ВВЕДЕНИЕ
Міністерство освіти і науки України
Національний аерокосмічний університет
ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”
ЦИМБАЛ Олег Валерійович
УДК 621.396.96(9)+681.325/.3.01(/.014/.016)
БАГАТОЕТАПНА РОБАСНА АДАПТИВНА ФІЛЬТРАЦІЯ
БАГАТОКАНАЛЬНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ДИСТАНЦІЙНОГО
ЗОНДУВАННЯ
05.07.12 – дистанційні аерокосмічні дослідження
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків - 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті
ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, с.н.с.
Лукін Володимир Васильович,
Національний аерокосмічний університет
ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, заст. з НДР завідуючого
кафедри “Прийому, передачі та обробки сигналів”
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Волосюк Валерій Костянтинович,
Національний аерокосмічний університет
ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” (м. Харків), професор
кафедри “Проектування радіоелектронних систем
літальних апаратів”
кандидат технічних наук, с.н.с.
Руженцев Микола Вікторович,
Радіоастрономічний інститут НАН України (м. Харків), заст. завідуючого відділом “Міліметрових
радіотелескопів”
Провідна установа: Відкрите акціонерне товариство “АТ Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань” (м. Харків)
Захист відбудеться 26.09.2003 р. о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .062.07 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.
Автореферат розісланий 18.08.2003 року.
Голова
спеціалізованої вченої ради О.О. Зеленський
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Здатність аерокосмічних радіолокаційних (РЛ) засобів дистанційного зондування (ДЗ) поверхні Землі незалежно від часу доби та погодних умов вирішувати широкий спектр задач попередження і моніторингу екологічних катастроф на воді та на суші, а також практичних народногосподарських задач обумовила широке застосування радіотехнічних систем (РТС) ДЗ у народному господарстві, службами міністерств з надзвичайних ситуацій розвинутих держав, стрімке удосконалювання цих систем. Розвиток засобів ДЗ як космічного, так і авіаційного базування, створення ефективної інфраструктури оперативної інтерпретації, використання і архівації даних ДЗ у масштабах країни є одним із пріоритетних напрямків, що знаходиться в сфері особливої уваги Національного Космічного агентства України і Національної Академії наук України.
Незважаючи на інтенсивне удосконалення в останні десятиріччя апаратних засобів ДЗ, перехід систем формування зображення (СФЗ) від аналогових до цифрових методів реєстрації й обробки даних РТС ДЗ, фізика процесів розповсюдження радіохвиль, особливості функціонування СФЗ, неможливість створення абсолютно надійної лінії передачі даних по радіоканалу навіть у цифровому виді, широке використання старих аналогових протоколів передачі даних ДЗ обумовлюють присутність на радіолокаційних зображеннях (РЛЗ) досить інтенсивних флуктуаційних, імпульсних та інших завад і викривлень, які негативно позначаються на результатах інтерпретації.
Зростаючі вимоги до інформативності й вірогідності даних ДЗ призвели до появи багатоканальних РТС ДЗ, що припускають, як правило, синхронне зондування однієї й тієї ж ділянки земної поверхні автономними підсистемами ДЗ, різниця між якими може варіюватися від розходжень у якихось окремих параметрах до розходжень в основних принципах зондування поверхні Землі та формування зображень ДЗ. Це у свою чергу обумовлює значну різницю у властивостях завад у компонентних зображеннях реєстрованих багатоканальних зображень (БКЗ) ДЗ.
Необхідність “підвищення якості” РЛЗ є однією з головних проблем на етапі вторинної обробки, від якості вирішення якої залежить точність і надійність інтерпретації даних ДЗ. У зв'язку з цим особливо актуальною в даний момент є задача розробки методів усунення імпульсного шуму, зокрема, інтенсивного і компактного, що зберігають інформацію, а також методів ефективного придушення мультиплікативної завади (зокрема, спекла) на РЛЗ за умови збереження інформації не тільки про межі об'єктів, але і про текстуру. Вирішення цієї задачі для випадку БКЗ зумовлює актуальність розробки векторних методів фільтрації БКЗ, які були б працездатними у ситуаціях значного розходження статистичних характеристик завад у канальних зображеннях. Також, для усіх процедур вторинної обробки залишається актуальною вимога максимально оперативного функціонування, по можливості, – у реальному часі.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Задачі підвищення якості даних ДЗ, які розв'язуються в даній дисертаційній роботі, становлять один з напрямків наукових досліджень, що проводяться на кафедрі “Прийому, передачі й обробки сигналів” Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського (ХАІ) і висвітлені в звітах про фундаментальні НДР: “Розробка та аналіз методів і алгоритмів підвищення якості, обробки й інтерпретації даних радіолокаційного дистанційного зондування” (№ГР 0198U001601), “Дослідження нових методів синтезу математичних моделей обробки, аналізу й інтерпретації зображень при багатоканальному дистанційному зондуванні з аерокосмічних носіїв, систем спеціального призначення, включаючи медичні діагностичні системи та комплекси” (№ГР 0100U003447), “Розробка і дослідження нелінійних алгоритмів цифрової фільтрації для обробки медичних сигналів” (№ГР 0196U004399), у яких автор брав участь як виконавець. Важливість цих задач також була обумовлена практичною необхідністю підвищення надійності інтерпретації реальних аерокосмічних даних ДЗ Центра радіофізичного зондування Землі ім. А.І. Калмикова НАН і НКА України, у ході виконання госпдоговірних і держбюджетних науково-дослідних робіт “Зондування”, “Природа”, “Середовище”, “Січ-1”, “Січ-1М”, тематичної розробки проекту НАНУ і НКАУ: “Науково-прикладна програма використання даних “СІЧ-1М”” (№ ГР Р.К.0100U004124), в яких автор приймав участь як виконавець.
Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка і практична реалізація ефективних зберігаючих інформацію методів предінтерпретаційного усунення на аерокосмічних зображеннях ДЗ компактних імпульсних перешкод (КІП), методів придушення флуктуаційного шуму, у тому числі і на РЛЗ, що містять текстурні ділянки, з урахуванням взаємної кореляції компонентних зображень завдяки використанню векторної обробки БКЗ при забезпеченні можливості застосування даних методів з необхідною оперативністю або у реальному часі.
Відповідно до поставленої мети в дисертаційній роботі сформульовані й вирішені наступні основні задачі:
§
розробка і обґрунтування послідовності етапів робасної обробки даних ДЗ, що зберігають інформацію;
§
дослідження властивостей реальних КІП, що виникають під час передачі зображень з штучних супутників Землі (ШСЗ) на наземні пункти прийому космічної інформації, і розробка моделі зображень, що спотворені КІП та флуктуаційною завадою;
§
дослідження ефективності різних підходів до усунення імпульсного шуму високої інтенсивності, вибір і оптимізація методів фільтрації, що дозволяють усувати КІП у присутності мультиплікативної завади;
§
розробка спеціалізованого методу детектування й усунення КІП;
§
обґрунтування вибору найбільш ефективного метода фільтрації, що зберігає інформацію, для придушення флуктуаційних завад на текстурних ділянках (ТД) і модифікація локально-адаптивного фільтра (ЛАФ) з “жорстким” переключенням для забезпечення більш ефективного придушення флуктуаційного шуму також і на ТД;
§
обґрунтування доцільності застосування векторних фільтрів для вторинної обробки БКЗ і розробка схем їх застосування для БКЗ з характеристиками завад у компонентних зображеннях, що істотно розрізняються; аналіз ефективності їх використання при рішенні конкретних інтерпретаційних задач;
§
підвищення швидкодії алгоритмів фільтрації на порядкових статистиках (ФПС), що використовують більшу частину упорядкованої вибірки; розробка універсальної схеми програмно-апаратної реалізації запропонованого багатоетапного робасного ЛАФ для задач обробки даних ДЗ у реальному часі.
Об'єктом досліджень є принципи і процеси формування зображень різними СФЗ та інтерпретації даних ДЗ.
Предметом досліджень є моделі завадових ситуацій, що характерні для зображень ДЗ, основні класи важливої для інтерпретації інформації на зображеннях ДЗ, підходи, методи й алгоритми ефективного придушення найбільш характерних завад на РЛЗ, що дозволяють зберігати корисну інформацію.
Методи дослідження. При вирішенні зазначених задач використовувалися: методи теорії ймовірності і випадкових процесів; методи математичної статистики, у тому числі теорії оцінювання; методи спектрально-кореляційного аналізу; чисельне і математичне моделювання; методи нелінійної адаптивної цифрової фільтрації; методи математичної морфології; методи навчання (оптимізації) “з вчителем”; універсальні принципи комплексного підвищення швидкодії програмно-алгоритмічних модулів і апаратних блоків.
Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в наступному:
·
вивчено причини виникнення і характеристики КІП на зображеннях, прийнятих із супутників, уперше розроблена узагальнена модель КІП та створені необхідні тестові моделі супутникових зображень;
·
вперше досліджена можливість навчання “м'яких” морфологічних фільтрів для усунення КІП на супутникових зображеннях ДЗ; розглянуті різні підходи до навчання з урахуванням можливості наступної постобробки для усунення залишкових флуктуаційних завад;
·
розроблено ефективний спеціалізований алгоритм детектування і заміни відліків, що спотворено КІП, у якому для вирішення задачі детектування вперше використані принципи аналізу 2-сегментованої упорядкованої вибірки, що враховують структурні особливості КІП;
·
вперше проведено аналіз здатності фільтрів одночасно придушувати флуктуаційний шум і зберігати текстурну інформацію та обґрунтовано вибір найкращого фільтра з метою використання у запропонованому трикомпонентному нелінійному ЛАФ з “жорстким” переключенням, що використовує запропонований передфільтраційний класифікатор (ПК) із трьома станами;
·
запропоновано методу обробки БКЗ ДЗ із різними завадовими ситуаціями в каналах на основі модифікованого векторного сигма-фільтра (МВСФ); обґрунтовано доцільність застосування цієї методи для підвищення надійності інтерпретації багатоканальних РЛЗ (БРЛЗ);
·
модифіковано алгоритм сортування злиттям однозв'язних списків для задач повного рекурентного сортування вибірки РЛ-даних для ФПС, що використовують просторово-структурну інформацію, а також уперше запропоновано гібридні списочно-гістограмні алгоритми, що дозволило підвищити швидкодію ФПС практично у всьому діапазоні типових розмірів апертур фільтрів при завадових ситуаціях, що є характерними для РЛЗ;
Практичне значення одержаних результатів полягає в створенні пакета програмних засобів автоматизованої обробки зображень ДЗ, що реалізують запропоновані методи фільтрації, і дозволяють на відповідних етапах згідно з запропонованою багатоетапною схемою обробки зображень ДЗ:
-
усунути КІП, характерну для реальних супутникових зображень, що передані в аналоговому протоколі трансляції, даних ДЗ вільного доступу ШСЗ “NOAA”, “Космос-1500/Січ-1”, “Метеор”, “Океан” та ін. як на оптичних, так і на РЛ-зображеннях ДЗ за рахунок застосування “навченої м'якої” морфологічної фільтрації, що передбачає або усунення тільки КІП, або і КІП і флуктуаційної завади, або завдяки застосуванню спеціалізованого алгоритму, що забезпечує надійне усунення інтенсивних КІП при більшому ступені схоронності корисної інформації;
-
ефективно придушити мультиплікативний шум на РЛЗ, що сформовані СФЗ з радіолокатором бічного огляду (РБО) та радіолокатором з синтезуванням апертури (РСА), за умови збереження інформації на ділянках меж об'єктів та ТД за рахунок застосування запропонованого трикомпонентного нелінійного ЛАФ з “жорстким” переключенням;
-
ефективно придушити флуктуаційний шум на БКЗ за умови збереження деталей, зокрема, меж об'єктів при будь-яких комбінаціях компонентних зображень у БКЗ (оптичне зображення, РБО/РСА РЛЗ) завдяки використанню МВСФ у складі запропонованої схеми застосування векторних методів обробки.
Для усіх вищезазначених етапів і методів обробки надано практичні рекомендації щодо вибору найбільш ефективного підходу й необхідних параметрів алгоритмів для різних типів зображень ДЗ, характеристик флуктуаційних завад і КІП.
При реалізації використані запропоновані швидкі алгоритми сортування вибірки для ФПС. Компонентні фільтри трикомпонентного ЛАФ з “жорстким” переключенням реалізовані з урахуванням запропонованих рекомендацій. Розроблено схему універсальної швидкодіючої програмно-апаратної реалізації двоетапної робасної схеми застосування трикомпонентного ЛАФ в реальному часі.
Ефективність запропонованих методів та алгоритмів підтверджена позитивним досвідом обробки реальних аерокосмічних зображень ДЗ у ЦРЗЗ ім. А.І.Калмикова НАНУ і НКАУ. Розроблені методи усунення КІП, мультиплікативної завади на зображеннях ДЗ, а також швидкодіючі цифрові алгоритми впроваджені у виді спеціалізованих програмних засобів обробки зображень ДЗ у КБ-3 Державного конструкторського бюро “Південне” (м. Дніпропетровськ). Розроблені методи, що зберігають інформацію, і алгоритми ЛАФ РЛЗ і БКЗ ДЗ, реалізовані з використанням запропонованих підходів, застосовані в ОАО “АТ НДІРВ” (м. Харків).
Особистий внесок здобувача. Частина результатів дисертації опублікована в роботах, що виконано без співавторів [1,2]. Внесок дисертанта в роботах, які виконано із співавторами, полягає в наступному: у роботах [3,6,8] дисертантом на основі ЛАФ вирішена задача забезпечення збереження текстурної інформації при придушенні флуктуаційного шуму на РЛЗ. У роботах [4,11] автором проведені дослідження якості придушення МВСФ мультиплікативного шуму на багатоканальних РЛЗ, у тому числі при використанні запропонованої спеціалізованої передобробки РСА-компонент, вирішена окрема інтерпретаційна задача. У роботах [5,12] дисертантом запропоновані схеми універсальної швидкодіючої програмно-апаратної реалізації фільтрів, які використовуються у запропонованих процедурах вторинної обробки РЛЗ. У роботах [7,9,10] – поставлено задачу усунення КІП із збереженням інформації, створено модель КІП та необхідні тестові зображення, введено додаткові напрямки навчання “м'якого” морфологічного фільтра, проаналізовано результати. У роботі [13] автором запропоновано метоорієнтований алгоритм усунення КІП, проведено порівняння його ефективності з навченими морфологічними й іншими фільтрами.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації представлено й обговорено на Міжн. науково-техн. конф.: “Укробраз'2000” (2000 р., Київ, Україна); Міжн. НТК “Physics and Engineering of MM and sub-MM Waves” (2001 р., Харків, Україна); III-й Всеросійській наукової конф. “Застосування дистанційних радіофізичних методів у дослідженнях природного середовища” (1999 р., Муром, Росія); SPIE/EUROPTO Symposium on Aerosense Remote Sensing (1999 р., Флоренція, Італія), 15-th Annual International Symposium on Aerospace/Defense Sensing, Simulation and Control (2001 р., Орландо, США); Міжн. НТК ”Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” ІКТМ' 2001, (2001 р., Харків, Україна); Міжн. науково-практичний конф. “Інформаційні технології керування екологічною безпекою, ресурсами та заходами в надзвичайних ситуаціях” (2002 р., сел. Рибаче, авт. респ. Крим).
Публікації. Матеріали дисертації опубліковано в шості статтях у наукових журналах, що входять до переліку ВАК України, одній статті в міжнародному журналі, шістьох доповідях у працях міжнародних конференцій і чотирьох звітах з НДР. Посилання на основні роботи наведено в авторефераті.
Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаної літератури й додатків, що викладено на 214 сторінках, з яких 168 – основного тексту. Дисертація містить 75 ілюстрацій на 72 стор., 22 таблиці на 20 стор., 4 додатки на 22 стор., список літератури з 256 найменувань на 24 стор.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність розробки ефективних методів придушення шумів на РЛЗ, у тому числі й багатоканальних, які були б здатні забезпечити більший ступінь збереження корисної інформації. Показано зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну й практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про впровадження результатів роботи, публікації й особистий внесок автора.
У першому розділі “Аналіз методів обробки даних радіолокаційного дистанційного зондування з аерокосмічних носіїв” розглянуто фізичні основи ДЗ і принципи функціонування різних СФЗ. Проаналізовано основні типи задач, які розв'язуються за допомогою систем ДЗ. Показано, що для надійного вирішення більшості моніторингових задач необхідні й використовуються комплекси, що включають до свого складу системи ДЗ, які принципово розрізняються своїми властивостями та підходами до формування зображень. Вивчено основні типи завад на БКЗ ДЗ, що найбільш істотним негативним образом відбиваються на точності і надійності інтерпретації зображень ДЗ. Показано, що такими завадами є мультиплікативний шум на РБО РЛЗ (чи так званий спекл-шум для РСА РЛЗ), а також імпульсні перешкоди. Причому, найбільш інтенсивний імпульсний шум є характерним для зображень, які передаються по радіолініях, що не мають захисту від інтерференційних завад. Показано, що для РСА РЛЗ характерні негаусівські щільності розподілу ймовірності (ЩРЙ) шуму, властивості якого варіюються в залежності від використаної кількості “поглядів”. Наведено математичну модель БКЗ з урахуванням впливу завад. Показано, що на даний момент не існує моделі, що дозволяє з достатнім ступенем вірогідності описувати КІП.
Проаналізовано основні інформаційні ознаки РЛЗ, що використовуються під час інтерпретації. Сформульовано основні вимоги, що висуваються до фільтрів. Показано, що заставою доцільності застосування фільтра для придушення шуму є забезпечення збереження меж об'єктів, малорозмірних деталей й текстури. Описано основні кількісні критерії якості фільтрації одно- та багатоканальних зображень, що найбільш часто застосовуються.
Проаналізовано переваги й недоліки наступних класів нелінійних фільтрів: неадаптивних ФПС, морфологічних, локально-адаптивних із м'яким і жорстким переключенням, неадаптивних векторних. Показано доцільність удосконалення відомих та розробки нових нелінійних методів фільтрації та їх застосування у контексті багатоетапних стійких схем обробки РЛЗ, що зберігають інформацію. При обробці БКЗ бажано враховувати міжкомпонентну кореляцію інформаційних складових, що можливо завдяки застосуванню векторних фільтрів, однак для існуючих методів проблемою є забезпечення задовільного компромісу між ефективним придушенням завад і збереженням меж, деталей і текстури.
Проаналізовано існуючі методи підвищення швидкодії цифрових алгоритмів фільтрації, а також підходи до програмно-апаратної реалізації цифрових фільтрів, що дозволяють забезпечити здатність функціонувати в масштабі реального часу. Сформульовано основні задачі досліджень.
Другий розділ “Інформаційно-зберігаючи методи усунення компактної імпульсної перешкоди на зображеннях” присвячено вирішенню задачі забезпечення робасних властивостей багатоетапних процедур фільтрації зображень ДЗ, що зберігають інформацію, і, зокрема, розробці методів усунення КІП.
Показано, що відсутність завадостійкого цифрового кодування при передачі даних ДЗ по радіолінії призводить до виникнення на зображеннях компактно розташованих викидів, що викликано інтерференцією корисного сигналу із сигналами від інших джерел, які працюють у цьому ж діапазоні радіохвиль. Такі викривлення (рис.1,а) спостерігаються, наприклад, за умови використання режиму автоматичної передачі зображень (automatic picture transmission (APT)) вільного доступу з ШСЗ “NOAA”, “Космос”, “СІЧ”, “Океан”, “Метеор” та ін.
У результаті експериментального аналізу властивостей КІП для великої кількості супутникових зображень створено узагальнену модель зображення, які спотворено КІП. У її основі лежить Марківська модель випадкового процесу із двома станами (=0 – відсутність КІП, відліки зображення викривлюються тільки флуктуаційною перешкодою; і =1 – наявність КІП) із матрицею ймовірностей переходу, що дозволяє моделювати властивості КІП на реальних даних ДЗ.
Для зображення, яке подано у вигляді одномірного масиву, що послідовно складається з рядків, починаючи з першого, що відповідає послідовності передачі зображення з ШСЗ, значення відліку, який спотворено імпульсною перешкодою, відповідно до запропонованої моделі, формується як
gL(j)= round{fL(j) + jb(sin(j-) b + b + b) + j, j = , (1)
де f(j) - вихідне значення відліку; , - відповідно індекси першого й останнього відліку, який викривлено КІП; b і b - амплітуда і частота гармоніки (періодичної складової) КІП; b - фаза цієї складової; j, j - мультиплікативна й адитивна випадкові компоненти КІП, що характеризуються гаусівською ЩРЙ із дисперсіями відповідно і2 і ni2 з <> і <>, рівними відповідно 1 і 0; b постійний рівень періодичної складової викиду (“п'єдестал”).
На підставі проведеного дослідження здатності різних стандартних робасних фільтрів усувати КІП показано, що вони не здатні усувати КІП цілком навіть за умови великого розміру ковзного вікна. До того ж, при цьому має місце істотне змазування корисної інформації (див. рис.1,б). З іншого боку, фільтри, які спеціально розроблено для усунення інтенсивних імпульсних перешкод, є оптимізованими для завадових моделей, які є менш складними, ніж на реальних РЛЗ, що викривлені КІП. Це зумовлює низьку ефективність цих методів у розглянутому випадку.
а) б) в)
Рис.1. Приклад усунення КІП на оптичному зображенні, отриманому з ШСЗ “Океан-О”: а) первинне зображення, б) результат обробки медіанним фільтром з апертурою 5х5, в) результат усунення КІП запропонованим методом на основі 2-принципу без постобробки.
За основу першого запропонованого підходу прийнято методи, які базуються на навчанні “м'яких” морфологічних фільтрів. Методом “навчання з вчителем” параметри таких фільтрів було оптимізовано з використанням різних типів навчальних пар зображень і різних напрямків навчання (рис. 2). Дослідження показали, що мінімальною достатньою композитною операцією є послідовність двох базових операцій: “м'яка ерозія” - “м'яка дилатація” у межах ковзних вікон 3х5 (стовпців х рядків) та 5х5. На рис.2 представлені структурні системи, що отримано в результаті оптимізації (навчання) по кожному з напрямків навчання. При цьому вводилися обмеження, наприклад, на симетричність структурних систем по обох осях. Для тестових зображень за критерієм ПССШ (пікове співвідношення сигнал-шум) морфологічні фільтри перевершують найкращі з відомих методів вторинної обробки, які здатні усувати викиди, на 0,8...1,6 дБ.
Другий запропонований підхід складається з використання модифікованого 2- принципу для детектування викидів та їх подальшого усунення. Показано, що найбільша надійність детектування КІП забезпечується, коли ознака наявності викиду в центральному відліку (ЦВ) формується з урахуванням структурних ознак КІП . Тут - показник, який сигналізує, що на одному з попередніх проходів у класифікаційній карті даний відлік маркірований як викид, що не міг бути усунутий; - показник перевищення значенням ЦВ максимально можливого значення для даного зображення; , , - відповідно показники відсутності неоднорідностей у межах апертури вікна, належності ЦВ півтону на границі об'єктів і достатності переваги об'єму домінуючої групи над об'ємом групи ЦВ, що визначаються по 2-сегментованій вибірці з урахуванням апостеріорної ймовірності викиду, - показник відповідності структурних ознак об'єкта, до якого належить ЦВ ковзного вікна, структурним ознакам КІП, що обчислюється з використанням швидких і досить простих алгоритмічних процедур, ij - індекси відліків зображення.
Рис.2. Оптимальні структурні системи для двохкомпонентних послідовностей морфологічних операцій за умови використання різних напрямків навчання ( – “жорсткий” центр та джерело, – елемент “м'якої” границі, r – порядковий індекс)
Завдяки використанню запропонованого багатопрохідного алгоритму детектування КІП і відновлення значень зображення для відповідних відліків для тестового зображення досягнуто ПССШ, що перевершує ПССШ для методу Абреу (з еквівалентною постобробкою) та найкращих ФПС більш ніж на 3 дБ. Приклад усунення КІП на реальному зображенні ДЗ наведено на рис.1,в.
Третій розділ “Збереження текстурної інформації під час фільтрації РЛЗ” присвячений розробці ЛАФ з поліпшеними властивостями, що забезпечують збереження текстури. Необхідність у цьому виникає внаслідок того, що навіть найбільш ефективні на даний час ЛАФ не виділяють ТД в окремий клас, у результаті чого відбувається помітне викривлення текстурної інформації під час обробки ТД фільтрами, що призначені для обробки інших класів інформаційних ділянок.
Проведене дослідження властивостей широкого набору компонентних фільтрів щодо збереження текстури показало, що фільтри, які ефективно придушують шуми на однорідних ділянках (ОД), за умов застосування для обробки ТД дуже сильно змазують деталі та спотворюють текстурні ознаки. Серед фільтрів, що добре зберігають межі і деталі, найкращу здатність зберігати текстуру має запропонована модифікація фільтра на основі дискретного косинусного перетворення (ДКП).
З метою забезпечення можливості застосування у складі ЛАФ з “жорстким” переключенням окремого компонентного текстурно-зберігаючого фільтра (ТЗФ) вирішена задача модифікації двохкомпонентного ЛАФ з відповідним двохкласовим передфільтраційним класифікатором (вихід такого ЛАФ має вигляд ) до трикомпонентного ЛАФ , де - значення ПК. , , - значення на виходах відповідних компонентних фільтрів. Найкращі результати обробки вдалося забезпечити за умов використання ПК , значення якого формується в кілька етапів у відповідності з наступними вираженнями
, де , де , - граничне значення відсотка “масовості неоднорідностей”, з яким проводиться порівняння показника , що обчислюється в квадратному вікні зі стороною М; , - проміжні ПК, що формуються за результатами порівняння значень відносної локальної дисперсії (ВЛД) та нормованого квазірозмаху (НК) з двома відповідними порогами. Наведено практичні рекомендації з вибору значень , М і порогів в залежності від 2.
Результат застосування запропонованого трикомпонентного ЛАФ для обробки тестового зображення з двома ТД представлений на рис.3. При обробці тестових зображень, що містять ТД, запропонований трикомпонентний ЛАФ дозволяє забезпечити збільшення ПССШ на 1,6-1,7 дБ у порівнянні з двохкомпонентним ЛАФ, що використовує ті ж компонентні фільтри (Lpq-фільтр – для обробки ОД, та модифікований сигма-фільтр (МСФ) – для околів меж і малорозмірних об'єктів (ММО)) при 2=0,005 і на 1,2-1,3 дБ у порівнянні з двохкомпонентним ЛАФ і МСФ при 2=0,012, тобто для діапазону значень 2, що є типовими для РБО-зображень.
а) б) в) г) д)
Рис.3. Результати обробки тестового зображення, що спотворено мультиплікативною завадою (2=0,012) (а) фільтрами: МСФ 7х7 (б), ДКП-фільтром 8х8 (в), запропонованим трикомпонентним ЛАФ з “жорстким” переключенням (д); г) карта ПК (чорний колір на карті відповідає ОД, білий – околам ММО, сірий – ТД).
Рис.4 демонструє можливість застосування запропонованого трикомпонентного ЛАФ також для обробки РСА РЛЗ, що спотворені спеклом з несиметричною ЩРЙ, за умов використання схем передобробки, що запропоновано у розд. 4.
Рис.4. Приклад обробки реального РЛЗ: а) первинне РСА РЛЗ дециметрового діапазону, б) результат його обробки трикомпонентним ЛАФ.
У четвертому розділі “Підвищення надійності інтерпретації даних ДЗ за рахунок векторної обробки БРЛЗ” доведено, що використання векторних (сумісних) методів придушення шуму на БКЗ має певні переваги перед скалярними (покомпонентними) фільтрами з точки зору збереження корисної інформації та поліпшення подальшої інтерпретації зображень.
Розглянуто властивості МВСФ, що зберігає деталі, для випадку переважаючого впливу мультиплікативного шуму. Запропоновано методику передобробки компонентних РЛЗ, що сформовані РСА. Вона складається із застосування фільтра Лі, що призводить до зниження дисперсії залишкового шуму та його нормалізації. Розроблено узагальнену схему застосування МВСФ, що забезпечує можливість обробки не тільки БРЛЗ, але й БКЗ ДЗ, що містять оптичні компоненти, за рахунок використання для таких компонент гомоморфних перетворень логарифмічно-експоненціального типу.
Показано, що використання МВСФ у складі запропонованої схеми векторної обробки БКЗ забезпечує при обробці тестових БРЛЗ, що містять ТД й малорозмірні об'єкти, результати, що перевершують за критерієм ПССШ результати обробки БРЛЗ скалярним МСФ. Продемонстровано переваги МВСФ при обробці зображень з великою кількістю деталей у порівнянні з відомими векторними фільтрами - адаптивним Lpq, медіанним та ін. Виграш у значеннях ПССШ за умов використання МВСФ може сягати 6...9 дБ за рахунок кращого збереження деталей, меж площинних об'єктів і текстури. Спостерігається також поліпшення середнього хроматичного відхилення, що характеризує збереження співвідношень інтенсивностей у компонентних зображеннях. Візуально ці ефекти демонструють приклади обробки тестових (рис.5) і реальних РЛЗ (рис.6), що містять РБО та РСА компоненти.
а) б) в) г) д) е)
Рис.5. Приклад обробки тестового БРЛЗ з однією РСА-компонентою: а) первинна РБО-компонента (2=0,008, контраст об'єкт-фон К=1,25), б) результат її двохетапної обробки фільтром Лі та МСФ, в) після обробки з використанням запропонованої процедури на основі МВСФ, г) первинна РСА-компонента (2=0,273 (релеївський шум), К=2,5; параметри 3-ї компоненти (РБО): 2=0,015, К=1,25), д) результат її двохетапної обробки фільтром Лі та МСФ, е) РСА-компонента після обробки БРЛЗ з використанням МВСФ.
Рис.6. Приклад обробки реального БРЛЗ (R-компонента – РСА РЛЗ ДМ-діапазону: G – РБО РЛЗ СМ-діапазону; B – РСА РЛЗ М-діапазону): а) вихідне БРЛЗ, б) БРЛЗ після покомпонентної обробки з використання МСФ, в) БРЛЗ після обробки з використанням МВСФ.
Рис.7. Результати інтерпретації: а) необробленого тестового БРЛЗ, що містить одну РСА-компоненту з 2=0,273 (релеївський шум) та дві РБО (2=0,015), б) БРЛЗ, що оброблено покомпонентно, в) БРЛЗ, що оброблено з використанням запропонованої процедури на основі МВСФ (світло-сірий – ділянки об'єкта, темно-сірий – фону, чорний та білий – явні похибки класифікації).
На прикладі вирішення по тестовому БРЛЗ інтерпретаційної задачі – оцінювання ступеню еродованості непокритого рослинністю ґрунту – показано, що застосування МВСФ у складі запропонованої схеми дозволяє підвищити ймовірність правильної класифікації ділянок фона й об'єктів відповідно на 53% і 43% у порівнянні з інтерпретацією необробленого зображення та на 2% і 12% у порівнянні з випадком застосування МСФ. Візуальне поліпшення результатів інтерпретації тестового БРЛЗ з конфігурацією об'єктів, як на рис.5, продемонстровано на рис.7.
П'ятий розділ “Методи підвищення швидкодії запропонованих фільтрів” присвячений забезпеченню можливості запропонованих фільтраційних процедур функціонувати в реальному часі. Однією з першочергових задач є прискорення основної операції ФПС – сортування вибірки, яка використовується у запропонованій багатоетапній схемі вторинної обробки БРЛЗ під час морфологічної фільтрації, 2-сегментації вибірки, Lpq-фільтрації, а також при розрахунку НК. Показано, що ця операція має ряд особливостей, що пов'язані із представленням РЛЗ, їх властивостями та самим принципом фільтрації в ковзному вікні.
Проаналізовані найбільш ефективні існуючі алгоритми сортування для ФПС. Запропоновано ефективні рекурентні алгоритми повного сортування вибірки: злиттям списків (універсальний алгоритм, що дозволяє зберігати просторово-структурну інформацію, необхідну для морфологічної фільтрації та 2-сегментації вибірки) і гібридний списочно-гістограмний. Їх швидкодія практично однакова, однак застосування другого алгоритму є доцільнішим для вікон 7х7 та більше.
а) б) в)
Рис.8. Діаграми оцінок фактичного часу, що витрачається для сортування вибірки (у секундах на комп’ютері Pentium 166) за умов емуляції ФПС тестового зображення (512 х 512) із завадовими ситуаціями: а) релеївська мультиплікативна завада (у2=0,273), б) гаусівська мультиплікативна завада з 2=0,012, в) суміш гаусівської мультиплікативної (2=0,005) та імпульсної завади “salt’n’pepper” з ймовірністю викиду у відліку Pimp=0,05.
Показано, що для розмірів ковзного вікна, що найбільш часто використовують, та більшості завадових ситуацій, типових для РЛЗ, доцільним є використання запропонованих алгоритмів (див. рис.8). Лише при введенні додаткової процедури контролю краю гістограми швидкодія рекурентного алгоритму відомого гістограмного сортування може бути зрівняною зі швидкодією запропонованих алгоритмів (рис.8,б).
Запропоновано схему систолічної програмно-апаратної реалізації багатоетапної схеми вторинної обробки, що включає застосування спеціалізованого методу усунення КІП і трикомпонентного ЛАФ з “жорстким” переключенням при мінімальному необхідному наборі спеціалізованих виконавців. Оцінено мінімальну необхідну затримку (у числі рядків) формування значення на виході такої багатоетапної схеми. Дано рекомендації з універсального підвищення швидкодії при реалізації компонентних фільтрів трикомпонентного нелінійного ЛАФ з “жорстким” переключенням.
У додатках наведено докладний опис: А) запропонованих алгоритмів детектування та усування КІП, Б) алгоритмів функціонування МСФ і ДКП-фільтра для мультиплікативного шуму, В) запропонованих швидкодіючих алгоритмів сортування вибірки, Д) принципів функціонування запропонованої схеми систолічної організації трикомпонентної ЛАФ з “жорстким” переключенням.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі розглянуто основні недоліки існуючих методів придушення завад на зображеннях ДЗ. Розроблено багатоетапну схему підвищення якості зображень ДЗ, відповідно до якої на першому етапі для усунення КІП у присутності флуктуаційних шумів пропонується використовувати “навчені” морфологічні фільтри або розроблений спеціалізований алгоритм. На другому етапі для забезпечення ефективного придушення мультиплікативного шуму на РЛЗ за умов збереження інформації, що важлива для інтерпретації, не тільки в околах ММО, але й на текстурних ділянках розроблено трикомпонентний ЛАФ з “жорстким” переключенням; для випадку обробки БКЗ ДЗ розроблено ефективний метод векторної обробки. Запропоновано швидкодіючі схеми та цифрові алгоритми, що реалізують запропоновані методи.
Відповідно до поставленої задачі проведено необхідні дослідження й розробки, що забезпечили наступні результати:
1.
Проаналізовано причини виникнення і властивості КІП, що спостерігаються на супутникових зображеннях, які передано на наземні пункти прийому по аналоговому каналу; розроблено узагальнену модель такої КІП;
2.
Проаналізовано причини непрацездатності існуючих методів робасної фільтрації та спеціалізованих алгоритмів усунення інтенсивного імпульсного шуму у випадку КІП. Показано, що для вирішення задачі усунення КІП за умов збереження інформації доцільним є використання наступних методів:
-
навчених “м'яких” морфологічних фільтрів з різними варіантами навчання з метою усунення КІП, що дозволяє у залежності від варіанта, що використовується, забезпечити виграш за критерієм ПССШ до 1,8 дБ у порівнянні з відомими алгоритмами;
-
розробленого спеціалізованого алгоритму детектування й усунення КІП на основі аналізу 2-сегментованої вибірки з урахуванням структурних особливостей КІП, що за умови застосування постобробки дозволяє досягти ПССШ, що на 1,7-3,1 дБ перевищує ПССШ для відомих схем фільтрації за рахунок практично повного усунення КІП за умов більшого ступеню збереження корисної інформації;
3.
Для забезпечення переходу від двохкомпонентної ЛАФ з “жорстким” переключенням, що не дозволяє забезпечити достатній рівень збереження текстурної інформації, до трикомпонентного ЛАФ:
-
проведено дослідження з метою вибору компонентного фільтра, що є найбільш ефективним для обробки ТД, яке показало, що таким фільтром є модифікація ДКП-фільтру для мультиплікативного шуму;
-
розроблено ефективний швидкодіючий ПК на основі бінарних показників локальної активності, що дозволяє сегментувати зображення відповідно до трьох класів (ОУ, ММО, ТД), обробка яких повинна виконуватись різними компонентними фільтрами;
4.
У результаті аналізу ефективності фільтрації різними неадаптивними фільтрами, двох- і трикомпонентними ЛАФ з “жорстким” переключенням тестових зображень з ТД у завадових ситуаціях, що є типовими для РЛЗ, показано, що запропонований трикомпонентний ЛАФ забезпечує більшу ефективність обробки РЛЗ, що містять текстуру, у порівнянні з відомим найкращим двохкомпонентним ЛАФ у середньому більш, ніж на 1 дБ за критерієм ПССШ за рахунок кращої (у середньому більш ніж на 2 дБ) обробки ТД. Ефективність запропонованого фільтра також продемонстрована візуально на прикладах обробки тестових і реальних РЛЗ.
5.
Для випадку обробки БКЗ ДЗ проведений аналіз властивостей МВСФ у порівнянні з його скалярним аналогом, а також іншими векторними та покомпонентними фільтрами. Доведено доцільність застосування МВСФ, що забезпечує ПССШ обробки тестових БРЛЗ, які містять ТД, на 1 дБ більше, ніж у скалярного МСФ, та на 6..10 дБ більше, ніж у ВМФ та векторного адаптивного Lpq-фільтра; Для випадку обробки БКЗ ДЗ з істотно різними завадовими ситуаціями в каналах розроблено спеціальну схему попередньої обробки даних ДЗ, що дозволило істотно розширити коло практичних ситуацій, коли є можливим застосування МВСФ;
6.
На прикладі підвищення надійності оцінки ступеню еродованості ґрунту без рослинності показано, що використання МВСФ у складі запропонованої схеми обумовлює підвищення ймовірність правильної інтерпретації БРЛЗ практично в два рази у порівнянні з інтерпретацією необробленого БРЛЗ та до 10% у порівнянні з використанням скалярного МСФ, у тому числі за умов наявності в складі БРЛЗ компонентних РСА РЛЗ;
7.
Для ФПС, що реалізуються на однозадачному мікропрограмному рівні, модифіковано ефективний універсальний алгоритм сортування злиттям однозв'язних списків для задач повного рекурентного сортування вибірки РЛ-даних та запропоновано гібридний списочно-гістограмний алгоритм. У результаті порівняльного аналізу з ефективними модифікованими гістограмними сортуваннями вибірки для типових апертур, що використовують у ФПС, та завадових ситуацій, що є типовими для РЛЗ, показано, що доцільним є застосування запропонованих алгоритмів сортування;
8.
Запропоновано схему систолічної організації робасної багатоетапної схеми застосування розробленого трикомпонентного ЛАФ з “жорстким” переключенням за умов універсальної програмно-апаратної реалізації для задач функціонування у масштабі реального часу, а також наведено рекомендації з універсального підвищення швидкодії компонентних фільтрів.
СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Цымбал О.В. Устранение на радиолокационных изображениях импульсного шума, возникающего при приеме информации со спутника // Авіаційно-космічна техніка і технологія. - 1999. - Вип.14. - С.132-135.
2.
Цымбал О.В. Повышение быстродействия алгоритмов сортировки выборки при обработке радиолокационных изображений фильтрами на порядковых статистиках // Авіаційно-космічна техніка і технологія. - 2002. - Вип.35. - С.99-104.
3.
Цымбал О.В., Лукин В.В, Пономаренко Н.Н. Трехкомпонентный локально-адаптивный фильтр с жестким переключением для обработки радиолокационных изображений // Технология приборостроения. _ 2001. _ Вып.1-2. _ С. .
4.
Зеленский А.А., Кулемин Г.П., Курекин А.А., Лукин В.В., Цымбал О.В. Модифицированный векторный сигма-фильтр для обработки многоканальных радиолокационных изображений и повышения надежности их интерпретации // Радиофизика и электроника. _ 2000. _ Т.5, №3. _ С. .
5.
Зеленский А.А., Цымбал О.В., Чемеровский В.И. Программно-аппаратная реализация адаптивного альфа-усеченного фильтра для обработки изображений с высоким уровнем спекл-шума // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: “Обчислювальна техніка та автоматизація”. - Донецьк. _ 1999. _ Вип.3. _ С. 229-235.
6.
Цымбал О.В., Лукин В.В. Сохранение текстурной информации при фильтрации радиолокационных изображений // Авіаційно-космічна техніка і технологія. _ 2000. _ Вип.20. _ С. .
7.
Koivisto P.Т., Astola J.T., Lukin V.V., Melnik V.P., Tsymbal O.V. Removing impulse bursts from images by training based filtering // EURASIP Journal on Applied Signal Processing. - 2003. - №3. - Р. 223-237.
8.
Lukin V., Tsymbal O. MM-band radar image filtering with texture information preservation // Proc. of The Fourth International Kharkov Symposium “Physics and Engineering of MM and subMM Waves”. - Kharkov (Ukraine). _ . _. _ Р. 437.
9.
Койвісто П.Т., Лукін В.В., Мельник В.П., Цимбал О.В. Усунення імпульсних викидів у радарних зображеннях // Праці Міжнародної конф. УкрОБРАЗ’2000. - Київ. - 2000. - С. 201-204.
10.
Koivisto P.Т., Astola J.T., Melnik V.P., Lukin V.V., Tsymbal O.V. Removal of impulse bursts by training based soft morphological filtering // Proc. SPIE 15-th Annual International Symp. on Aerospace/Defense Sensing, Simulation and Controls. Visual Information Proc. - Orlando (USA). _ . _Vol.4388. _ Р. .
11.
Kurekin A.A., Lukin V.V., Zelensky A.A., Tsymbal O.V., Kulemin G.P., Engman E.T. Processing multichannel radar images by modified vector sigma filter for soil erosion degree determination // Proc. SPIE/EUROPTO Symp. on Aerosense Remote Sensing. - Florence (Italy). _ . _ SPIE Vol.3868-60. _ Р. .
12.
Зеленский А.А., Лукин В.В., Пономаренко Н.Н., Цымбал О.В. Программно-аппаратная реализация модифицированного сигма-фильтра. // Труды III-й Всероссийской научной конференции: “Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды”. - Муром (Россия). _ . _ С. 235-236.
13.
Зеленский А.А., Лукин В.В., Цымбал О.В. Методы устранения компактного импульсного шума на спутниковых изображениях // Праці Міжнародної науково-практичної конференції “Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях”. _ 2002. _ С. .
АНОТАЦІЇ
Цимбал О.В. Багатоетапна робасна адаптивна фільтрація багатоканальних зображень дистанційного зондування. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.07.12 - дистанційні аерокосмічні дослідження. – Національний аерокосмічний університет ім. Н.Е.Жуковського “ХАІ”, Харків, 2003.
Дисертація присвячена розробці методів інформаційно-зберігаючого придушення інтенсивних імпульсних та мультиплікативних завад на радіолокаційних зображеннях, які сформовано багатоканальними системами дистанційного зондування. Запропоновано ефективні методи і швидкодіючі цифрові алгоритми багатоетапної робасної адаптивної нелінійної та сумісної (векторної) фільтрації. Для забезпечення надійного усунення компактної імпульсної завади на попередньому етапі запропонованої багатоетапної схеми проведено
