити кути зсуву );

2) антенною решіткою формуємо зображення на основі проведеного спектрального аналізу, змінюючи геометрію для забезпечення узгодження просторових спектрів решітки та зображення, однак її просторовий спектр характеризується значною розрідженістю через розрідженість апертури антенної решітки;

3) використовуючи алгоритм обробки, відновлюємо початкове зображення на основі двох, отриманих решітками і , зображень ( та ).

Математично ця задача може бути описана рівнянням

, (3)

де - результуюче зображення, отримане з допомогою антени з діаграмою спрямованості та узгодженою антеною з діаграмою спрямованості ; - зображення-оригінал; - оцінка відновлюваного зображення, - еквівалентний інтегральний оператор, .

Рис. 11. Структурна схема запропонованого підходу до побудови радіометричної системи формування зображень.

Властивості запропонованого методу були розглянуті на реальних зображеннях, причому показано здатність методу не лише усувати спотворення, викликані розмиттям, але і послаблювати дію шумів різного типу (до зображення на рис. 12,а було додано гаусовий шум значенням 35 дБ та імпульсний шум типу “сіль-і-перець”, який спотворював 30% пікселів зображення). Отримане зображення представлене на рис. 12,б, його середньоквадратична похибка становить . Після 30 ітерацій похибка зменшилась до (рис. 11,в).

Рис. 12. Результати обробки реальних зображень: (а) - зображення-оригінал, (б) - розмите і зашумлене зображення, (в) - відновлене зображення.

Проведене моделювання показало високу ефективність запропонованого підходу на основі адаптивного формування апертури та нелінійного відновлення зображень.

Висновки

У даній роботі розглянуто теоретичне узагальнення та нове вирішення ряду задач, пов'язаних з побудовою радіометричних систем формування зображень на основі розріджених антенних решіток. При цьому було запропоновано декілька нових підходів, які можуть бути використані при проектуванні систем такого типу. Нижче перераховані основні результати, отримані в роботі:

1. Вперше у задачах обробки радіометричних зображень запропоновано метод оцінки якості зображень, який базується на визначенні карт важливості зображення та відображає особливості сприйняття візуальної інформації людиною.

2. На основі співвідношень між просторовими характеристиками антен радіометричних систем формування зображень показано вплив розрідженості антенних решіток та геометрії розташування елементів в них на їх просторові характеристики в задачах формування радіометричних зображень, що дозволило синтезувати антенні решітки із заданою структурою просторового спектру.

3. На основі узгодження просторових спектрів антенної системи та зображення вперше запропоновано адаптивний метод формування радіометричних зображень, який дозволяє у 1,5-2 рази зменшити похибку формування радіометричних зображень на етапі їх формування і значно спростити їх подальшу обробку.

4. Подальший розвиток дістало дослідження впливу обмежень на розв'язок при вирішенні задачі відновлення радіометричних зображень, що показало придатність таких методів для розв'язання задач екстраполяції просторового спектру зображення та дозволило виробити рекомендації щодо використання стаціонарних і нестаціонарних ітераційних методів у задачах відновлення радіометричних зображень.

5. Удосконалено нелінійний адаптивний метод відновлення зображень у радіометричних системах з розрідженими антенними решітками, що дозволило отримати зображення такої ж якості, як і у радіометричних системах з заповненою апертурою без обробки, при 20-кратному виграші у кількості антенних елементів.

6. Вперше розроблено принцип побудови радіометричних систем формування зображень з адаптивними антенними решітками на основі нелінійного методу відновлення, узгодженого з адаптивним формуванням апертури, що дозволило у порівнянні з існуючими системами на 8-10% зменшити середньоквадратичну похибку формування радіометричних зображень.

Одержані в роботі результати можуть бути успішно використані в інших напрямках, зокрема, адаптивний метод формування зображень, нелінійний метод відновлення зображень та нелінійне відновлення, узгоджене з адаптивним формуванням апертури антенної системи, можуть бути також використані в активній локації, радіоастрономії; метод оцінки якості зображень, який базується на визначенні їх карт важливості, може бути застосований у всіх галузях, де кінцевим споживачем візуальної інформації є людина, як от, телевізійні системи, комп'ютерне бачення, мультимедійні задачі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Голотяк Т. Метод спряжених градієнтів з обмеженнями на розв'язок у відновленні радіометричних зображень // Вісник Державного університету “Львівська політехніка” “Радіоелектроніка та телекомунікації”.- № 352.- 1998.- С. 126-128.

2. Клепфер Є., Прудиус І., Голотяк Т. Адаптивний метод формування радіометричних зображень // Вісник Національного університету "Львівська політехніка" "Комп'ютерні системи проектування. Теорія і практика".- № 398, 2000, С. 104-109.

3. Прудиус І., Волошиновський С., Голотяк Т. Вплив обмежень на розв'язок на збіжність ітераційного процесу при відновленні радіометричних зображень // Вісник Державного університету "Львівська політехніка" "Комп'ютерні системи проектування. Теорія і практика". - № 373, 1999. - С. 202 - 206.

4. Прудиус І., Лазько Л., Голотяк Т. Вплив гладких регуляризаторів на стаціонарні та нестаціонарні ітераційні процеси при розв'язку оберненої радіометричної задачі // Вісник Державного університету “Львівська політехніка” “Радіоелектроніка та телекомунікації”.- № 387.- 2000.- С. 46-49.

5. Prudyus I., Voloshynovskiy S., Osberger W., Holotyak T. Objective and subjective estimation of image restoration quality in radiometry imaging systems // Proc. of 4th International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Services, TELSIKS'99.-Vol.1.- Nis (Yugoslavia).- 1999.- P. 182-183.

6. Prudyus I., Voloshynovskiy S., Holotyak T. Investigation of spatial antenna system characteristics in active and passive imaging systems // Proc. of International Conference on Modern Problems of Telecommunications, Computer Science and Engineers Training, TCSET'98.- Lviv (Ukraine).- 1998.- P. 124-125.

7. Prudyus I., Voloshynovskiy S., Holotyak T. Mathematical models and spatial characteristics of coherent and incoherent imaging systems // Proc. of 3rd International Kharkow Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves", MSMW'98.- Vol.2.- Kharkiv (Ukraine).- 1998.- P. 562-564.

8. Прудиус І. Н., Волошиновський С. В., Голотяк Т.С. Моделювання розріджених лінійних антенних решіток у системах формування некогерентних зображень об'єктів // Мат. 4-ї Міжнародної конференції “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки”.- Львів (Україна).- 1997.- С. 153-154.

9. Prudyus I., Voloshynovskiy S., Holotyak T. Computer modelling of radiometry imaging system with different types of antennas // Proc. of Second International Conference "Antenna Theory and Techniques".- Kyiv (Ukraine).-1997.- P. 101-103.

10. Prudyus I., Voloshynovskiy S., Holotyak T. Agreement between image and antenna system spatial characteristics in radiometry imaging systems with sparse antenna array // Proc. of International Conference on Modern Problems of Telecommunications, Computer Science and Engineers Training, TCSET'98. - Lviv (Ukraine). -1998.- P.123.

11. Prudyus I., Voloshynovskiy S., Holotyak T. Adaptive aperture formation matched with radiometry image spatial spectrum // Proc. of 12th International Conference on Microwaves & Radar, MIKON'98.-Vol.1.- Krakow (Poland).- 1998.- P. 143-147.

12. Holotyak T. Radar and radiometry imaging systems with adaptive aperture formation // Proc. of Second International Conference on “The detection of abandoned land mines”.- Edinburgh (UK).- 1998.- P. 227-231.

13. Захарія Й.А., Голотяк Т. С. Вплив обумовленості системи рівнянь на розв'язання електродинамічних задач прямими методами // Мат. 4 Міжнародної конференції “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки”.- Львів (Україна).- 1997.- С. 65-66.

14. Prudyus I., Lazko L., Holotyak T. Simulation of antenna array characteristics impact on objects image restoration // Proc. of III International Conference “Antenna theory and techniques”, ICATT'99.- Sevastopil (Ukraine).- 1999. - P. 230-232.

15. Prudyus I., Voloshynovskiy S., Holotyak T. Nonlinear techniques in digital signal processing // Proc. of International Conference on Modern Problems of Telecommunications, Computer Science and Engineers Training, TCSET'2000.- Lviv (Ukraine).- 2000.- P.151-154.

16. Holotyak T. Conjugate gradient method implementation in the radiometry image restoration // Proc. of International Conference on Modern Problems of Telecommunications, Computer Science and Engineers Training, TCSET'98.- Lviv (Ukraine).- 1998.- P.121-122.

17. Voloshynovskiy S., Holotyak T. High resolution image restoration based on inverse problem solution using iterative methods // Proc. of 3rd International Seminar "Direct and Inverse Problems in Electromagnetic and Acoustic Waves Theory ", DIPED'98.- Tbilisi (Georgia).- 1998.-, P. 117-120.

18. Prudyus I., Voloshynovskiy S., Holotyak T. Sparse antenna arrays in radar imaging systems // Proc. of 3rd International Conference on Telecommunications in Modern Satelite, Cable and Broadcasting Services, TELSIKS'97.- Vol.1.- Nis (Yugoslavia).- 1997.- P. 46-49.

19. Prudyus I., Voloshynovskiy S., Holotyak T. Robust adaptive aperture formation in radar imaging systems with nonlinear robust image restoration // Proc. of IX European Signal Processing Conference, EUSIPCO'98.- Vol.3.- Rhodes (Greece).- 1998.- P. 1365-1368.

20. Holotyak T., Prudyus I., Voloshynovskiy S. Surface image formation based on sparse arrays with nonlinear signal processing // Proc. of Second International Conference on “The detection of abandoned land mines”. - Edinburgh (UK).- 1998.- P. 232-235.

АНОТАЦІЇ

Голотяк Т.С. Покращання якості зображень у радіометричних системах на підставі узгодження їх просторових характеристик. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.17 - Радіотехнічні та телевізійні системи - Національний університет "Львівська політехніка", Львів, 2001.

Дисертація присвячена розробці та теоретичному дослідженню методів підвищення якості формування та обробки радіометричних зображень у системах з адаптивними антенними решітками. Розроблено метод оцінки якості зображень, який базується на визначенні карт важливості зображення та відображає особливості сприйняття візуальної інформації людиною. Проведено дослідження впливу розрідженості антенних решіток та геометрії розташування елементів в них на їх просторові характеристики. Запропоновано адаптивний метод формування радіометричних зображень на основі узгодження просторових характеристик антенної системи та зображення. Досліджено вплив обмежень на розв'язок при вирішенні задачі відновлення радіометричних зображень. Удосконалено нелінійний адаптивний метод відновлення зображень у радіометричних системах з адаптивними антенними решітками. Розроблено принцип побудови радіометричних систем формування зображень з розрідженими антенними решітками на основі нелінійного методу відновлення, узгодженого з адаптивним формуванням апертури.

Ключові слова: радіометрична система, обробка зображень, якість зображення, антенна решітка, просторова характеристика, адаптивний метод.

Голотяк Т.С. Улучшение качества изображений в радиометрических системах на основе согласования их пространственных характеристик. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 – Радиотехнические и телевизионные системы – Национальный университет "Львивска политехника", Львов, 2001.

Дисертация посвящена разработке и теоретическому исследованию методов улучшения качества формирования и обработки радиометрических изображений в системах с адаптивными антенными решетками. Разработан метод оценки качества изображений, который базируется на определении карт важности изображений и отображает особенности восприятия визуальной информации человеком. Проведено исследование влияния разреженности антенных решеток и геометрии расположения элементов в них на их пространственные характеристики. Предложен адаптивный метод формирования радиометрических изображений на основе согласования пространственных характеристик антенной системы и изображения. Исследовано влияние ограничений на решение при рассмотрении задачи восстановления радиометрических изображений. Усовершенствован нелинейный адаптивный метод восстановления изображений в радиометрических системах с адаптивными антенными решетками. Разработан принцип построения радиометрических систем формирования изображений с разреженными антенными решетками на основе нелинейного метода востановления, согласованного с адаптивным формированием апертуры.

Ключевые слова: радиометрическая система, обработка изображений, качество изображения, антенная решетка, пространственная характеристика, адаптивный метод.

Holotyak T.S. Radiometry image quality enhancement based on their spatial characteristics matching. – Manuscript.

Thesis for Philosophy Doctor degree by speciality 05.12.17 – radio technical and television systems – Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2001.

This thesis is devoted to development and theoretical investigation of image formation and processing methods in radiometry systems with adaptive antenna arrays. Based on the analysis of modern radiometry system state-of-art the necessity of inverse problem solution as means of image quality enhancement is considered. The review of image quality criteria was made and advantages of methods that take into account the particularities of further image perception were shown. The general requirements to imaging systems were formulated and methods of antenna arrays synthesis with predetermined spatial characteristics were analyzed. Based on image restoration methods review the group of methods for image restoration in radiometry systems with adaptive antenna arrays was selected.

Using comparative analysis of one and multi-channel human visual system the features of retina and cortex visual information processing were investigated and method of image quality estimation based on image importance maps calculation that considers peculiarities of human visual perception was proposed.

For the purpose of high quality imaging radiometry systems creation generalized mathematical model of radio technical imaging systems and approach of their spatial characteristics calculation were developed. Taking into account the analysis of line and flat sparse antenna arrays the dependence between antenna elements location and structure of their spatial characteristics was investigated and adaptive method of radiometry image formation based on antenna system and image spatial characteristics matching was proposed.

To create matched couple “image formation—image restoration” the structure of radiometry imaging systems with sparse antenna arrays agreed with adaptive aperture formation was developed. For this purpose the analysis of proposed nonlinear image restoration method was performed and the properties of human visual system was taken into account by including the weight matrix that was calculated by the image importance maps usage. The impact of constrains on solution on image restoration quality was investigated and using comparative analysis of stationary and non-stationary iterative image restoration methods convergence the iterative scheme of nonlinear method was selected.

The developed methods based on adaptive aperture formation and nonlinear image restoration satisfy both quantitative and qualitative enhancement of image quality on formation and restoration stages in comparison with existing systems in case of the same number of antenna elements usage.

Key words: radiometry system, image processing, image quality, image quality enhancement, antenna array, spatial characteristic, adaptive method.