Автоматизація процедури усунення міжканальних геометричних деформацій зображень, отриманих знімальною апаратурою супутника "Січ-2"

Розглядається алгоритм, призначений для усунення взаємних міжканальних зміщень знімків земної поверхні, отриманих знімальною апаратурою космічного супутника «Січ-2», які мають місце між трьома окремими мультиспектральними каналами та панхроматичним каналом. З використанням запропонованого алгоритму...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Екологічна безпека та природокористування
Datum:	2013
Hauptverfasser:	Кузьмін, А.В., Греков, Л.Д., Оноцький, В.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України 2013
Schlagworte:	Науково-технологічна безпека та інтелектуальні ресурси
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57584
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Автоматизація процедури усунення міжканальних геометричних деформацій зображень, отриманих знімальною апаратурою супутника "Січ-2" / А.В. Кузьмін, Л.Д. Греков, В.В. Оноцький // Екологічна безпека та природокористування: Зб. наук. пр. — К., 2013. — Вип. 12. — С. 133-146. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-57584
record_format	dspace
spelling	Кузьмін, А.В. Греков, Л.Д. Оноцький, В.В. 2014-03-11T19:25:20Z 2014-03-11T19:25:20Z 2013 Автоматизація процедури усунення міжканальних геометричних деформацій зображень, отриманих знімальною апаратурою супутника "Січ-2" / А.В. Кузьмін, Л.Д. Греков, В.В. Оноцький // Екологічна безпека та природокористування: Зб. наук. пр. — К., 2013. — Вип. 12. — С. 133-146. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. XXXX-0062 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57584 528.8 Розглядається алгоритм, призначений для усунення взаємних міжканальних зміщень знімків земної поверхні, отриманих знімальною апаратурою космічного супутника «Січ-2», які мають місце між трьома окремими мультиспектральними каналами та панхроматичним каналом. З використанням запропонованого алгоритму пошук та усунення міжканальних зміщень може здійснюватися оператором в повністю автоматичному потоковому режимі обробки космічних знімків. Рассматривается алгоритм, предназначенный для устранения взаимных межканальных смещений снимков земной поверхности, полученных съемочной аппаратурой космического спутника «Сич-2», которые имеют место между тремя отдельными мультиспектральными каналами и панхроматическим каналом. С использованием предложенного алгоритма поиск и устранение межканальных смещений осуществляется оператором в полностью автоматическом потоковом режиме обработки космических снимков. The article describes the algorithm aimed at eliminating mutual interchannel shifts of Earth surface pictures taken by Sich-2 space satellite shooting equipment. The shifts take place between three separate multispectral channels and the panchromatic channel. With the use of the proposed algorithm the search and elimination of interchannel shifts can be carried out by an operator in a completely automated stream mode of the space picture processing. uk Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України Екологічна безпека та природокористування Науково-технологічна безпека та інтелектуальні ресурси Автоматизація процедури усунення міжканальних геометричних деформацій зображень, отриманих знімальною апаратурою супутника "Січ-2" Автоматизация процедуры устранения межканальных геометрических деформаций изображений, полученных съемочной аппаратурой спутника «Сич-2» Automatization of the procedure for removal of interchannel geometric distortions of images obtained by the “Sich-2” surveying instruments Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Автоматизація процедури усунення міжканальних геометричних деформацій зображень, отриманих знімальною апаратурою супутника "Січ-2"
spellingShingle	Автоматизація процедури усунення міжканальних геометричних деформацій зображень, отриманих знімальною апаратурою супутника "Січ-2" Кузьмін, А.В. Греков, Л.Д. Оноцький, В.В. Науково-технологічна безпека та інтелектуальні ресурси
title_short	Автоматизація процедури усунення міжканальних геометричних деформацій зображень, отриманих знімальною апаратурою супутника "Січ-2"
title_full	Автоматизація процедури усунення міжканальних геометричних деформацій зображень, отриманих знімальною апаратурою супутника "Січ-2"
title_fullStr	Автоматизація процедури усунення міжканальних геометричних деформацій зображень, отриманих знімальною апаратурою супутника "Січ-2"
title_full_unstemmed	Автоматизація процедури усунення міжканальних геометричних деформацій зображень, отриманих знімальною апаратурою супутника "Січ-2"
title_sort	автоматизація процедури усунення міжканальних геометричних деформацій зображень, отриманих знімальною апаратурою супутника "січ-2"
author	Кузьмін, А.В. Греков, Л.Д. Оноцький, В.В.
author_facet	Кузьмін, А.В. Греков, Л.Д. Оноцький, В.В.
topic	Науково-технологічна безпека та інтелектуальні ресурси
topic_facet	Науково-технологічна безпека та інтелектуальні ресурси
publishDate	2013
language	Ukrainian
container_title	Екологічна безпека та природокористування
publisher	Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України
format	Article
title_alt	Автоматизация процедуры устранения межканальных геометрических деформаций изображений, полученных съемочной аппаратурой спутника «Сич-2» Automatization of the procedure for removal of interchannel geometric distortions of images obtained by the “Sich-2” surveying instruments
description	Розглядається алгоритм, призначений для усунення взаємних міжканальних зміщень знімків земної поверхні, отриманих знімальною апаратурою космічного супутника «Січ-2», які мають місце між трьома окремими мультиспектральними каналами та панхроматичним каналом. З використанням запропонованого алгоритму пошук та усунення міжканальних зміщень може здійснюватися оператором в повністю автоматичному потоковому режимі обробки космічних знімків. Рассматривается алгоритм, предназначенный для устранения взаимных межканальных смещений снимков земной поверхности, полученных съемочной аппаратурой космического спутника «Сич-2», которые имеют место между тремя отдельными мультиспектральными каналами и панхроматическим каналом. С использованием предложенного алгоритма поиск и устранение межканальных смещений осуществляется оператором в полностью автоматическом потоковом режиме обработки космических снимков. The article describes the algorithm aimed at eliminating mutual interchannel shifts of Earth surface pictures taken by Sich-2 space satellite shooting equipment. The shifts take place between three separate multispectral channels and the panchromatic channel. With the use of the proposed algorithm the search and elimination of interchannel shifts can be carried out by an operator in a completely automated stream mode of the space picture processing.
issn	XXXX-0062
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57584
citation_txt	Автоматизація процедури усунення міжканальних геометричних деформацій зображень, отриманих знімальною апаратурою супутника "Січ-2" / А.В. Кузьмін, Л.Д. Греков, В.В. Оноцький // Екологічна безпека та природокористування: Зб. наук. пр. — К., 2013. — Вип. 12. — С. 133-146. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT kuzʹmínav avtomatizacíâproceduriusunennâmížkanalʹnihgeometričnihdeformacíizobraženʹotrimanihznímalʹnoûaparaturoûsuputnikasíč2 AT grekovld avtomatizacíâproceduriusunennâmížkanalʹnihgeometričnihdeformacíizobraženʹotrimanihznímalʹnoûaparaturoûsuputnikasíč2 AT onocʹkiivv avtomatizacíâproceduriusunennâmížkanalʹnihgeometričnihdeformacíizobraženʹotrimanihznímalʹnoûaparaturoûsuputnikasíč2 AT kuzʹmínav avtomatizaciâproceduryustraneniâmežkanalʹnyhgeometričeskihdeformaciiizobraženiipolučennyhsʺemočnoiapparaturoisputnikasič2 AT grekovld avtomatizaciâproceduryustraneniâmežkanalʹnyhgeometričeskihdeformaciiizobraženiipolučennyhsʺemočnoiapparaturoisputnikasič2 AT onocʹkiivv avtomatizaciâproceduryustraneniâmežkanalʹnyhgeometričeskihdeformaciiizobraženiipolučennyhsʺemočnoiapparaturoisputnikasič2 AT kuzʹmínav automatizationoftheprocedureforremovalofinterchannelgeometricdistortionsofimagesobtainedbythesich2surveyinginstruments AT grekovld automatizationoftheprocedureforremovalofinterchannelgeometricdistortionsofimagesobtainedbythesich2surveyinginstruments AT onocʹkiivv automatizationoftheprocedureforremovalofinterchannelgeometricdistortionsofimagesobtainedbythesich2surveyinginstruments
first_indexed	2025-11-26T02:44:58Z
last_indexed	2025-11-26T02:44:58Z
_version_	1850608938712563712
fulltext	Розділ 3. Науково-технологічна безпека та інтелектуальні ресурси 133 УДК 528.8 © А.В. Кузьмін 1 , канд. фіз.-мат. наук, доцент; Л.Д. Греков 2 , д-р техн. наук, виконуючий обов’язки директора; В.В. Оноцький 1 , асистент 1 Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, м. Київ 2 ДНВЦ «Природа», м. Київ АВТОМАТИЗАЦІЯ ПРОЦЕДУРИ УСУНЕННЯ МІЖКАНАЛЬНИХ ГЕОМЕТРИЧНИХ ДЕФОРМАЦІЙ ЗОБРАЖЕНЬ, ОТРИМАНИХ ЗНІМАЛЬНОЮ АПАРАТУРОЮ СУПУТНИКА «СІЧ-2» Розглядається алгоритм, призначений для усунення взаємних міжканальних зміщень знімків земної поверхні, отриманих знімальною апаратурою космічного супутника «Січ-2», які мають місце між трьома окремими мультиспектральними каналами та панхроматич- ним каналом. З використанням запропонованого алгоритму пошук та усунення міжканаль- них зміщень може здійснюватися оператором в повністю автоматичному потоковому ре- жимі обробки космічних знімків. Космічні знімки зі значною долею однорідних областей ал- горитм дозволяє обробляти з використанням індивідуальних параметрів налаштування. Пошук та усунення міжканальних зміщень для сильно деформованих каналів здійснюється поетапно (грубе, середнє, піксельне та субпіксельне) суміщення. За наявності апріорної ін- формації про ступінь міжканальних зміщень етапи грубого та середнього суміщення мо- жуть не виконуватись. Ключові слова: космічні знімки, обробка інформації, просторові міжканальні зміщення Малогабаритний космічний супутник «Січ-2» масою 176 кг, виведений на орбіту Землі 17 серпня 2011 року, оснащено оптико - електронним сканером з трьома спектральними та одним панхроматичним діапазоном, сканером середнього інфрачервоного діапазону та ком- плексом наукової апаратури для вивчення заряджених та нейтральних частинок електрично- го та магнітного полів у верхніх шарах атмосфери Землі (табл. 1). Тематична обробка супутникових даних дистанційного зондування передбачає ком- плексування інформації, отриманої в різних спектральних діапазонах. Зокрема, для до- слідження рослинного покриву використовуються численні вегетаційні індекси, які базують- ся на комбінації даних червоного та ближнього інфрачервоного діапазонів. Отримання адек- ватних характеристик земної поверхні, використовуючи комбінації різних спектральних ка- налів знімальної апаратури, потребує виконання цілого ряду корекцій вихідних даних, що фіксують сенсори; крім радіометричної та атмосферної корекції, необхідно проведення гео- Екологічна безпека та природокористування____________________________ 134 метричної корекції, яка виконується з метою усунення міжканальних зміщень. Аналіз вихідних даних мультиспектральних та панхроматичного каналів «Січ–2» де- монструє суттєві взаємні просторові міжканальні зміщення, які викликані рядом різноманіт- них факторів: конструкцією знімальної апаратури, механічними і температурними впливами, режимом роботи скануючого пристрою. Таблиця 1 - Основні характеристики супутника «Січ-2» Висота орбіти 700 км Нахил орбіти в градусах 98.24 Максимальний кут відхилення від надиру в градусах 30 Багатозональний скануючий пристрій Панхроматичний спектральний діапазон 0.51 – 0.9 mkm Мультиспектральні діапазони 0.51-0.59; 0.61-0.68; 0.8-0.9 mkm Проекція кроку пікселів у надирі 7.75 м Ширина смуги огляду 48.8 км Максимальна довжина смуги огляду 300 км Сканер середнього інфрачервоного діапазону Середній інфрачервоний діапазон 1.51 – 1.7 mkm Проекція кроку пікселів у надирі 41.4 м Ширина смуги огляду 58.1км Геометрична корекція відеоінформації, отриманої космічним апаратом «Січ-2», має бу- ти направлена на компенсацію міжканальних геометричних деформацій та просторове суміщення зображень різних каналів. Алгоритм геометричної корекції мультиспектральних та панхроматичного каналів космічного апарату «Січ-2» використовує канал green як базовий і поетапно здійснює поліноміальне перетворення координат для каналів read, nir, pan, що забезпечує мінімум се- редньоквадратичного відхилення між знайденою множиною точок ототожнення на базовому та зміщеному каналах з використанням процедури інтерполяції спектральних яскравостей для зміщеного каналу. Зауважимо, що міжканальні зміщення характерні практично для сенсорів усіх космічних апаратів дистанційного зондування, оснащених електронно–оптичними мультис- пектральними сканерами, сконструйованими на лінійках із зарядним зв’язком. У той же час модель геометричної корекції міжканальних зміщень для більшості з них формується в результаті наземного геометричного калібрування у вигляді базових функцій трансформації (предикторної моделі геометричної корекції), які надалі корегуються безпосе- редньо за космічними знімками. Такий підхід дозволяє забезпечити високу (субпіксельну) точність суміщення каналів для більшої частини знімків [1]. На жаль, для космічного апарату «Січ–2» інформація про наявність базових функцій трансформацій міжканальних деформацій відсутня, що вимагає проведення досліджень з візуального вивчення міжканальних деформацій з використанням комплексу ENVI на мно- жині наявних знімків з рівнем обробки 1А. Результати візуального дослідження міжканальних деформацій, отримані по п’яти точ- Розділ 3. Науково-технологічна безпека та інтелектуальні ресурси 135 ках кожного знімку, можна охарактеризувати значними міжканальними деформаціями між панхроматичним та мультиспектральними каналами сенсору «Січ-2», що практично унемож- ливлює автоматизований пошук міжканальних просторових деформацій без застосування предикторної моделі трансформації для панхроматичного каналу по відношенню до базового (зеленого) каналу. Використання предикторної моделі надає можливість виявити та компен- сувати грубі міжканальні деформації з подальшим уточненням за допомогою автоматичного алгоритму просторового суміщення (модель коректор). За результатами статистичної обробки даних міжканальних зміщень для панхроматич- ного каналу не виявлено зв’язку між зміщеннями по рядку та стовпцю знімку, що дозволило обрати найпростішу предикторну модель усунення грубих деформацій у вигляді незалежно- го паралельного зміщення панхроматичного каналу відносно базового по рядках і стовпцях. Застосування цієї моделі не вимагає використання процедури інтерполяції спектральної яс- кравості, а для збереження всієї наявної інформації та забезпечення однакового розміру зоб- ражень для базового та панхроматичного каналу здійснюється доповнення зображення вер- тикальною смугою для зміщення стовпців, або горизонтальною - для зміщення рядків з ну- льовим значення спектральної яскравості. Конкретні значення зміщення предикторної моделі по стовпцю - 0 l та рядку - 0 k об- числюються з використанням лінійної регресії на базі інформації файлу орбітальних даних file.anf, що супроводжує кожний знімок. 0 14766.9( ) 1999.2 ( ) 30.03G P G Pk S S D D     (1), 0 15.98 58.89l     (2), де ,G PS S - значення широти лівого верхнього кута знімка для зеленого та панхроматичного каналів, ,G PD D - значення довготи лівого верхнього кута знімка для зеленого та панхрома- тичного каналів,  - кут крену орієнтації космічного апарата. Методи порівняння зображень Алгоритми автоматичної корекції міжканальних зміщень космічних знімків базуються на пошуку тотожних фрагментів зображення для різних спектральних діапазонів, для чого використовуються різноманітні міри близькості (подібності) зображень, які дозволяють мак- симально точно ототожнювати фрагменти зображення однієї й тієї ж частини земної поверх- ні, отриманої різними сенсорами, та встановлювати відповідність між точками на зображен- нях у різних спектральних діапазонах, що відповідають одній точці земної поверхні. У подальшому точки земної поверхні, для яких встановлена відповідність координат цих точок у локальних системах координат різних зображень, будемо називати точками ото- тожнення відповідних зображень, а фрагменти, які ототожнюються, – реперними фрагмен- тами. Екологічна безпека та природокористування____________________________ 136 Рис. 1 - Фрагмент знімка Січ-2 у зеленому діапазоні спектру Для пошуку міжканальних деформацій між собою порівнюються фрагменти зображен- ня ( , ) , ,, k l i j i k j lA A B B    , 1 2 1 2,n i n m j m    відносно невеликих однакових розмірів, для яких встановлюється величина локального зміщення фрагмента ( , )k l B відносно фрагмента A за правилом:  ( , ) 0 0 ( , ) ( , ) rg max , k l k l k l A A B , де  ,A B - деяка обрана міра близькості двох зображень. Від вдалого вибору конкретної міри подібності значним чином залежить якість алгоритму корекції міжканальних зміщень, зокрема, міри подібності повинні задовольня- ти таким природним властивостям [2]:  міра подібності дорівнює 1 для двох тотожних зображень;  міра рефлексивна для нормалізованих зображень;  міра симетрична;  міра повинна бути стійкою до шумів. Наведені нижче міри близькості задо- вольняють усім переліченим властивостям: 1 1 , , , 1 ( , ) 1 rr i j i j i j A B A B nm          (3), , , , 2 2 2 , , , , ( , ) max , i j i j i j i j i j i j i j A B A B A B           (4),   , , , 3 , ,, min , ( , ) max , i j i j i j i j i ji j A B A B A B          (5),   , , , , 4 , , 1( , ) i j i j i j i j i j i j A B A B A B        (6),     , , , , 5 , , min 1 ,1 ( , ) max 1 ,1 i j i j i j i j i j i j A B A B A B         (7),        , , , , 1 2 2 2 , , , 6 0.5 1( , ) i j i j A i j B i j A i j B i j i j A M B M A B A M B M                          . (8), де AM , BM - середні значення яскравості зображень ,A B . Міра близькості 6 ( , )A B , яка найбільш часто використовується для оцінки близькості зображень, носить назву приведеної взаємно-кореляційної функції. Розділ 3. Науково-технологічна безпека та інтелектуальні ресурси 137 Рис. 2 - Фрагмент знімка «Січ – 2» у ближньому інфрачервоному спектрі Порівняння зображень 1Z та 2Z однієї й тієї частини земної поверхні, отриманої знімальною апаратурою для різних спектральних діапазонів з використанням наведених мір, часто характеризується відносно низькими значеннями величини міри, не чітко вираженим екстремальними значенням міри, що веде до появи хибних екстремумів функції   , 21 1,6, , k l Z Z i i   та хибних точок ототожнення зображень. Найбільш часто такі ефекти спостерігаються при порівнянні зображень видимого спек- тру (зеленого, блакитного, червоного) та зображень, отриманих для інфрачервоного діапазо- ну (ближнього, середнього), або панхроматичних зображень, які інтегрують інфрачервоний діапазон спектру. Окремі частини земної поверхні на таких зображеннях мають інверсні зна- чення яскравості, що є основною причиною низької ефективності безпосереднього порівнян- ня таких зображень за допомогою наведених мір близькості. Так, для істинного вектора зміщення між зображеннями рис. 1 та рис. 2 в пікселях, що становить (1,-1), своє максимальне значення усі міри подібності (3) - (8) сягають для різних значень вектора зміщення, відмінних від наведеного істинного значення. Для порівняння фрагментів земної поверхні, з властивостями зображень (рис. 1, рис. 2), замість вихідних зображень будемо використо- вувати їх градієнтні зображення, обчислені за оператором Собеля [3].  , 1, 1, 1, 1 1, 1 1, 1 1, 12x i j i j i j i j i j i j i jS A A A A A A A                , , 1 , 1 1, 1 1, 1 1, 1 1, 12y i j i j i j i j i j i j i jS A A A A A A A                   0.5 2 2 , ,, x y i j i ji j A S A S A S 1,2,1,2  MjNi (9) На рис. 3, 4 наведені градієнтні зображення фраг- ментів земної поверхні, обчислені для зеленого та ближнього інфрачервоного каналів знімальної апаратури космічного апарата «Січ-2». Встановлено, що екстремальне значення мір подібності (3) – (8) для градієнтних зобра- жень зеленого та ближнього інфрачервоного каналів або зеленого та панхроматичного ка- налів досягаються саме на істинному значенні вектора зміщення, рівного (1,-1). Таким чи- ном, для суміщення каналів, що містять інверсні області, в алгоритмі геометричної корекції міжканальних деформацій використовується обчислення мір подібності перетворень Собеля. Екологічна безпека та природокористування____________________________ 138 Рис. 3 Рис. 4 Вибір фрагментів ототожнення Знаходження просторових міжканальних деформацій космічних знімків вимагає знаходження значної кількості точок ототожнення для кожної пари каналів, які рівномірно розподіляються по полю зображення. Встановлено, що для космічних знімків з великими площами однорідних фрагментів процес пошуку точок ототожнення може призводити до появи хибних точок ототожнення фрагментів зображення, що, в свою чергу, знижує точність ототожнення самих зображень. До таких однорідних фрагментів зображень, як правило, належать:  області знімка, вкриті суцільною або розрідженою хмарністю;  площі земної поверхні, вкриті щільним сніговим покривом;  акваторії великих озер, водосховищ, морів;  площі земної поверхні з однорідною рослинністю (степи, ліси, сільськогосподарські угіддя). Для запобігання вибору таких фрагментів пропонується ввести кри- терій інформативності фрагмента знімка, який обирається на базовому зображенні. Зокрема, в [4] пропонується обирати фрагменти, які містять точки з відносно великою спектральною яскравістю. Але на знімках зі значними областями хмарності та сніговим покривом такий підхід приводить до вибору точок ототожнення в цих областях та хибним їх ототожненням. Більш ефективним видається підхід оцінки ступеня неоднорідності (інформативності) фрагмента ( ) , 1, S A s S зображення A з використан- ням мір подібності (3) – (7) як міри подібності зображення своєму се- редньому значенню. Будемо обирати найбільш інформативні фрагменти базового зображення, для яких виконується критерій однорідності Рис. 5 Розділ 3. Науково-технологічна безпека та інтелектуальні ресурси 139   ( ) ( )( , ) , 1,5s s s i i iA A M i     , де , 1,5i i  - експериментально встановлений поріг допу- стимої однорідності фрагмента зображення. В якості орієнтовного значення порогу од- норідності можна обирати величину ( , ) 1,5i i iA A M i   , тобто ступінь однорідності всього базового зображення. Враховуючи значні територіальні області, що охоплюються одним знімком знімальної апаратури космічного апарата «Січ-2» (середня площа одного знімка становить близько 10 000 км 2 ) , та можливу статистичну неоднорідність зображення, для забезпечення рівномір- ності розташування точок ототожнення в інформативних зонах знімка раціонально провести зонування космічного знімка на прямокутні зони та обирати критерій однорідності фрагмен- та для кожної зони знімка (рис. 5). Деякі зони знімка з низьким значенням інформативності взагалі можуть бути виключені з процедури вибору точок ототожнення. Використання пірамідальних представлень знімків Як зазначалося вище, просторові деформації між мультиспектральними та панхрома- тичним каналами мають значні величини і навіть після застосування предикторної моделі (1) - (2) величина вектора просторового зміщення змінюється в широкому діапазоні. Пошук можливих зміщень для кожного фрагмента ототожнення при порівнянні сильно деформова- них зображень вимагає значних обчислювальних витрат для знаходження величини  ( , ) 0 0 ( , ) ( , ) rg max , k l L k l L k l A A B     , де допустимі величини можливих зміщень (k,l) змінюються в широкому діапазоні значень ,L k l L   , де L - може приймати великі значення в залеж- ності від можливої величини зміщення. Для виявлення та усунення грубих просторових міжканальних деформацій будемо ви- користовувати технологію пірамідального представлення вихідних зображень, використову- ючи зображення земної поверхні з просторовим розрізненням, нижчим, ніж вихідне зобра- ження. Введемо цілий коефіцієнт осереднення зображення p L , який використовується для по- будови зображення, зниженої в PL разів роздільної здатності:     ( 1) ,( 1) 1 1 2, , 1.. , 1.. p p p p p p p L L i L j L L L Li j p A A i N j M L               P , p pL L p p N M N M L L                 . (10) У результаті величина координатної неузгодженості між зображеннями в різних спек- тральних діапазонах зменшується в p L разів, що дозволяє зменшити кількість обчислень мір подібності за рахунок зменшення діапазону пошуку L . Екологічна безпека та природокористування____________________________ 140 Моделі координатної трансформації зображень Ототожнюючи локальні реперні фрагменти базового та зміщеного зображень та об- числюючи для них локальні зміщення ( , ), 1,j jk l j J , отримуємо множину точок ототож- нення  ( , ) , , 1,j j j j j jx y x k y l j J    . Сукупність отриманих точок ототожнення дозволяє побудувати поліноміальну модель координатного перетворення для всього зображення, що суміщається з базовим. Будемо використовувати поліноміальну модель координатного перетворення не вище третього порядку:         3 2 2 3 2 2 3 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3 2 2 3 2 2 3 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 , , x y x P x y a a x a y a x a xy a y a x a x y a xy a y y P x y b b x b y b x b xy b y b x b x y b xy b y                       (11) Введемо вектори: 1 2 1 2( , ,.... ) , ( , ,.... )T T J Jx x x y y y x y 1 1 2 21 ( , ,.... ) ,T J Jx k x k x k   x . 1 1 2 21 ( , ,.... ) , 10T J Jy l y l y l J    y .  1 10 1 10,... , ( ,... ) T Ta a b b a b . Тоді невідомі коефіцієнти перетворення (11) знаходяться як розв’язок системи лінійних алгебраїчних рівнянь: 1xHHH T a T  1yHHH T b T  (12), де H прямокутна матриця виду розмірності ( 10)J  : 2 3 1 1 1 1 1 1 2 3 2 2 2 2 2 2 2 3 1 ... 1 ... . . . . . . . . . . . . 1 ...J J J J J J x y x x y y x y x x y y x y x x y y                  H . (13) Враховуючи, що матриця системи рівнянь HH T має велике число обумовленості, яке зростає зі збільшенням числа точок J та степені полінома, для знаходження розв’язку систе- ми лінійних алгебраїчних рівнянь з необхідною точністю в алгоритмі використовується ме- тод Гауса з вибором головного елемента по всій матриці, обчислення проводиться з подвійною точністю та ітераційним уточненням розв’язку. Розділ 3. Науково-технологічна безпека та інтелектуальні ресурси 141 Рис. 6 Враховуючи, що матриця H , вектори 1, 1x y мають цілочисельні значення, забезпечити необхідну точність обчислення коефіцієнтів координатного перетворення можна, здійснюю- чи обчислення в раціональних числах. Поновлення зображень у перетворених координатах Обчис- лення спектральної яскравості у вузлах трансфор- мованої сітки за відомими значеннями у вузлах основної сітки (рис. 6) здійснюється з використанням деякої процедури інтерполяції. Найбільш вживаними при обчисленні спектраль- ної яскравості є процедури найближчого сусіда, білінійна та бікубічна інтерполяція. Для обчислення значення яскравості зображення oji A ,0 для зміщеного спектрального ка- налу в деякому вузлі основної сітки з піксельними координатами   o ji , 0 , обчислюємо поло- ження цього пікселя на трансформованому зображенні     oyox jiPyjiPx ,,, 0 )3( 10 )3( 1  та найближчий до точки   11 , yx вузол основної сітки      2 2 1 1 , , rg min ( ) ( ) i j i j A x i y j    . Тоді за методом найближчого сусіда jiji AA o ,,0  , за методом білінійної інтерполяції )()( 1111,0 jygixgA oji  , за методом бікубічної інтерполяції )()( 1313,0 jygixgA oji  , де )( 1 sg та )( 3 sg - лінійний та кубічний В – сплайни.          1,0 10,1 01,1 )(1 s ss ss sg , (14)     3 2 3 2 3 / 2 2 / 3, 0,1 ( ) / 6 2 4 / 3, 1,2 0, 2 s s s g s s s s s s               . (15) Відмітимо, що застосування білінійного та особливо бікубічного метода інтерполяції призводить до згладжування інтерпольованого зображення, що, в свою чергу, веде до погір- - вузли трансформованої сітки; - вузли основної сітки. Екологічна безпека та природокористування____________________________ 142 шення його якості. Інтерполятор за методом найближчого сусіда зберігає значення спектра- льної яскравості в кожній точці і веде лише до локальних зміщень. Процедура субпіксельного суміщення зображень Параметри зміщення зображень, отриманих в різних спектральних діапазонах, уточ- нюються шляхом застосування субпіксельних алгоритмів суміщення [5], найбільш вживани- ми серед яких є алгоритми:  інтерполяції інтенсивності;  апроксимації розв’язної функції двовимірною гаусовою функцією;  градієнтний. Серед наведених градієнтний алгоритм має оптимальні характеристики як за точністю, так і за швидкодією, і зводиться до мінімізації середньоквадратичного відхилення між ета- лонним ( , )i jA x y і зміщеним ( , )i jB x y зображеннями:     2 , 1 1 min ( , ) ( , ) N M i j i j dx dy i j A x y B x dx y dy      . (16) У припущенні розвинення спектральної яскравості за формулою Тейлора ( , ) ( , ) ( , ) ( , )i j i j x i j y i jB x dx y dy B x y B x y dx B x y dy     мінімізація функціоналу (16) зводить- ся до системи лінійних алгебраїчних рівнянь:             , , ,2 , 1 , 1 , 1 ,, , 2 , 1, 1 , 1 ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , )( , ) ( , ) ( , ) M N M N M N x i j x i j y i j i j i j x i j i j i j i j M NM N M N i j i j y i jx i j y i j y i j i ji j i j dx B x y B x y B x y A x y B x y B x y A x y B x y B x yB x y B x y B x y dy                                         Для обчислення похідних ( , )x i jB x y та ( , )y i jB x y використовується скінченно-різницева апроксимація:     2 2 1 1 2 2 1 1 ( , ) 8 ( , ) 8 ( , ) ( , ) ( , ) /12 ( , ) 8 ( , ) 8 ( , ) ( , ) ( , ) /12 x i j i j i j i j i j y i j i j i j i j i j B x y B x y B x y B x y B x y B x y B x y B x y B x y B x y                 . (17) Формування множини реперних фрагментів зображення Знімки, що надходять з космічного апарата «Січ–2», мають фіксовану кількість ліній 6 090, яка відповідає ширині смуги огляду 48 км; перші 90 ліній знімка містять службову Розділ 3. Науково-технологічна безпека та інтелектуальні ресурси 143 інформацію. Кількість рядків знімка може змінюватись, але не перевищує 38 000, що відповідає максимальній довжині смуги огляду 300 км. Для вибору множини реперних фрагментів космічний знімок покривається рівномір- ною сіткою з множиною вузлів yxji KjKiIYIX ,1,,1,,  . Для вихідного зображення множина вузлів у напрямку рядків визначається за форму- лою: x xx xi Ki K N i K N KNIX ,1, 1 )1( 1 )1((5.090                      , де 6000N - кількість ліній, 40xK  - кількість вузлів у напрямку рядків. Множина вузлів за напрямом ліній обчислюється за формулою: y yy yi Kj K M j K M KMIY ,1, 1 )1( 1 )1((5.0                              , де M - кількість рядків,        N M KK xy - кількість вузлів у напрямку ліній. Для пірамідних зоб- ражень кількість вузлів сітки зменшується пропорційно параметру осереднення PL . У результаті такого вибору вузлів рівномірної сітки крок сітки по напрямку рядків та ліній дорівнює 146 пікселів. Кожний вузол сітки lk IYIX , обирається геометричним центром квадратного реперного фрагмента  , ( , ), ,k l k m k m l m l mi j IX L i IX L IY L j IY L          розміром    2 1 2 1m mL L   пікселів. Величина mL обирається експериментальним шляхом, використовуючи критерій мінімізації кількості хибних точок ототожнення. Найкращі резуль- тати суміщення каналів спостерігаються для значень параметра 40 70mL  , що відповідає розміру квадратної просторової області зі стороною 625 – 1090 м. Послідовність операцій алгоритму міжканальних геометричних суміщень  На вхід алгоритму подаються два двовимірних масиви MjNiBBAA jiji ,1;,1,, ,,  , які містять значення спектральної яскравості базового та зміщеного каналів відповідно.  Якщо канал B - ближній інфрачервоний або панхроматичний, то обчислюється опе- ратор Собеля )(),( BSAS (9), якщо канал B - червоний, то оператор S співпадає з тотожнім оператором.  Обирається етап суміщення каналів (грубе, середнє, точне) шляхом вибору параметру PL .та обчислюються піраміди  )(ASP PL ,  )(BSP PL для вихідних зображень або їх перетво- рень Собеля за формулою (16). Для етапу точного суміщення параметр 1 P L .  Обчислюються вузли регулярної сітки yxji KjKiIYIX ,1,,1,,  для пірамідних зоб- ражень двох каналів та обирається параметр L - півширина реперних квадратних фрагментів yxlk KlKk ,1,,1, ,  . Екологічна безпека та природокористування____________________________ 144  Обчислюємо початковий рівень 0 міри близькості (3) – (8) зображень двох спек- тральних каналів, вид міри близькості є параметром алгоритму.  Відбираємо найбільш інформативні реперні фрагменти    , , , , , , , i j i j n m i i j iA A n IX L IX L m IY L IX L       , здійснюючи сортування центральних то- чок фрагментів yxji KjKiIYIX ,1,,1,,  , ключем сортування обирається ступінь інформа- тивності            1 1 1 ( , ) ( , ) , 1,s s s s s s A A A M A M s S            . Фрагменти, що не задоволь- няють обраному критерію інформативності, не використовуються для пошуку точок ототож- нення двох каналів.  Для кожного інформативного фрагмента  ,s si j A шукаємо реперний фрагмент  0 0,s si k j l B   за правилом       , , , , rg max , ,s s s s m m i j i k j l s s L k l L k l A A B       1,s S .  За результатами знайдених векторів зміщення  ,s sk l формуємо множину точок ототож- нення    , , , 1, s s s si j i s j sIX IY IX k IY l s S    .  Будуємо поліноміальні перетворення (11) від першої до третьої степені включно.  Здійснюємо розрахунок спектральної яскравості зображення зміщеного каналу з викори- станням процедури інтерполяції для кожного поліноміального перетворення.  Оцінюємо значення міри близькості , 1,2,3i i  для здійснених поліноміальних перетво- рень. Обираємо результат перетворення з максимальним значенням міри близькості. Ре- зультат перетворення зміщеного зображення приймається, якщо виконується умова 0 1 3 maxp i i       .  Послідовно здійснюються етапи грубого, середнього та точного суміщень.  По завершенні етапу точного суміщення проводиться етап субпіксельного суміщення та перерахунок спектральної яскравості.  Оцінюється значення міри близькості sp . Результат субпіксельного суміщення прий- мається за умови sp p   . Результати чисельних експериментів та висновки  Розроблений автоматичний алгоритм суміщення спектральних і панхроматичного каналів космознімків КА «Січ-2» працює в повністю автоматичному режимі, здійснює перетво- рення координат для зміщеного каналу відносно базового та обчислює значення спек- тральних яскравостей у точках базового каналу. За замовчанням в якості базового каналу обраний канал green.  Якість суміщення двох каналів на кожному кроці суміщення контролюється за величи- ною деякої міри близькості зображень, яка зростає на кожному кроці перетворення (гру- бе, середнє, точне, субпіксельне суміщення) і сягає деякого максимального значення на останньому кроці перетворення спектральних та панхроматичного каналів. Розділ 3. Науково-технологічна безпека та інтелектуальні ресурси 145  Величина міри близькості Г різних каналів при абсолютно точному суміщенні варіюється в залежності від обраної пари каналів: o green – read Г =0.85 – 0.98; o S(green) – S(nir) Г = 0.60 – 0.80; o S(green) – S(pan) Г =0.65 – 0.85; S(nir), S(pan) – перетворення Собеля ближнього інфрачервоного та панхроматичного каналів.  Для пари каналів green – read значення міри близькості Г обчислюється безпосередньо для вихідних зображень двох каналів. Для пар каналів green – nir та green – pan значення міри Г обчислюється для градієнтних зображень по оператору Собеля відповідних зоб- ражень.  Точність здійснення суміщення каналів в значній мірі визначається якісними характери- стиками відзнятої сцени. Зокрема, негативним чином на точність суміщення впливають великі за площею сингулярні фрагменти знімка, такі знімки містять: o Відсоток хмарності більший за 30%; o Великі за площею (більше за 30% від площі знімка) однорідні фізико- географічні об’єкти: морські акваторії, великі озера, лісові масиви, пустелі, вкриті снігом території.  Фрагменти таких частин знімку мають значно нижчий ступінь інформативності, що може призводити до появи хибних точок ототожнення таких фрагментів на різних каналах та зниження точності суміщення каналів. У запропонованому алгоритмі обираються найбільш інформативні реперні фрагменти.  Точність суміщення досягнута алгоритмом в автоматичному режимі для знімків, які не містять великих за площею сингулярних фрагментів, відповідає потребам подальшої те- матичної обробки та знаходиться в межах 0.5 пікселя.  Суміщення каналів для знімків з великими за обсягом сингулярними фрагментами мо- жуть бути здійснені алгоритмом суміщення каналів за допомогою внесення змін до пара- метрів конфігураційного файла. При цьому точність, необхідна для здійснення тематич- ної обробки, може бути досягнута лише для інформативної частини знімка.  Алгоритм автоматичного суміщення каналів «Січ-2» функціонує на обчислювальному комплексі під управлінням операційного середовища Windows 7 на базі процесора «I7» та 8 Гб ОЗУ, вимоги до величини оперативної пам’яті є критичними. При суміщенні усіх каналів знімка в розрахунку на один рядок знімка розміром 6 000 пікселів алгоритм вит- рачає близько 0,019 сек. Тобто знімок з кількістю 25 000 рядків обробляється протягом 475 сек. Список використаної літератури 1. Василевский А.С. Межканальные геометрические совмещение изображений, получен- ных с помощью малого спутника BIRD/ А.С. Василевский, Б.С. Жуков, Я.Л. Заман Д. Эртель, М. Конрадт//http://www.iki.rssi.ru/earth/2-05./pdf Екологічна безпека та природокористування____________________________ 146 2. Ван дер Векен Д. Применимость мер подобия при обработке зображений / Д.Ван дер Векен, М. Нахтегаль, Э.Е. Керре // 3. Шовенгерд Р.А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображе- ний / Роберт А. Шовенгерд/ М. Техносфер. – 2010. – 560 с. 4. Кузнецов А.Е. Оперативное совмещение спектрозональных изображений при цвето- синтезе / А.Е. Кузнецов, П.Н. Светелкин// Весник РГРТУ. – Вып. 22. – Рязань. – 2007. 5. Душепа В.А. Сравнительный анализ субпиксельных алгоритмов при совмещении изор- бражений/ В.А. Душепа, М.Л. Усс// Радіоелектронні і комп’ютернісистеми. – 2011. – № 4 (52). – с. 41-50. Стаття надійшла до редакції 17.01.13 українською мовою © А.В. Кузьмин, Л.Д. Греков, В.В. Оноцкий Автоматизация процедуры устранения межканальных геометрических деформаций изображений, полученных съемочной аппаратурой спутника «Сич-2» Рассматривается алгоритм, предназначенный для устранения взаимных межканаль- ных смещений снимков земной поверхности, полученных съемочной аппаратурой космиче- ского спутника «Сич-2», которые имеют место между тремя отдельными мультиспек- тральными каналами и панхроматическим каналом. С использованием предложенного алго- ритма поиск и устранение межканальных смещений осуществляется оператором в полно- стью автоматическом потоковом режиме обработки космических снимков. Космические снимки со значительной долей однородных областей алгоритм позволяет обрабатывать с использованием индивидуальных настроек. Устранение межканальных смещений для сильно деформированных каналов осуществляется поэтапно (грубое, среднее, пиксельное и субпик- сельное) совмещение. При наличии априорной информации о степени межканальных смеще- ний этапы грубого и среднего совмещения могут не выполняться. © A.V. Kuzmin, L.D. Grekov, V.V. Onozkiy Automatization of the procedure for removal of interchannel geometric distortions of images obtained by the “Sich-2” surveying instruments The article describes the algorithm aimed at eliminating mutual interchannel shifts of Earth surface pictures taken by Sich-2 space satellite shooting equipment. The shifts take place between three separate multispectral channels and the panchromatic channel. With the use of the proposed algorithm the search and elimination of interchannel shifts can be carried out by an operator in a completely automated stream mode of the space picture processing. The algorithm allows space pictures with a considerable degree of homogeneous parts to be processed with the use of individu- al adjusting parameters. The search and elimination of interchannel shifts for too deformed chan- nels are carried out step-by-step (coarse, medium, pixel and sub-pixel) superimposition. When there is an a priori information about the degree of interchannel shifts the steps of rough and medium superimposition can remain unperformed. http://www.multitran.ru/c/m.exe?t=1931182_1_2&s1=%F1%FA%B8%EC%EE%F7%ED%E0%FF%20%E0%EF%EF%E0%F0%E0%F2%F3%F0%E0

Автоматизація процедури усунення міжканальних геометричних деформацій зображень, отриманих знімальною апаратурою супутника "Січ-2"

Institution

Ähnliche Einträge