Оцінка параметрів та фільтрація зображень земної поверхні з урахуванням детермінованої та випадкової самоподоби їх структури - Автореферат

Дослідження, результати яких представлені в даній роботі, проводилися в рамках науково-прикладних розробок Північно-східної філії Державного науково-виробничого центру "Природа" і висвітлені у звіті “Виконання порівняльного аналізу методів і алгоритмів усунення випадкових завад на космічних знімках” (№ 11.24667660), що є складовою частиною НКР “Дослідно-методичні роботи в інтересах ІАС НКАУ з моніторингу водного середовища - Моніторинг-П” (№ 0102u001933), та звіті про НДР “Розробка теоретичних основ та методики космічного моніторингу поверхневих вод суходолу” (Шифр роботи - Моніторинг - С, контракт № 2-01/03 - ПСФДНВЦ "Природа"). Мета і завдання дослідження полягають у підвищенні якості фільтрації й інтерпретації зображень ДЗЗ шляхом розробки методів та алгоритмів оцінки параметрів і фільтрації полів із самоподібною (фрактальною) структурою, що враховують наявність завад з апріорно невизначеними параметрами. Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішуються такі задачі: · статистична оцінка параметрів і фільтрація ФБР-поля з невідомими, просторово залежними параметрами на фоні адитивної, мультиплікативної й імпульсної завад; · оцінка параметрів завад, що спотворюють ФБР-поле, зокрема, оцінка дисперсії адитивної та мультиплікативної завад, а також імовірності спотворення ФБР-поля просторово некорельованою імпульсною завадою, що підпорядковується рівномірному закону розподілу; Практична цінність отриманих результатів полягає в створенні методів, алгоритмів і програмного забезпечення для автоматизованої обробки зображень земної поверхні з урахуванням їх самоподібних (фрактальних) властивостей, що залежно від апріорної інформації про структуру зображення дозволяють: · здійснити адаптацію алгоритмів обробки зображень до конкретних умов роботи системи формування зображень шляхом автоматичної оцінки дисперсії адитивної та мультиплікативної завад, а також імовірності спотворення зображення просторово-некорельованою імпульсною завадою.Окремо розглянуто перспективні моделі самоподібних (фрактальних) полів: модель ФБР-поля і модель на основі теорії СІФ, що враховують сучасні уявлення про структуру земної поверхні, згідно з якими структура багатьох природних обєктів не змінюється при зміні масштабу розгляду. Показано, що вдосконалення існуючих і введення в практику нових моделей зображень ДЗЗ є основним напрямком підвищення якості їхньої фільтрації. Аналіз літератури показав, що існуючі методи оцінки параметрів ФБР-поля не враховують наявності мультиплікативної й імпульсної завад. Для урахування просторової неоднорідності зображень ДЗЗ припускалося, що параметри ФБР-поля просторово залежні. Цією моделлю передбачається, що імпульсна завада спотворює зображення з імовірністю в рівномірно розташованих на зображенні точках.Нові рішення, отримані в роботі, полягають у такому: отримані МП оцінки параметрів ФБР-поля, спостережуваного на фоні завад різного типу, й розроблено метод, що дозволяє врахувати самоподібність фрагментів зображень при фільтрації. Отримані методи, алгоритми й програми дозволяють підвищити якість зображень ДЗЗ, ефективно оцінити параметри, що характеризують їх самоподібну (фрактальну) структуру. Це дозволяє в інтересах сільського, лісового господарств, екологічного моніторингу і охорони навколишнього середовища підвищити ефективність тематичного аналізу (класифікації, інтерпретації) зображень ДЗЗ шляхом додаткового аналізу їх самоподібної (фрактальної) структури й ефективного заглушення завад. Для оцінки параметрів СІФ використано класичну схему, в яку для урахування специфіки задачі фільтрації, внесені такі модифікації: 1) при масштабуванні використовується проста операція проріджування замість усереднення для запобігання небажаному згладжуванню зображення; 2) запропоновано ітераційну схему пошуку доменних блоків, що дозволяє підвищити якість оцінки рангових блоків зі складною структурою; 3) для усунення блокових ефектів і підвищення якості фільтрації застосовано розбиття зображення на рангові блоки, що перекриваються. У випадку імпульсної завади запропоновано ітераційний алгоритм фільтрації зображення, оцінки параметрів ФБР-поля та завад, що складається із двох кроків: виявлення спотворених пікселів зображення й оцінки при фіксованих параметрах ФБР-поля і оцінка параметрів (фільтрації) ФБР-поля на основі неспотворених пікселів при фіксованому результаті виявлення імпульсних завад.

2. ОСНОВИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЙ РОБОТИ

У дисертації одержали розвиток методи й алгоритми оцінки параметрів і фільтрації самоподібних (фрактальних) полів. Нові рішення, отримані в роботі, полягають у такому: отримані МП оцінки параметрів ФБР-поля, спостережуваного на фоні завад різного типу, й розроблено метод, що дозволяє врахувати самоподібність фрагментів зображень при фільтрації.

Практична цінність роботи полягає в такому. Отримані методи, алгоритми й програми дозволяють підвищити якість зображень ДЗЗ, ефективно оцінити параметри, що характеризують їх самоподібну (фрактальну) структуру. Це дозволяє в інтересах сільського, лісового господарств, екологічного моніторингу і охорони навколишнього середовища підвищити ефективність тематичного аналізу (класифікації, інтерпретації) зображень ДЗЗ шляхом додаткового аналізу їх самоподібної (фрактальної) структури й ефективного заглушення завад.

В результаті проведеного дисертаційного дослідження одержані такі основні наукові результати: 1. Розроблено метод використання надмірності зображень земної поверхні, яка повязана з їхньою самоподібною структурою й виявляє себе у вигляді подібності фрагментів зображення, що рознесені у просторі й перебувають у різних масштабах. Метод полягає в оцінці рангового блока на основі псевдовибірки, що складається з рангового й подібних йому доменних блоків. Підвищення якості обробки досягається шляхом урахування додаткової інформації, закладеної в самоподібності зображення при різних масштабах розгляду. Запропонований метод реалізовано у вигляді двох алгоритмів, що здійснюють різну обробку псевдовибірки: СІФ-фільтра й ФБРЕМП СІФ-фільтра.

2. Розроблений СІФ-фільтр висуває найменші вимоги до оброблюваного зображення, а саме вимога самоподібності поза залежністю від його форми: детермінованої або ймовірнісної. Пошук доменних блоків і формування оцінки рангового блока здійснюється в рамках методу СІФ, відповідно до якого оцінка рангового блока шукається за методом найменших квадратів у вигляді лінійної комбінації доменних блоків, що входять у псевдовибірку. Для оцінки параметрів СІФ використано класичну схему, в яку для урахування специфіки задачі фільтрації, внесені такі модифікації: 1) при масштабуванні використовується проста операція проріджування замість усереднення для запобігання небажаному згладжуванню зображення; 2) запропоновано ітераційну схему пошуку доменних блоків, що дозволяє підвищити якість оцінки рангових блоків зі складною структурою; 3) для усунення блокових ефектів і підвищення якості фільтрації застосовано розбиття зображення на рангові блоки, що перекриваються. Оскільки СІФ-фільтр розрахований для найбільш широкого класу зображень, він показує найгірші результати серед запропонованих алгоритмів, поступаючись ФБРЕМП-фільтру 0,2...-0,8ДБ.

3. Для випадку, коли модель ФБР-поля не можна прийняти як модель зображення, але спостерігається ймовірнісно-самоподібна структура зображення, розроблено ФБРЕМП СІФ-фільтр. Відповідно до цього алгоритму елементи псевдовибірки описуються як взаємно корельовані фрагменти ФБР-поля з невідомими параметрами. Ранговий блок оцінюється за методом МП із урахуванням статистик корисного зображення та завад. Підвищення якості фільтрації в порівнянні із ФБР-фільтром досягається за рахунок використання кореляційних звязків між елементами псевдовибірки (далеких кореляційних звязків). Це дозволило підвищити якість фільтрації в областях зображення, не описуваних моделлю ФБР, на 1,1...1,4ДБ у порівнянні із ФБРЕМП-фільтром.

4. Розроблено алгоритми спільної оцінки параметрів і фільтрації ФБР-поля (ФБР-алгоритми) на основі методу МП для всіх перерахованих типів завад. Випадок мультиплікативної й імпульсної завад розглянуто вперше. Показано, що в цих випадках вирішення рівняння правдоподібності є складною задачею при обчисленні і запропоновано більш швидкі квазіоптимальні методи вирішення, що полягають у такому. У випадку мультиплікативної завади пропонується використати гауссівське наближення для ПРВ вибірки в межах ковзного вікна, що еквівалентно її поданню сигнально-залежною адитивною завадою. У випадку імпульсної завади запропоновано ітераційний алгоритм фільтрації зображення, оцінки параметрів ФБР-поля та завад, що складається із двох кроків: виявлення спотворених пікселів зображення й оцінки при фіксованих параметрах ФБР-поля і оцінка параметрів (фільтрації) ФБР-поля на основі неспотворених пікселів при фіксованому результаті виявлення імпульсних завад. Це дозволяє сформувати оцінку величини й автоматично врахувати її при фільтрації, завдяки чому досягнута перевага в 0,5...1ДБ, у порівнянні з існуючими евристичними алгоритмами фільтрації імпульсних завад. Шляхом статистичного моделювання досліджено властивості отриманих оцінок ФБР-поля і показано їхню ефективність і незміщеність. СКВ оцінки локальної фрактальної розмірності при тому же розмірі вибірки в два-три рази менше СКВ ряду відомих оцінок.

5. Запропоновано модифікацію ФБР-фільтрі, основану на усередненні оцінок, одержуваних у ковзних вікнах, що перекриваються, шляхом вінерівської фільтрації даних у межах вікна (ФБРЕМП-фільтр). Експериментальні дослідження показали, що такий підхід приводить до підвищення якості фільтрації в порівнянні із ФБР-фільтром на 0,4...1,2ДБ на околах меж і на 0,15...0,4ДБ у локально-однорідних областях.

6. Розроблено ФБРГР-фільтр, якій оснований на моделі локально-неоднорідного ФБР-поля й, на відміну від ФБРЕМП-фільтрів, що враховує наявність границь на зображенні. Границі враховуються шляхом класифікації й роздільної обробки пікселів у межах ковзного вікна, що захоплює границю. Це дозволило добитися в околах меж підвищення якості фільтрації на 2,1...3,3ДБ у порівнянні із ФБРЕМП СІФ-фільтром і на 0,9...1,2ДБ у порівнянні з MSF-фільтром.

7. Отримано оцінки максимальної правдоподібності дисперсій адитивної та мультиплікативної завад і алгоритм оцінювання , що виражає із залежності кількості пікселів, віднесених детектором до спотворених імпульсною завадою, від . Експериментально показано, що зміщеність дисперсії мультиплікативної авади не перевершує 8%, адитивної - 5%. Зміщеність оцінок не перевищує 0,13%. З метою завдання вимог до запропонованих алгоритмів оцінки параметрів завад проведено аналіз впливу зміщеності оцінки дисперсії адитивної завади на якість фільтрації зображень і показано, що експериментально отримані величини зміщеності приводять до зниження якості фільтрації не більше, ніж на 0,05ДБ, що припустимо на практиці.

8. Проведено аналіз масштабної залежності коефіцієнта далекої кореляції. Показано, що ця залежність дозволяє визначати діапазон масштабів самоподібності й впевнено відрізняти самоподібні текстури від несамоподібних. У перспективі цей підхід має дозволити для конкретного реального зображення перевірити гіпотезу про самоподібність, обґрунтувати використання запропонованих у дисертації методів й алгоритмів обробки зображень і вибрати найбільш придатний з них.

1. Усс М.Л. Фильтрация изображений с фрактальной структурой на фоне аддитивной и импульсной помех// Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2005. - Вып. 140. - С.57-69.

2. Усс М. Л. Фильтрация изображений с фрактальной структурой на фоне мультипликативной помехи// Восточноевропейский журнал передовых технологий. - 2005. - № 2/2 (14). - С.127-132.

3. Усс М.Л. Векторный локально-адаптивный фильтр для обработки изображений в формате RGB //Авиационно-космическая техника и технология. -Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац ин-т.” - 2002. - Вып. 35. - C.83 - 88.

4. Барышев И.В., Усс М.Л. Использование методов фрактального сжатия для фильтрации изображений// Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2003. - Вып. 132. - С. 169-174. (Barishev I. V. and Uss M. L. Application of Fractal Compression Methods for Image Filtering// Telecommunications and Radio Engineering. - 2003. - №59 (1&2). - P.143-150. Originally published in Radiotechnika. - 2003. - №132. - P.169-174)

5. Красовский Г.Я., Усс М.Л. Фильтрация изображений, искаженных импульсными помехами точечного и строчного типа, на основе систем итерированных функций // Радіоелектронні і компютерні системи. Науково-технічний журнал. - 2003. - Вып. 2. - С. 47-55.

6. Барышев И. В., Усс М. Л. Алгоритм фильтрации цветных RGB-изображений с улучшенным этапом предварительной классификации // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2003. - Т.8, №4. - С.46-52.

7. Барышев И. В., Усс М. Л. Фильтрация изображений, искаженных смесью аддитивной и импульсной помех на основе модели фрактального броуновского движения // Успехи современной радиоэлектроники. - 2005. - № 2. - С.51-68.

8. Барышев И.В., Усс М.Л. Применение теории систем итерируемых функций для фильтрации изображений // 7-й международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в XXI в”: Сб. материалов форума. - ХНУРЭ, 2003. - С. 73.

9. Усс М.Л. Фильтрация изображений на фоне мультипликативной помехи на основе модели фрактального броуновского движения // Міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані компютерні технології в машинобудуванні - ІКТМ-2004”: Тези доповідей. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т “Харк. авіац. ін-т”, 2004. - С. 331.

10. Усс М. Л. Фильтрация изображений с КА “Океан-О” на основе модели фрактального броуновского движения // III Міжнародна науково-технічна конференція “Проблеми розробки і впровадження сучасних інформаційних технологій моніторингу навколишнього середовища та управління екологічною і інформаційною безпекою в регіонах", Сб. материалов форума. 2004. - С. 77.