Покращення якості зображень у радіометричних системах на підставі узгодження їх просторових характеристик - Автореферат

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наукРобота виконана у Національному університеті "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України. Науковий керівник: Прудиус Іван Никифорович, кандидат технічних наук, доцент, Національний університет "Львівська політехніка", декан радіотехнічного факультету. Офіційні опоненти: Величко Анатолій Федорович, доктор технічних наук, доцент, Харківський технічний університет радіоелектроніки, старший науковий співробітник; Захист відбудеться "29" червня 2001 р. о 14-00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.10 у Національному університеті "Львівська політехніка" (вул.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. Дисертаційна робота є складовою частиною досліджень, які проводяться на кафедрі радіотехнічних пристроїв Національного університету "Львівська політехніка" в межах держбюджетних НДР "Розробка засобів компютерного моделювання систем формування високоякісних радіозображень обєктів 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 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.Досліджено критерії оцінки якості зображень та показано необхідність використання таких методів, які враховують особливості подальшого сприйняття зображень. Розглянуто методи відновлення зображень та обґрунтовано вибір групи методів для розвязання задач відновлення зображень у радіометричних системах формування зображень з розрідженими антенними решітками. На основі врахування таких факторів обєктів як контраст, розмір, форма, розташування, співвідношення передній/задній план, розроблений метод дає можливість отримати узагальнену карту важливості зображення (рис. 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. 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.У даній роботі розглянуто теоретичне узагальнення та нове вирішення ряду задач, повязаних з побудовою радіометричних систем формування зображень на основі розріджених антенних решіток. 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. 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.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У даній роботі розглянуто теоретичне узагальнення та нове вирішення ряду задач, повязаних 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 розвязок при вирішенні задачі відновлення радіометричних зображень, що показало придатність таких методів для розвязання 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, компютерне бачення, мультимедійні задачі.

1. Голотяк Т. Метод спряжених градієнтів з обмеженнями на розвязок 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" "Компютерні системи проектування. Теорія і практика". - № 398, 2000, С. 104-109.

3. Прудиус І., Волошиновський С., Голотяк Т. Вплив обмежень на розвязок на збіжність ітераційного процесу при відновленні радіометричних зображень // Вісник Державного університету "Львівська політехніка" "Компютерні 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 розвязку 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 обєктів // 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 розвязання 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.